Пульсаційно-кавітаційний енергогенератор і.м. федоткіна

1. Пульсаційно-кавітаційний енергогенератор, що включає насос, електромотор і ротор конічної форми з гвинтовими канавками та соплами, розміщений вертикально в резервуарі, який відрізняє ться тим, що привідний вал енергогенератора з одного боку через пальцеву муфту з'єднаний з валом електродвигуна, а з другого - через електромагнітну муфту - сполучений з валом насоса, нижня частина корпусу енергогенератора, в якому розміщено його ротор, з'єднана патрубком зі всмоктуючим штуцером насоса, а верхня - патрубком з нагнітальним штуцером насоса, обидва патрубки сполучені між собою байпасним трубопроводом і оснащені кульовими вентилями, енергогенератор з насосом розміщений в вертикальному циліндричному баці з герметичною кришкою, на кришці закріплено електромотор, герметичність кришки забезпечена двома гумовими прокладками, а герметичність вала - сальниковим ущільненням з грундбуксою, бак оснащений напірною та зливною арматурою і сполучений з тепловою мережею опалення, на баці встановлено лійку, з'єднану з корпусом енергогенератора для заливання в нього робочої рідини, і повітряний ковпак для підсилення пульсацій, сполучений з нагнітальним патрубком насоса, основний робочий орган енергогенератора - конічно-циліндричний ротор - розміщений в конічному кожусі більшим діаметром догори, нижня частина ротора посаджена на дві шпонки, закріплені на вертикальному валу, а верхня частина ротора закрита плоским кільцем із прорізами, притисненим нижнім торцем циліндричної камери, верхній торець циліндричної камери закритий кришкою, закріпленою різьбовим з'єднанням з внутрішньою поверхнею циліндричної частини ротора, на бічній поверхні ротора, розміщеного в конічному кожусі, нарізано гвинтові канавки з правогвинтовою нарізкою і постійним кроком гвинта при змінному куті нахилу канавки до горизонтальної площини за формулою: 2 3 38971 4 при цьому відводу теплової енергії від робочої рідини і використання її споживачами. ¶ 2N 5. Енергогенератор за пп. 1-4, який відрізняється = -2 < 0 , тим, що в верхній частині вала за допомогою двох ¶ 2u шпонок приєднана насадка, яка утворює продовщо відповідає максимуму потужності обертальної ження вала, з'єднаного з пальцевою муфтою, веренергії, яка повертається; хня частина насадки виконана суцільно і контактує тут позначено: з сальниковим ущільненням, а нижня частина N - потужність енергії обертального руху, яка попорожнинна, в ній виконано 3-4 вікна, висота вікна вертається, кВт; складає 2-3 його ширини, а площа всіх вікон відпоg - питома вага рідини, кг/м 3; відає 1-2-кратній площі поперечного перерізу під2 g = 9,81 м/с - прискорення сили тяжіння; ведених від насоса трубопроводів, до вікон у стик Q - витратна продуктивність насоса, м 3/год.; під прямим кутом до радіуса насадки приварено w - абсолютна швидкість рідини в соплах і гвинлопаті в розмір висоти вікна, до зовнішніх кінців тових канавках; лопатей прикріплено (зварюванням) хвостовики, u = pDn - окружна швидкість обертання ротора ( D виконані в розмір лопатей і вигнуті в циліндричну - діаметр, n - число обертів за 1 секунду, об./с); форму, яка вписується у внутрішню поверхню циліндричної вставки, що також має вікна, ширина j - кут нахилу сопла до дотичної або гвинтової лопатей на 10-25 % більша за ширину вікон цилінканавки до горизонтальної площини; дричної вставки, кількість лопатей дорівнює числу з умов оптимізації в соплах маємо w = 2u (так як вікон циліндричної вставки або на одне менше, cos j » 1 ), відносна швидкість витікання рідини з між зовнішніми циліндричними поверхнями хвоссопел v = w - u = u = p Dn , напір на сопла: товиків і внутрішньою циліндричною поверхнею вставки утворено зазор, не більший 0,3 мм. 3u2 Hcon = , 6. Енергогенератор за пп. 1-5, який відрізняється 2g тим, що конічний кожух ротора в нижній своїй часбо w = 2u ü тині, зануреній у робочу рідину, оснащений 4-8 ï ý, пластинами, розміщеними по твірних конуса і 2 a w = 2gH + u ï встановленими під кутом 20-45° до дотичної кола þ їх установки в бік, протилежний обертанню, й звідки утворюють гострий кут, спрямований назустріч 2 обертальному руху. (2u)2 = æ 2gH + u 2 ö , ç ÷ ç ÷ 7. Енергогенератор за пп. 1-6, який відрізняється è ø тим, що всередині корпусу енергогенератора в і верхній його частині розміщено зубчатий вінець, 2 3u встановлений на рівні з соплами ротора і закріпH= , 2g лений нерухомо в корпусі, між зубчатим вінцем і соплами встановлюється зазор, не більший 1-2 площа поперечного перерізу сопел: мм. Q Q S= = , 8. Енергогенератор за пп. 1-7, який відрізняється z×v z×u тим, що на кришці корпусу енергогенератора розде z - число сопел (від 2 до 16), сопла встановлеміщена кавітаційно-пульсаційна приставка, всерено під кутом j = 6 ¸ 12 ° до дотичної кола їх устадині якої поміщено насадку вала з лопатями (по п. новки. 5), приставка з'єднана з нагнітальним трубопрово3. Енергогенератор за пп. 1, 2, який відрізняється дом насоса двома трубопроводами, оснащеними тим, що вал енергогенератора виконаний складкульовими вентилями для можливості переклюним з окремих частин: нижня частина з вихідним чення потоку рідини з одного на другий, на одному кільцем - суцільна, а верхня - порожнинна, в поротрубопроводі встановлено повітряний ковпак, а на жнинній частині виконано два ряди вікон, по 2-4 другому - змонтовані додаткові кавітуючі пристрої вікна в ряду, верхнім рядом вікон з'єднана порож у вигляді обтічних потоком конічних кавітаторів із нина вала з порожниною нижньої частини кожуха вершиною конуса, спрямованою назустріч потоку, і ротора, де беруть початок гвинтові канавки, а низ відношенням діаметра основи конуса кавітатора жнім рядом вікон сполучена порожнина вала з до внутрішнього діаметра трубопроводу, що дорівнутрішньою частиною корпусу енергогенератора, внює 0,65÷0,70, з розрахунку того, щоб швидкість заповненою робочою рідиною, між верхнім і нижтечії рідини в зазорі між кавітатором і стінкою трунім рядом вікон всередині порожнини вала встабопроводу була не менше 18 м/с, для чого кавітановлений кульовий клапан, нижня частина вала тор розміщений у звуженій частині трубопроводу. поміщена в спарений радіально-упорний підшип9. Енергогенератор за пп. 1-8, який відрізняється ник, а вихідний кінець нижньої частини вала спотим, що робоча рідина складається з суміші двох лучений з електромагнітною муфтою. компонентів: один з них - з температурою кипіння 4. Енергогенератор за пп. 1-3, який відрізняється понад 100 °С (наприклад, олія), другий - з темпетим, що всередині корпусу енергогенератора, наратурою кипіння 100 °С або менше (наприклад, половину заповненого робочою рідиною, розміщевода, спирт), вміст легкокиплячої компоненти у но два теплообмінних змійовики: верхній - для висококиплячій - не більше 10-25 %, при цьому конденсації парів з робочої рідини, нижній - для робочий режим і регулювання температур в енергогенераторі забезпечує відсутність кипіння низь 5 38971 6 кокиплячої компоненти та достатній перегрів висопання в реактивних соплах і каналах. кокиплячої компоненти, який би гарантував її ски Корисна модель належить до енергетики, а саме до автономних генераторів теплової та обертальної енергії, і може бути використана в енергетичних установках, у промисловості, на транспорті та в комунальному господарстві для автономних систем опалювання, вироблення тепла і гарячого водопостачання. Широко відомі різні типи роторних кавітаційних теплогенераторів [2, 3]. Зусилля винахідників були спрямовані на одержання якомога більшої кількості тепла за рахунок гідродинамічної кавітації та гідравлічного тертя, для чого вводились додаткові елементи, які спричиняли і збільшення опору, і збільшення витрат енергії на виробництво тепла. Корисна модель спрямована в зворотному напрямку: одержати якомога менше витрат енергії, для чого передбачити повернення обертальної енергії, яка витрачається на виробництво тепла. В патентах [5-16] пропонуються роторні теплогенератори з роторами різних конструкцій із приводом від електромотора. Спільних ознак у конструкціях роторів із заявляємим теплогенератором немає. Їх спільний недолік полягає в тому, що вони лише потребують обертальної енергії, а не виробляють її та не повертають. Аналогами заявляємого енергогенератора являються енергогенератори по заявках [22-24]. Ці енергогенератори розроблені і розраховані на основі досліджень, опублікованих у роботах [17-21]. Їх недоліком являється невикористання ряду фізичних ефектів і явищ, підсилюючих дію кавітації, а саме: фазового ефекту зсуву фаз коливань між потоком (швидкістю рідини) та рушійною силою (напором), пульсаційного ефекту зменшення витрат напору на подолання опору, надзвукової течії та ін., що проявилося в конструктивних відмінах: відсутності кавітаційно-пульсаційних лопатей, кавітуючих багатоступеневих сопел, чим була зумовлена їх недостатня ефективність. Найближчим аналогом цих конструкцій енергогенераторів [22-24], як і найближчим аналогом заявляємого енергогенератора, є двигун Ричарда Клема [1], найближчим аналогом якого є асфальтовий насос [2]. Недоліком найближчого аналога є недостатня його ефективність, обумовлена відсутністю вищевказаних конструктивних і режимних елементів. Задачею заявляє мого енергогенератора є збільшення ефективності його роботи, що проявляється в максимальному поверненні обертальної енергії, затраченої на вироблення тепла. Поставлена задача вирішується тим, що привідний вал енергогенератора з одного боку через пальцеву муфту з'єднано з валом електродвигуна, а з другого боку через електромагнітну муфту сполучено з валом насоса, нижня частина корпуса енергогенератора, в якому розміщено його ротор, з'єднана патрубком зі всмоктуючим штуцером на соса, а верхня - патрубком з нагнітальним штуцером насоса, обидва патрубки сполучено між собою байпасним трубопроводом і оснащено шаровими вентилями, енергогенератор з насосом розміщено в вертикальному циліндричному баці з герметичною кришкою, на кришці закріплено електромотор, герметичність кришки забезпечена двома гумовими прокладками, а герметичність вала - сальниковим ущільненням з грундбуксою, бак оснащено напірною і зливною арматурою та сполучено з тепловою мережею опалення, на баці встановлено воронку, з'єднану з корпусом енергогенератора для заливання в нього робочої рідини, і повітряний ковпак для підсилення пульсацій, сполучений з нагнітальним патрубком насоса, основний робочий орган енергогенератора - конічно-циліндричний ротор - розміщено в конічному кожусі більшим діаметром догори, нижня частина ротора посаджена на дві шпонки, закріплені на вертикальному валу, а верхня частина ротора закрита плоским кільцем із прорізами, притисненим нижнім торцем циліндричної камери, верхній торець циліндричної камери закрито кришкою, закріпленою різьбовим з'єднанням з внутрішньою поверхнею циліндричної частини ротора, на бічній поверхні ротора, розміщеного в конічному кожусі, нарізано гвинтові канавки з правогвинтовою нарізкою і постійним кроком гвинта при змінному куті нахилу канавки до горизонтальної площини за формулою: h , tg j = pD де h - постійний крок гвинта, D - змінний локальний діаметр ротора, j - кут нахилу канавок до горизонтальної площини (на вході j1=30÷45°, нa виході j 2=6÷12°), число заходів гвинтових канавок - від 1 до 3, кількість - від 2 до 12, площа поперечного перерізу канавки зменшується від входу до виходу за відношенням: 2 pD2 + h2 S2 æ D1 ö 2 , =ç çD ÷ ÷ S1 è 2 ø 2 pD1 + h2 де S1 і S2 - площа поперечного перерізу канавки на вході та ви ході відповідно, D1 і D2 - діаметри ротора на початку і в кінці канавки, h - крок гвинтової лінії канавки, циліндрична частина ротора енергогенератора має кільцеву циліндричну камеру, верхнє і нижнє кільця утворюють циліндричну кільцеву порожнину, яка сполучається з верхньою частиною циліндричної камери, де розміщуються сопла, їх кількість і площа поперечного перерізу визначаються з умов оптимізації, які визначають максимальну потужність поверненої енергії обертального руху за формулами: ¶N =0 ¶u 7 38971 8 рядом вікон сполучають порожнину вала з внутрі2 шньою частиною корпуса енергогенератора, запоза умови ¶ N < 0 , вненою робочою рідиною, між верхнім і нижнім ¶ 2u рядом вікон всередині порожнини вала встановgQ де N = (w cos j - u) × u , маємо: лено шаровий клапан, нижня частина вала заклюg × 3600 × 102 чена в спарений радіально-упорний підшипник, а вихідний кінець нижньої частини вала сполучено з ù ¶ é gQ ê g × 3600 × 102 (w cos j - u) × uú = 0 електромагнітною муфтою, ¶u ë û всередині корпуса енергогенератора, наполозвідки: вину заповненого робочою рідиною, розміщено ¶ два теплообмінних змійовика: верхній - для кон(w cos j × u - 2u) × u = w cos j - 2u = 0 , денсації парів з робочої рідини, нижній - для від¶u і воду теплової енергії від робочої рідини і використання її споживачами, w cos j , aбo wcosφ=2u, u= в верхній частині вала за допомогою двох 2 шпонок приєднана насадка, яка утворює продовпри цьому ження вала, з'єднаного з пальцевою муфтою, вер2N хня частина насадки виконана суцільно і контактує ¶ = -2 < 0 , з сальниковим ущільненням, а нижня частина 2u ¶ порожнинна, в ній виконано 3-4 вікна, висота вікна що відповідає максимуму потужності обертаскладає 2-3 його ширини, а площа всіх вікон відпольної енергії, яка повертається; відає 1-2-кратній площі поперечного перерізу підтут позначено: ведених від насоса трубопроводів, до вікон у стик N - потужність енергії обертального руху, яка під прямим кутом до радіуса насадки приварено повертається, кВт; лопаті в розмір висоти вікна, до зовнішніх кінців 3 g - питома вага рідини, кг/м ; лопатей прикріплено (зваркою) хвостовики, вико2 g=9,81м/с - прискорення сили тяжіння; нані в розмір лопатей і вигнуті в циліндричну фор3 Q - ви тратна продуктивність насоса, м /год; му, яка вписується у внутрішню поверхню циліндw - абсолютна швидкість рідини в соплах і гвиричної вставки, що також має вікна, ширина нтових канавках; лопатей на 10-25% більша за ширину вікон цилінu=pDn - окружна швидкість обертання ротора дричної вставки, кількість лопатей рівна числу ві(D - діаметр, n - число обертів за 1 секунду, об/с); кон циліндричної вставки або на одну менше, між j - кут нахилу сопла до дотичної, або гвинтозовнішніми циліндричними поверхнями хвостовивої канавки до горизонтальної площини; ків і внутрішньою циліндричною поверхнею вставз умов оптимізації в соплах маємо w=2u (так як ки утворено зазор, не більший 0,3мм, cosj»1), відносна швидкість витікання рідини з конічний кожух ротора в нижній своїй частині, сопел v=w-u=u=pDn, напір на сопла: зануреній у робочу рідину, оснащено 4-8 пласти2 нами, розміщеними по твірних конуса і встановле3u , H con = ними під кутом 20-45° до дотичної кола їх установ2g ки в бік, протилежний обертанню, й утворюють гострий кут, спрямований назустріч обертальному бо w = 2u ü ï, руху, ý 2ï всередині корпуса енергогенератора в верхній a w = 2gH + u þ його частині розміщено зубчатий вінець, встановзвідки лений на рівні з соплами ротора і закріплений не2 рухомо в корпусі, між зубчатим вінцем і соплами æ ö (2u)2 = ç 2gH + u2 ÷ ç ÷ встановлюється зазор, не більший 1-2мм, è ø , на кришці корпуса енергогенератора розміщеi на кавітаційно-пульсаційна приставка, всередині якої поміщено насадку вала з лопатями (по п.5), 2 3u . приставка з'єднується з нагнітальним трубопровоH= 2g дом насоса двома трубопроводами, оснащеними Площа поперечного перерізу сопел: шаровими вентилями для можливості переключення потоку рідини з одного на другий, на одному Q Q S= = трубопроводі встановлено повітряний ковпак, а на z × v z ×u , другому - монтуються додаткові кавітуючі пристрої де z - число сопел (від 2 до 16), сопла встаноу вигляді обтікаємих потоком конічних кавітаторів влено під кутом j=6÷12° дo дотичної кола їх устаіз вершиною конуса, спрямованою назустріч потоновки, ку, і з відношенням діаметра основи конуса кавітавал енергогенератора виконано складним з тора до внутрішнього діаметра трубопроводу, рівокремих частин: нижня частина з вихідним кільцем ним 0,65÷0,70, з розрахунку того, що швидкість - суцільна, а верхня - порожнинна, в порожнинній течії рідини в зазорі між кавітатором і стінкою тручастині виконано два ряди вікон, по 2-4 вікна в бопроводу була б не менша 18м/с, для чого кавіряду, вер хнім рядом вікон з'єднують порожнину татор розміщено у звуженій частині трубопроводу, вала з порожниною нижньої частини кожуха роторобоча рідина складається з суміші двох комра, де беруть початок гвинтові канавки, а нижнім понент: одна з них - з температурою кипіння понад 9 38971 10 100°С (наприклад, олія), друга - з температурою j2=10-12°. Число заходів гвинта може бути кипіння 100°С або менше (наприклад, вода, z=1÷2,5. З ци х умов вираховується крок гвинта h. спирт), вміст легкокиплячої компоненти у високоПлоща поперечного перерізу гвинтової канавкиплячій - не більше 10-25%, при цьому робочий ки зменшується від входу до виходу. Ця зміна режим і регулювання температур в енергогенераплощі поперечного перерізу канавки обчислюється торі забезпечує відсутність кипіння низькокиплячої з умов оптимізації - одержання найбільшої потужкомпоненти та достатній перегрів висококиплячої ності обертальної енергії, яка повертається електкомпоненти, який би гарантував її вскипання в реромотору і насосу ротором генератора за рахунок активних соплах і каналах. реактивник сил, які створюються в роторі конічної На Фіг.1 представлено загальний вигляд енерформи. Ця потужність виражається формулами гогенератора, на Фіг.2 - його поздовжній переріз з виду: Фіг.1, на Фіг.3 - поперечний переріз по площині А-А gQ N= (w cos j - u) × u , з Фіг.2, на Фіг.4 - поперечний переріз по площині Бg × 3600 × 102 Б з Фіг.2. де N - потужність, яка повертається ротором До складу енергогенератора (Фіг.1) входять генератора, кВт; Q - витратна продуктивність нагенератор тепла й обертального руху 1, конструксоса, м 3/год; g - питома вага робочої рідини, кг/м 3; тивні особливості якого показані на Фіг.2-4. Привіg=9,81 м/с2 - прискорення сили тяжіння; w - абсодний вал генератора 1 з одного боку через муфту лютна швидкість руху рідини в гвинтових канавках; 2 (пальцеву) з'єднано з електродвигуном 3, а з j - кут на хилу канавки до горизонтальної площини; другого - через електромагнітну муфту 4 сполучеU=pDn - окружна швидкість обертання ротора; D но з насосом 5. Нижня частина корпуса генератора локальний діаметр ротора, n - оберти ротора за 1 з'єднана патрубком 6 зі всмоктуючим штуцером сек. насоса 5, а верхня - патрубком 7 з нагнітаючим Умова досягнення максимальної потужності штуцером насоса 5. Патрубки 6 і 7 сполучені між енергії обертання, що повертається ротором, бусобою байпасним (обвідним) патрубком 8 і оснаде: щені шаровими вентилями 9. Генератор 1 з насосом 5 розміщено в верти¶N ¶ 2N кальному циліндричному баці 10, який герметично = 0 при