Пристрій для нагрівання води

Корисна модель належить до теплотехніки, зокрема до пристроїв для одержання тепла, що утворюється інакше, ніж у результаті спалювання палив, і може бути використаним в системах водяного опалення виробничих і житлових помешкань. Відомі пристрої для нагрівання рідин фрикційним способом, який полягає в тому, що тепло утворюється в результаті тертя друг об друга і/або об рідину твердих тіл, приводимих у р ух в судині з рідиною. До такого належить наприклад, пристрій, описаний в А. С. СРСР № 1627790 (МКВ F24J3/00), опубл. у Бюл. №6,1991 р. Хибою цих пристроїв є те, що через втрати енергії ефективність нагрівання (відношення кількості вироблюваної теплової енергії до механічної або електричної енергії, споживаної пристроєм) багато менша одиниці. Але відомі й пристрої для нагрівання рідин, у яких ефективність нагрівання вище. Одним із таких пристроїв є "гідросонна помпа", описана в патенті США №5 188 090 (МКВ F24C9/00), автора J.L.Griggs, опублікованому 23.02.1993. Цей пристрій складається з металевого статора, що має циліндричну порожнину, закриту плоскою кришкою. У центрі кришки й у протилежній їй стороні корпуса статора є осьові отвори, у яких на підшипниках установлений вал, який приєднується до електродвигуна, що призводить його в обертання. На валі усередині порожнини статора закреплено монолітний циліндричний алюмінієвий ротор, циліндрична поверхня якого усіяна множиною поглиблень, що мають діаметр ~ 10мм і висвердлені на глибину, приблизно рівну діаметру цих поглиблень. Зазор між циліндричними поверхнями ротора і статора складає ~ 0,5мм. Вал в отворах статора і його кришки ущільнено торцевими ущільненнями, які запобігають витіканню рідини, що нагрівається, з пристрою і влученню її у підшипники. В торцевих кришках статора є отвори для подачі в пристрій рідини, що нагрівається з однієї його сторони і відводу її з іншої сторони. Описаний пристрій працює таким чином. Через вхідний отвір у порожнину статора подають воду, що підлягає нагріванню. Вона протікає в зазорі між статором і ротором і виходить із протилежної сторони через отвір у торцевій кришці пристрою, до котрого приєднано трубопровід для відводу нагрітої води до споживача. Ротор пристрою призводять в обертання за допомогою електродвигуна, що приєднується до вала ротора. При швидкому обертанні ротора відбувається завихрення води в поглибленнях на його поверхні. При цьому в поглибленнях ротора й у зазорі між його циліндричною поверхнею і статором виникає кавітація, що веде до нагрівання води. Автор вищевказаного патенту США Гріггс стверджує, що ефективність нагрівання води в його пристрої (відношення теплової енергії, уносимої з пристрою рідиною, до електричної енергії, споживаної електродвигуном, що призводить вал пристрою в обертання), складає 1,17- 1,7. Хибою відомого пристрою, описаного в цьому патенті США, є те, що монолітний ротор цього пристрою необхідно виготовляти з дорогої великогабаритної заготівлі. Для усунення цієї хиби у винаході, описаному в патенті України №52985А (МКВ F24 J3/00), опублікованому в Бюл. №1 за 2003 р, запропоновано пристрій для нагрівання рідини, ротор якого набрано із декількох металевих дисків, закріплених на приводимому в обертання валі, з інтервалами між периферійними частинами дисків. На циліндричній поверхні дисків розташована множина поглиблень, висвердлених на глибину, приблизно рівну їхньому діаметру. А на периферії дисків ротора в їхніх плоских торцях є множина отворів, які розташовані по окружності і виходять у простір між дисками. Частина цих отворів може бути виконана не наскрізними, а на глибину, приблизно рівну від 0,5 до 1 їхнього діаметра. Виконання ротора з декількох дисків, насаджених на вал, дозволяє використовувати для виготовлення ротора вже не великогабаритні, а невеличкі заготівлі, які значно дешевші і які легше обробляти на металорізних верстатах. Це спрощує й здешевшує виготовлення і ремонт ротора. Найбільше близьким до що заявляється відомим технічним рішенням (прототипом) є нагрівач рідини, описаний у Патенті України № 50608А (МКВ F24J3/00), авторів Потапова Ю. С., Потапова С. Ю. і Фоминського Л. П., опубл. в Бюл. № 10 за 2002 р. У цьому пристрої, який складається зі статора, що має циліндричну порожнин)', через яку пропускають що нагрівається рідину, а також із уставленого з зазором у цю порожнину ротора, закріпленого на приводимому в обертання валі і виконаного у виді циліндра, що має на своїй поверхні множину поглиблень, або набраного з дисків, що мають на їхній поверхні множину поглиблень і/або отворів, ротор виконаний із перехідного металу сімейства заліза періодичної таблиці хімічних елементів або з феромагнітного сплаву цього металу з іншими металами і/або з вуглецем. Виконання ротора або складових його дисків із зазначених металів або сплавів веде, як показали експерименти, до підвищення ефективності нагрівання рідини (відношення вироблюваної теплової енергії до що затрачається механічної або електричної енергії) у порівнянні з нагріванням її у такому ж пристрої, який має ротор, виконаний з інших металів, що не входять у зазначене сімейство. Причини виявленої залежності ефективності нагрівання від роду металу ротора авторам зазначеною винаходу були не дуже ясні. Проте залежність виявляється чітко, що дало можливість підвищити ефективність роботи цього нагрівача рідини в порівнянні з нагрівачами такої ж конструкції, ротор яких виконаний з алюмінію або з міді. Хибою описаного відомого пристрою-прототипу є нестабільність його роботи. Нестабільність виявляється в тому, наприклад, що такий пристрій, який достатньо ефективно працював на іспитовому стенді, після постачання його замовнику і підключенню до тепломережі працює у деяких замовників із набагато меншою ефективністю. Пояснення цьому довго не знаходили. У основу корисної моделі поставлена задача в пристрої для нагрівання води, шляхом оптимізації розмірів поглиблень, виконаних на поверхні ротора, підвищити ефективність і стабільність роботи цього пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому пристрої для нагрівання води, який складається зі статора, що має циліндричну порожнину, через яку пропускають воду, що нагрівається, а також із вставленого з зазором у цю порожнину ротора, виконаного у вигляді циліндра з множиною поглиблень на його циліндричній поверхні, або у вигляді диска або декількох дисків, що мають на їхній циліндричній поверхні множину поглиблень, поглиблення на циліндричній поверхні ротора виконані на глибину h , що лежить у межах від h1 до h2 , де розміри h1 і h2 обчисляють по формулам h1 = h2 = 0,912 × 1010 2 n R 0,912 × 1010 [1,0132P - 0,133e [1,0132P - 0.133e 1 2 0,042 (T2 -50 ) ], ] 0 .042 (T1 -50 ) n2 R у котрих R - діаметр циліндричної поверхні ротора в мм, n - швидкість обертання ротора (об/хв). P1 - P2 діапазон статичного тиску води P в пристрої (ата), -у якому планується його робота при підключенні до конкретного споживача нагрітої води, T1 і T2 - мінімальна і максимальна температура води (у градуса х Цельсію), що ви ходить з пристрою, необхідна споживачу, e = 2,718 . Поставлена задача вирішується також тим, що частина поглиблень на поверхні ротора має глибину h1 , частина - глибину h2 , а частина має глибину h , що лежить у діапазоні від h1 до h2 . Крім того, поставлена задача вирішується тим, що при виготовленні поглиблень на поверхні ротора методом свердління, глибини h їхньої циліндричної частини виконані на величину, яка на h3 / 2 менша розмірів, обчислених по формулам, приведеним вище, де h3 - довжина конусної частини поглиблення. Поява даної корисної моделі, яка дозволяє стабілізувати роботу пристрою для нагрівання води за рахунок оптимізації розмірів поглиблень на циліндричній поверхні ротора, стало можливим тільки після того, як у книзі [Фоминский Л. П. Роторные генератори дарового тепла. Сделай сам. - Черкассы (ОКО-Плюс, 2003, 346 c.] було дано нове пояснення процесів, що відбуваються в цих поглибленнях. У книзі звернена увага на те, що крім завихрення робочої рідини в зазначених поглибленнях, при швидкому обертанні ротора відцентрові сили пориваються викинути воду з цих поглиблень на поверхні ротора (назвемо їх чарунками Гріггса). Але стовп води в чарунці Гріггса утримується за рахунок сил змочування водою металевої поверхні чарунки. Протиборство цих двох сил призводять до розрідження в рідині у денець чарунок Гріггса. При цьому біля денець чарунок виникають кавітаційні пухирьці, які викликають розірвання стовпа води в цих чарунках. Під дією відцентрових сил стовп води, що відірвався від дна чарунки, який був до того в напруженому стані як пружина, викидається з поглиблення і з великою швидкістю вдаряється в сполучену з ротором внутрішню циліндричну поверхню статора. У результаті виникає ударна хвиля, що посилює кавітаційні процеси в зазорі між ротором і статором. При швидких періодичних стисках і розширеннях кавітаційних пухирців у воді відбувається сильний нагрів парогазової суміші в них, а потім і усієї води в цьому робочому зазорі. Докладніше процеси, що ведуть до нагрівання робочої рідини в теплогенераторі Гріггса, описані в книзі [Фоминский Л. П. Роторные генератори дарового тепла. Сделай сам. Черкассы: ОКО-Плюс, 2003, 346 с.]. Запропоновані формули для обчислення оптимальної глибини чарунок Гріггса виведені шляхом розрахунку зниження тиску близ дна чарунки Гріггса за рахунок дії відцентрових сил при обертанні ротора і зіставлення цьому тиску температури кипіння води по відомій залежності її від тиску. Коли всі поглиблення-чарунки Гріггса на поверхні ротора виконані на однакову глибину h , то такий пристрій стабільно працює лише в дуже вузькому діапазоні температур T и тисків P . Випадковий вихід цих параметрів за межі такого діапазону веде до різкого зниження ефективності нагрівання води. Для запобігання цього і підвищення стабільності роботи запропонованого пристрою другим пунктом формули корисної моделі рекомендується виконувати частину поглиблень на поверхні ротора на глибину h1 , частину - на глибину h2 а частину на глибину h , що лежить у діапазоні від h1 до h2 . При цьому розміри h1 до h2 визначаються по вищенаведеній формулі. Для цього в цю формулу спочатку підставляють мінімальний статичний тиск води в пристрої P1 (ата) із діапазону тисків, при яких планується робота пристрою, і максимальну температуру води T2 (у градусах Цельсія), необхідну споживачу. А потім підставляють у цю формулу мінімальну температуру води T1 , необхідну споживачу, і максимальний статичний тиск води в пристрої P2 (ата), при яких планується його робота. Таке розширення діапазону глибин чарунок Гріггса декілька знижує середню ефективність нагрівання води при роботі в цьому діапазоні робочих тисків і температур, але веде до підвищення стабільності роботи запропонованого пристрою в даному діапазоні. Формули, по яким пропонується обчисляти глибини чарунок Гріггса, справедливі лише для чарунок з плоским денцем, одержуваним, наприклад, фрезерованнням або електроерозійною обробкою. У ячарунок же, які висвердлюють за допомогою свердла, денце не плоске, а конічне, із рогом конусності, рівним рогові заточення свердла. Для цього випадку запропонованим винаходом рекомендується робити глибину h циліндричної частини чарунок на величину h3 / 2 меншу глибин, обчислених по вищенаведеній формулі, де h3 - довжина конусної частини поглиблення (або заточення свердла). При цьому сумарна довжина циліндричної частини чарунки Григгса і половини її конічної частини приблизно рівні розрахованій глибині чарунки з плоским денцем. Виявлена залежність процесів в чарунках - поглибленнях на циліндричній поверхні ротора запропонованого пристрою для нагрівання води від глибини h цих поглиблень дозволяє конструювати такі пристрої, що працюють стабільно з високою ефективністю нагрівання води в них при роботі в заданому інтервалі робочих температур і тисків. На фіг.1 приведено креслення запропонованого пристрою для нагрівання води з монолітним циліндричним ротором. На фіг.2 приведено креслення запропонованого пристрою для нагрівання води, що має складовий ротор, набраний із дисків. На фіг.3 показано вид із торця на пристрій, зображений на фіг 2.. На фіг.4 приведено креслення двох можливих варіантів виконання поглиблень-чарунок на циліндричній поверхні дискового ротора запропонованого пристрою: а - коли чарунки вифрезеровані фрезою, 6 - коли чарунки висвердлені свердлом. На фіг.5 приведені фігури, що показують стадії розвитку кавиіаційної каверни в чарунках-поглибленнях на поверхні ротора запропонованого пристрою. На фіг.6 приведено графік залежність тиску насичених парів води P від її температури P . На фіг.7 приведено сімейство графіків залежності робочої температури T води в запропонованому пристрої від глибини h чарунок його ротора, що має радіус R = 150 мм і обертається зі швидкістю n = 3000 об/хв при різних тисках P води в цьому пристрої. Запропонований пристрій для нагрівання води, схема якого приведена на фіг. 1, складається з корпусу 1 статора, виконаного з відрізка сталевої труби, до якого знизу приварені ніжки-розпірки і плита 2 з отворами під болти для кріплення всього пристрою до фундаменту. З торців корпус статора 1 закритий кришками 3, притиснутими до гумового або тефлонового джгута ущільнення 4 за допомогою стягуючи х шпильок 5. У центральні отвори кришок 3 вставлені і приварені герметичним швом чопи 6, що служать опорами для підшипників 7, на яких установлений сталевий вал 8. Він ущільнений сальниками 9, які притискаються стаканами 10 і пружинами 11. На вал 8 зі шпонкою 12 насаджено монолітний ротор 13, виконаний із углеродисто) сталі, або чавуна, або з іншого металу чи сплаву, який добре змочується водою. У багатодисковому пристрої, схема якого показана на фіг. 2, ротор складається з дисків 13, виконаних із вищевказаного металу або сплаву і насаджених на сталевий вал 8. Однакові інтервали (5 - 20 мм) між дисками 13, що мають товщину 10-20 мм, забезпечуються втулками 14, теж насадженими на вал 8. Диски ротора 13 стиснуті в пакет за допомогою гайки 15 із шайбою 16. Зовні підшипники 7 закриті кришками 17, в однієї з який є центральний отвір для вала 8, кінець якого виступає за кришку і має посадкове місце для кріплення шківа або муфти, за допомогою котрих його приєднують до двигуна (електричного, дизельного або ін.), що призводить вал 8 в обертання. Діаметр ротора або дисків ротора 13 вибирають у залежності від роду металу або сплаву, із якого виготовлений ротор або його диски, і від максимальної швидкості обертання вала 8, яка розвивається використовуваним двигуном, із тим, щоб максимальні напруги розтягу, що виникають у металі ротора або його дисків 13 від дії відцентрових сил, не перевищували припустимих умовами тривкості для даного матеріал}'. У той же час рекомендується досягати при роботі пристрою гранично припустимих напруг для даного матеріалу ротора або його дисків 13. Тоді робота пристрою найбільше ефективна. Кількість дисків 13 у пакеті, що складає ротор, залежить від потужності двигуна, що призводить вал 8 в обертання, і береться тим більшою, чим більша потужність двигуна. Найменша кількість дисків - 1. Зазор між ротором або його дисками 13 і внутрішньою поверхнею циліндричної порожнини в статорі 1 складає 0,5 - 1 мм. На зовнішньої (циліндричної) поверхні ротора або його дисків 13 розташована множина циліндричних поглиблень (чарунок Гріггса) 18, що мають діаметр 5-20 мм. Вони виконані свердленням, фрезерованням або електроерозійною обробкою на глибину h, обчислену по формулах, приведеним у формулі запропонованого винаходу. При виборі діаметра чарунок 18 рекомендується, щоб їхня глибина h не перевищувала діаметр цих чарунок d , а краще, щоб глибина h складала приблизно пів діаметра d . Поглиблення-чарунки 18 розташовані рівномірно по циліндричній поверхні ротора або по окружності на циліндричній поверхні кожного диска ротора 13 із кроком між поглибленнями, що складає 2,5 - 3 діаметра поглиблення. При виконанні ротора складовим із дисків 13 у проміжках між поглибленнями 18 пророблені (свердленням або електроерозійною обробкою) наскрізні отвори 19, розташовані в торцях диска 13 і віддалені від його краю на відстані до центру отвору, рівному 2 - 2,5 діаметрам цих отворів, що вибирається в межах від 5 до 20 мм. Частина отворів у торцях дисків ротора 13, розташованих по периферії цих дисків, можуть бути виконаю не наскрізними, а на глибину від 0,5 до 1 діаметра цих отворів (див. фіг. 2 і 3). При цьому наскрізні отвори 19 і ненаскрізні отвори 20 чергуються. У верхній частині кришок 3 є різьбові отвори 21, у які вгвинчують штуцери трубопроводів для подачі і відводу води, яка нагрівається в що описується пристрої. Запропонований пристрій для нагрівання води працює таким чином. У один з отворів 21 у кришці 3 за допомогою циркуляційного насоса подають по трубопроводу, приєднаному до цього отвору, воду, що підлягає нагріванню. Заповнивши пристрій, вона випливає з нього по трубопроводі, що приєднується до протилежного отвору 21 в іншій кришці 3, і надходить або до споживача тепла, або в судину-накопичувач нагрітої води. Після заповнення внутрішньої порожнини статора запропонованого пристрою водою, що нагрівається, включають двигун (електромотор, дизель або ін.), приєднаний до валу 8, який призводить його в обертання. Чим вище швидкість обертання, тим вище ефективність роботи запропонованого пристрою і тем швидше здійснюється нагрів води в ньому. Максимальна швидкість обертання обмежена не тільки можливостями використовуваного двигуна, але і тривкістю матеріалу ротора або його дисків 13, схильних при обертанні впливу відцентрових сил. Вода, подавана через отвір 21 в усередину описаного пристрою, надходить у зазор між поверхнею порожнини в статорі 1 і ротором або дисками ротора 13. При цьому частина потоку води протікає по зазорі між поверхнями ротора і статора, а інша частина - через наскрізні отвори 19 у дисках ротора 13. При обертанні ротора відбувається завихрення і вспінювання рідини в цих отворах, а також у поглибленнях 18 і 20. При цьому в ненаскрізних отворах (поглибленнях) 18 і 20 виникають ультразвукові коливання в рідині і піні, точно так само, як виникає свист повітря в перфорації ротора звукової сирени при його обертанні. Крім завихрення води в зазначених поглибленнях, при швидкому обертанні ротора відцентрові сили пориваються викинути воду з поглиблень (чарунок Гріггса) 18 на поверхні ротора. Але стовп води в чарунці Гріггса утримується за рахунок сил змочування водою металевої поверхні чарунки. Протиборство цих двох сил призводять до розрідження в рідині близ денець чарунок Гріггса. При цьому у денець чарунок виникають кавітаційні пухирьці, які обумовлюють розірвання стовпа води в цих чарунках. Під дією відцентрових сил стовп води, що відірвався від дна чарунки, який був до того в напруженому стані як пружина, викидається з поглиблення 18 і з великою швидкістю вдаряються в сполучену з ротором внутрішню циліндричну поверхню статора 1. У результаті виникає ударна хвиля, що посилює кавітаційні процеси в зазорі між ротором і статором. При швидких періодичних стисках і розширеннях кавітаційних пухирців у воді відбувається, відповідно до законів термодинаміки, трансформація механічної енергії в теплову, що і призводить до нагрівання води. Крім того, у кавітаційних пухирьцях при резонансному посиленні їхніх ультразвукових коливань відбуваються періодичні стиски парогазової суміші, що ведуть до локального нагрівання її у центрі пухирців до температур, які досягають, по вимірах багатьох дослідників (див., наприклад, [Семёнов А., Стоянов П. Звукосвечение или свет, вырваный из вакуума. -"Техника - молодёжи", 1997, № 3, с. 4 - 5] і [Маргулис М. А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. -М.: "Химия", 1986, -288 с.]), багатьох тисяч градусів по Цельсію. Це призводить, як відомо, до сонолюмінесцентного світіння рідин в ультразвуковому полі. Докладніше ці процеси описані в книгах [Потапов Ю. С., Фоминский Л. П. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиций теории движения. - КишинёвЧеркассы: ''ОКО-Плюс", 2000, -387 с.] і [Фоминский Л. П. Как работает вихровой теплогенератор Потапова. Черкассы: "ОКО-Плюс", 2001, -112 с.]. Усе це супроводжується виділенням тепла, що йде на нагрів води в запропонованому пристрої. На воду, що знаходиться в поглибленнях-чарунках на циліндричній поверхні ротора, що окремо зображені на фіг. 4 і 5, при його обертанні діє відцентрова сила Fц . Її величину можна розрахувати по формулі: Fц = mV2 / R = mw 2R (1) Тут m - маса води в поглибленні (чарунці), V - тангенціальна швидкість руху поверхні ротора при його обертанні, R - радіус кривизни поверхні ротора, w - кутова швидкість обертання ротора. Остання визначається формулою (2) w = 2p n / 60 у котрої Я - число оборотів ротора в хвилину. Масу т рідини в чарунці обчисляємо по формулі: (3) m = rh p d2 / 4 де r - щільності рідини, d - діаметр чарунки, h - глибина чарунки. Оскільки поглиблення, про які йде промова, висвердлені на зовнішній поверхні ротора, то відцентрова сила, що діє на рідину, що знаходиться в таких поглибленнях, створює у дна поглиблень розрідження Pц = -Fц / S (4) де S = p d2 / 4 - площа перетину циліндричного поглиблення, що має діаметр d . Це розрідження (негативний тиск) зручніше розраховувати по такій формулі, що об'єднує вьіщенаписані: Pц = 4p 2n2rh / 602 = - p2n2r h / 900 (5) У формулу (5) уже не входить діаметр чарунки d , тому, що величини d y чисельнику і знаменнику взаємно скоротилися, коли у формулу (4) підставили вираження для Fц і S . Це означає, що розрідження близ дна поглиблення-чарунки, створюване відцентровими силами при обертанні ротора, не залежить від діаметра d поглиблення, а залежить від його глибини h , радіуса ротора R і щільності рідини r . А також від швидкості обертання ротора п (числа його оборотів у хвилину). Зі збільшенням останньої абсолютний розмір негативного тиску (розрідження) Pц зростає по квадратичній залежності. Добуток цього негативного тиску Pц на площу S кругового перетину чар унки дає величину відцентрової сили Fц , яка старається викинути рідину з чарунки. Але рідку воду в чарунці Гріггса утримує сила зчеплення води з поверхнею металу, обумовлена змочуванням металу водою. Вона залежить від величини змочу ваємосгі. Якщо даний метал ротора 13 добре змочевається водою, то це величезна сила зчеплення. Якщо ж метал погано змочувається, те він зовсім не буде утримувати рідину в чарунках 18. Відповідно до літературних даних, чисті метали (мідь, алюміній і ін.) погано змочуваються водою. А от більшість сплавів, у першу чергу стали і чавуни - сплави заліза з вуглецем - добре змочуваються водою. Це значить, що при сталевому роторі вода добре утримується в чарунках. Для роботи запропонованого пристрою краще, коли вода в чарунку 18 добре змочує метал ротора. Тоді в стовпі цієї води при обертанні ротора виникають пружні напруги розтягу від дії відцентрової сили як у пружині. При розтягу цієї "пружини" відцентрові сили чинять роботу, у результаті чого в стовпі води в чарунці запасається енергія, як запасається вона в розтягнутій пружині. Щоб чарунка 18 "вистрілила" краплею води, необхідно різко звільнити напряжений стовп води в чарунці від удержування його денцем чарунки. Тоді крапля води з великою швидкістю вилетить з чарунки й вріжеться в розташовану навпроти неї циліндричну поверхню масивного статора 1. У результаті в зазорі між статором і ротором народиться ударна хвиля і побіжить по цьому зазорі як по хвилеводі, роблячи руйнівну роботу на своєму шляху. Роботу, що веде в кінцевому рахунку до генерації додаткового тепла, яке йде на нагрів води, Це по новому пояснює, чому ротори із феромагниіних вуглецевих сталей працюють краще, чим ротори Гріггса, що виконувалися з алюмінію. Причина - у змочуваємості їх водою. Роль "спускового гачка" в чарунці Гріггса виконує той ж самий тиск Pц що і зводить "пружину" - стовп води в чарунці. У денця чарунки 18 негативний тиск Pц , що виникає від дії відцентрових сил, підсумовується з позитивним статичним тиском рідини P в запропонованому пристрої. Останній дорівнює або 1 ата (760 мм рт. ст.) коли до пристрою для нагрівання води не залучений насос, і тиск у ньому дорівнює нормальному атмосферному, або визначається напором, утворюваним насосом. У результаті сумарний тиск PS у дна чарунки стає менше величини P на абсолютну величину тиску Pц . PS = P - Pц (6) А зі зменшенням тиску рідини зменшується, як відомо, температура кипіння цієї рідини. У результаті навіть не дуже тепла вода може закипіти близ дна чарунки, як тільки сумарний тиск PS там понизиться до тиску, при якому вода закипає при цій температурі. А як тільки у денця чарунки 18 з'являться пухирьці кипіння, заповнені водяним паром, цілісність рідини тут порушується, і стовп її в чарунці відривається від денця. У результаті і відбувається "постріл" стовпом води як натягнутою "пружиною" із циліндричної чарунки 18 ротора 13. Цей "постріл" посилюється ще й тиском парів води в пухирьці, що розширюється у дна чарунки. Там фактично відбувається кавітація і народжується кавітаційна каверна (див. фіг. 5). Для більшості рідин залежноіть їхньої температури кипіння (температури насиченого пару) від тиску давно виявлена експериментальне, і в довідниках приведені таблиці цієї залежності. По такій таблиці для води побудовано графік, поданий на фіг. 6. По формулах (5) і (6) можна обчислити, наприклад, величини Pц і PS при різних глибинах h чарунок Гріггса, але при одному і тому же радіусі ротора R = 150 мм, типовому для роторних теплогенераторів, і при одній і тій же швидкості обертання ротора n = 3000 об/хв, теж типовій для таких теплогенераторів. Потім знаходимо за графіком на фіг. 6, температури кипіння води у дна чарунки при даних тисках PS і нормальному (атмосферному) тиску води P. Результати цих розрахунків подані в таблиці 1 і у виді графіків на фіг. 7. Масна крива на фіг. 7 ставиться до випадку, коли ротор обертається в пристрої, тиск P води в котрому дорівнює тиску навколишнього атмосферного повітря. Тобто, коли в ньому немає ні надлишкового тиску, ні розрідження. На тому ж малюнку на фіг. 7 побудовано ще ряд графіків: справа від масної кривої - для випадку, коли воду в пристрій нагнітає насос, підвищуючи її тиск P до 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9 і 2,0ата; зліва - для випадку, коли насос висмоктує воду з пристрою, у результаті чого в останньому тиск P падає до величин 0,9, 0,8, 0,7, 0,6 і 0,5 ата. Неважко побачити, що усі гра фіки на фіг. 7 є точними копіями першого (накресленого масною лінією), тільки зрушені одні вправо, інші вліво. Маючи таке сімейство графіків, можна легко вибирати глибину свердління поглиблень-чарунок у що виготовляється пристрої для нагрівання води, виходячи з величини того тиску P , який споживач припускає створювати в запропонованому пристрої, і величини тієї температури T , до якої він хоче нагрівати воду в ньому. Наприклад, коли планують працювати при тиску P в мережі 1,5 ата, а воду нагрівати до 70 °С, то вибирають графік на фіг. 4, що відповідає тиску P = 1,5 ата і знаходять на його кривій точку, ордината якої дорівнює 70 °С. Далі дивляться, що абсциса цієї точки h = 7,8 мм. Отже, усі чарунки на поверхні ротора необхідно виконувати на глибину 7,8 мм. Якщо ж виготовлювач запропонованого пристрою виконає всі чарунки на глибину тільки 7 мм, то в режим роботи з ефективністю, більшою одиниці, пристрій вийде лише коли температура води в ньому досягне 80 °С. А до цього (при меншій температурі води) буде працювати з ефективністю, меншою одиниці, тобто як звичайний фрикційний нагрівач води, а то і гірше того. Для виправлення положення в цьому випадку треба або досвердлити поглиблення в роторі до необхідної глибини 7,8 мм, або знизити тиск води Р в мережі. Графіки на фіг. 7 підкажуть, до якої величини треба знизити тиск. Дійсно, до точки на площині цього малюнка, що має координати h = 7,0 мм і T = 70 °С, ближче усіх проходить крива графіка, яка відповідає тиску P = 1,4 ата. Отже, необхідно скидати тиск Р до цієї величини або до ледве меншої, наприклад, до 1,35 ата. Розглянутий приклад показує, що можна мати в руках працездатний пристрій для нагрівання води, але, не маючи графіків, приведених на фіг. 7, експлуатувати його в такому невдалому режимі, при якому він не зможе працювати з високою ефективністю. І таке траплялося суцільно і поруч при експлуатації подібних роторних теплогенераторів. З креслення на фіг. 7 видно, що для роботи при зниженому статичному тиску P в запропонованому пристрої для нагрівання води глибину свердления поглиблень-чарунок у роторі треба зменшувати. Але хоча робота пристрою при знижених тисках (при розрідженні в ньому) дає ряд переваг, вона знижує граничну температуру, до якої можна нагріти воду в ньому. Про це говорить те, що верхні кінці кривих гра фіків, побудованих для тисків, менших нормального атмосферного, перетинають вісь ординат при температурах, менших 100 °С. І чим менше тиск води P в пристрої, тим нижче ця гранична температура. Тому з тисками P , меншими, чим 0,5 ата, працювати не рекомендується. Ще із графіків на фіг. 7 можна зрозуміти, що при температурах T води, менших чим 40 - 50 °С, такі пристрої працюють нестабільно. Це видно з того, як круто опускаються униз ділянки кривих, які відповідають температурам T , меншим, чим 50 °С. Для цього діапазону температур важко підібрати і витримати необхідну глибину h свердлення чарунок. Отже, для такого роду пристроїв рекомендується робота при температурі, більшії, ніж 50 °С. Графіки, приведені на фіг. 7, були побудовані для ротора, що має радіус R = 150 мм і обертового зі швидкістю n = 3000 об/хв. Для того, щоб замінити сімейство графіків, приведених на фіг. 7, аналітичним вираженням, більш універсальним, чим ці графіки, перетворимо спочатку формулу (5) у вираження h( мм ) » 91 ц /( n2R) P (7) де розмір R виражається в метрах, n - об/хв, а тиск Pц створюваний відцентровими силами, - виражено в Па. (Ми вра хували, що щільність води r = 1000 кг/м 3.) С урахуванням виразу (6) формула (7) приймає вид: ( ) h( мм ) » 91P - PS )/ n2R ( (8) Величина PS - це сумарний тиск у дна чарунки. Коли він менше нормального атмосферного тиску, то температура кипіння води при такому тиску стає нижче, чим 100 °С. (Див. графік на фіг. 6.) Методом підбору знаходимо аналітичний вираз для залежності тиску PS від температури води T , що замінять відрізок масної кривої на фіг. 7 у діапазоні температур від 50 до 90 °С: (9) PS = 133332e0,042 ( T-50 ) Підставивши останній вираз замість PS у формулу (8), одержимо остаточну формулу для залежності оптимальної глибини чарунки Гріггса від робочого тиску P (ата) і робочої температури T (°С) у запропонованому пристрої для нагрівання води : h1(мм ) = 0,912 × 1010 n2R(мм ) [0,98P - 0,133e 0, 042( T - 50 ) ] (10) Дана формула з достатньої для технічних цілей точністю заміняє собою все сімейство кривих на фіг. 7 у діапазоні температур T від 50 до 90 °С. Коли всі поглиблення-чарунки Гріггса на поверхні ротора виконані на однакову глибину h , то такий пристрій стабільно працює лише в дуже вузькому діапазоні температур T и тисків P . Випадковий вихід цих параметрів за межі такого діапазону веде до різкого зниження ефективності нагрівання води. Для запобігання цього і підвищення стабільності роботи запропонованого пристрою другим пунктом формули винаходу рекомендується виконувати частину поглиблень на поверхні ротора на глибину h1 , частину - на глибину h2 , а частину на глибину h , що лежить у діапазоні від h1 до h2 . При цьому величини h1 і h2 визначають по формулі (10). Для цього в цю формулу спочатку підставляють мінімальний статичний тиск води в пристрої P1 (ата) із діапазону тисків, при яких планується робота пристрою, і максимальну температуру води T2 (у градусах Цельсію), необхідну споживачу. А потім підставляють у цю формулу мінімальну температуру води T1 , необхідну споживачу, і максимальний статичний тиск води в пристрої P2 (ата), при яких планується його робота. Таке розширення діапазону глибин чарунок Гріггса декілька знижує середню ефективність нагрівання води при роботі в цьому діапазоні робочих тисків і температур, але веде до підвищення стабільності роботи запропонованого пристрою в цьому діапазоні. Формула (10), по якій пропонується обчисляти в даному винаході глибини чарунок Гріггса, справедлива лише для чарунок із плоским денцем, одержуваним, наприклад, фрезеруванням або електроерозійною обробкою. У чарунок же, які висвердлюють за допомогою свердла, денце не плоске, а конічне, із рогом конусності, рівним рогові заточення свердла. Для цього випадку запропонованим винаходом рекомендується зменшувати глибину h їхньої циліндричної частини на величину h3 / 2 меншу величин, обчислених по формулі (10), де h3 - довжина конусної частини поглиблення (або заточення свердла). При цьому сумарна довжина циліндричної частини чарунки Гриігса і половини її конічної частини надасться приблизно рівній розрахованій глибині чарунки з плоским денцем . Приклад 1. Пристрій, зображеноий на фіг. 2 і 3, складається зі статора 1, що являє собою відрізок труби зі сталі Ст 3. Вона має внутрішній діаметр 301мм. Дисковий ротор, насаджений на сталевий вал 8, складається усього з одного диска 13, виконаного зі сталі 45. Ротор має радіус R = 150 мм і товщину диска 20 мм. На зовнішній циліндричній поверхні диска 13 вифрезеровано 36 поглиблень-чарунок 18, зображених на фіг. 4 а. Вони мають діаметр d = 10 мм і глибину h, зазначену в таблиці 2. Між кожними двома цими поглибленнями засвердлено поглиблення 20, що має діаметр 10 мм і розтошоване паралельно валу 8 на відстані 25 мм від краю диска 13 до осі цього отвору. Усього їх 18 таких ненаскрізних поглиблень 20. Через один з отворів 21 у кришці запропонованого пристрою в нього подають за допомогою циркуляційного насоса, що споживає потужність W1 = 150 Вт, воду, яка має початкову температур у Tв х , зазначену в таблиці 2. До вихідного отвору 21 у протилежній кришці 3 приєднано трубопровід, по якому вода надходить у судин унакопичувач нагрітої води. На цьому трубопроводі установлено вентиль, що регулює витрату води і тиск P в пристрої для нагрівання води. Тиск P вимірюють манометром, установленим на трубопроводі подача води в пристрій між циркуляційним насосом і вхідним отвором 21. Там же встановлено лічильник витрати Q води. Вал 8 пристрою для нагрівання води призводять в обертання зі швидкістю n = 3000 об/хв від трьохфазного електродвигуна з установленою потужністю 5 кВт, що споживає при його роботі потужність W2. Теплову потужність W3, що генерується запропонованим пристроєм, обчисляють за результатами вимірів витрати Q що нагрівається води через цей пристрій і результатам вимірів термопарами різниці температур (Tв ых - Tв х) цієї води на виході і вході пристрою. Ефективність h нагрівання рідини визначають як відношення W3/(W2 + W1). Отримані результати вимірів і обчислень приведені в табл. 2. З цієї таблиці бачимо, що ефективність нагрівання води перевищує одиницю лише в дуже вузьких інтервалах тисків P и температур T в використовуваному пристрої для нагрівання води. Настільки вузький інтервал обумовлений тим, що всі поглиблення-чарунки в роторі мають однакову глибину h . Табл. 2 демонструє збіг приведених у ній експериментальних даних із розрахованими величинами h , обчисленими по формулі (10) і поданими у виді гра фіків на фіг. 7. Це доказує придатність запропонованої формули (10). Приклад 2. Пристрій, зображений на фіг. 2 і 3, має таку ж конструкцію, як і в прикладі 1, із тою відмінністю, що діаметр d поглиблень-чарунок 18 на циліндричній поверхні диска ротора 13 складає 6 мм, а циркуляційний насос установлений не на трубопроводі подача води в пристрій для нагрівання води, а на трубопроводі відводу води з цього пристрою. При цьому вентиль, що регулює тиск P в пристрої, установлено на трубопроводі подача води в пристрій. У результаті цього в пристрої для нагрівання води при роботі циркуляційного насоса створюється не надлишковий тиск, як у попередньому прикладі, а розрідження. Тому величина абсолютного тиску P в пристрої, що вимірюється мановакууметром і приведена в табл. З, менша, ніж 1 ата. Інші виміри, результати яких приведені в таблиці 3, здійснюються так само, як у прикладі 1. З цієї таблиці бачимо, що ефективність нагрівання води при створенні розрідження в запропонованому пристрої перевищує одиницю теж лише в дуже вузьких інтервалах робочого тисків P и температур Т. Стіль вузький інтервал, як і в попередньому прикладі, обумовлений тим, що всі поглиблення-чарунки 18 на роторі 13 мають однакову глибину h . Приклад 3. Пристрій, зображений на фіг. 2 і 3, має таку ж конструкцію, як і в прикладі 1, із тою відмінністю, що на циліндричній поверхні диска 13 вифрезеровано 32 поглиблення 18 із діаметром d = 10 мм, і вони мають не однакові глибини h . Як-от, 8 поглиблень-чарунок мають глибину h1 = 6 мм, 8 інших чарунок мають глибину h1 = 7 мм, ще 8 чарунок мають глибину 8 мм, а останні 8 чарунок - глибину h2 = 9 мм. При цьому чарунки 18 однакової глибини розташовані симетрично - одна навпроти інший щодо осі вала 8. Так що після чарунки з глибиною 6 мм на окружності уздовж циліндричної поверхні диска 13 розташована чарунка із глибиною 7 мм, далі за ній - чарунка із глибиною 8 мм, а після тієї - чарунка із глибиною 9 мм. Така симетрія необхідна для забезпечення балансування ротора. У даному прикладі глибини чарунок h1 і h2 розраховані по формулі (10) виходячи з того, що робочий діапазон тисків P в пристрої для нагрівання води повинний, по конкретних умовах експлуатації системи обігріву помешкання, до якого він залучений, лежати в інтервалі від P1 = 14 ата до P2 = 15 ата, а температура води, що , , виходить з пристрою для її нагрівання, повинна бути не нижче T1 = 50 °С і не вище T2 = 80 °С. Через один з отворів 21 у кришці пристрою для нагрівання води в нього подають за допомогою циркуляційного насоса, що споживає потужність W1 = 150 Вт, воду, що підлягає нагріванню, яка має початкову температуру Tв х , зазначену в таблиці 4. Вал 8 пристрою для нагрівання води призводять в обертання зі швидкістю n = 3000 об/хв від трьохфазного електродвигуна з установленою потужностью 5кВт, який споживає при його роботі потужність W2, меншу, чим 5 кВт. Теплову потужність W3, що генерується запропонованим пристроєм, обчисляють за результатами вимірів витрати Q цей через пристрій рідини, що нагрівається. Вона вимірюється лічильником, установленим на трубопроводі подачі від циркуляційного насоса води, що нагрівається, і результатам вимірів термопарами різниці температур (Tв ых - Tв х) цієї води на ви ході і вході пристрою. Ефективність нагрівання рідини визначають як відношення W3/( W2 -+ W1). Отримані результати вимірів і обчислень зведені в табл. 4. З цієї таблиці бачимо, що в заданому інтервалі робочих тисків P ефективність нагрівання води перевищує одиницю. Приклад 4. Пристрій, зображеннийна фіг. 2 і 3, має гаку ж конструкцію, як і в прикладі 3, із тою відмінністью, що його ротор складається з 3 дисків 13, а поглиблення-чарунки 18 не вифрезеровані на циліндричній поверхні диска 13, а висвердлені свердлом Æ8 мм із рогом заточення при вершині 120 ° і мають форму, показану на фіг. 4 б. При цьому 12 чарунок із 36 на кожному диску 13 мають глибину 5 мм, 12 інших чарунок на тому ж диску мають глибину 6,5 мм, а інші 12 чарунок на кожному диску - глибину 8 мм. У даному прикладі чарунки 18 на дисках 13 виконані на глибини h , що менше глибин h1 і h2 , розрахованих по формулі (10), на величину h3 / 2 = 1 мм. Глибини h1 і h2 розраховувалися виходячи з того, що робочий діапазон тисків P в пристрої для нагрівання води повинний, по конкретних умовах експлуатації системи обігріву помешкання, до якого він залучений, лежати в інтервалі від P1 = 14 ата до P2 = 15 ата, а температура води, що виходить з пристрою для її нагрівання, повинна , , бути не нижче T1 = 50 °С и не вище T2 = 80 °С. Як і в попередньому прикладі, чарунки 18 різної глибини розташовані симетрично - одна навпроти такої же щодо осі вала 8. Так що уздовж окружності на циліндричній поверхні диска 13 після чарунки, що має глибину 5 мм, розташована чарунка із глибиною 6,5 мм, а далі за ній чарунка із глибиною 8 мм. Крім 18 поглиблень 20 на бічній плоскій поверхні кожного диска 13 між чарунками 18 просвердлено по 18 наскрізних отворів 19, що мають діаметр 8 мм. Через один з отворів 21 в пристрій для нагрівання води подають за допомогою циркуляційного насоса, що споживає потужність W1 = 0,3 кВт, воду, що підлягає нагріванню, яка має початкову температуру 50 °С. До вихідного отвору 21 у протилежній кришці 3 приєднано трубопровід, по якому вода надходить у судин унакопичувач нагрітої води. На цьому трубопроводі установлено вентиль, що регулює витрату води і тиск P в пристрої для нагрівання води. Цей тиск P вимірюють манометром, установленим на трубопроводі подачі води в пристрій між циркуляційним насосом і вхідним отвором 21. Там же встановлено лічильник витрати води. Вал 8 пристрою призводять в обертання зі швидкістю n = 3000 об/хв від трьохфазного електродвигуна, що споживає при його роботі потужність W2 = 15 кВт. Теплову потужність W2, що генерується запропонованим пристроєм, обчисляють за результатами вимірів витрати що нагрівається води через цей пристрій, яка вимірюється лічильником, установленим на трубопроводі подачі що нагрівається води, і результатам вимірів термопарами температури цієї води на вході і виході пристрою. Ефективність нагрівання води визначають як відношення W3(W1 + W2). В експериментах із таким пристроєм вона досягає величини 1,6 точно в такому ж інтервалі робочих тисків і температур, як і в попередньому прикладі 3, але теплова потужність цього нагрівача в 3 рази більша, чим однодискового. Приклад 5. Пристрій, зображений на фіг. 1, складається зі статора 1, що являє собою відрізок труби зі сталі Ст 3. Вона має внутрішній діаметр 282 мм. Монолітний циліндричний ротор 13, насаджений на сталевий вал 8, виконаний із сірого чавуна СЧ 18-36. Ротор має зовнішній діаметр 280 мм і довжину 140 мм. На зовнішній циліндричній поверхні ротора 13 висвердлено 90 поглиблень-чарунок 18, зображених на фіг. 4 б, які мають діаметр d = 8 мм. (По 30 чарунок на кожній із 3 окружностей, що рівномірно відстоять друг від друга.) Із ци х 30 чар унок, висвердлених на кожній окружності, 10 чарунок мають глибину h1 = 4 мм, 10 інших чарунок мають глибину h2 = 6 мм, 10 останніх чарунок мають глибину h = 5 мм. Глибини h1 і h2 розраховувалися виходячи з того, що робочий діапазон тисків P в пристрої для нагрівання води повинний, по конкретних умовах експлуатації системи обігріву помешкання, до якого він залучений, лежати в інтервалі від P1 = 1 ата до P2 = 12 ата, а температура води, що , виходить з пристрою для її нагрівання, повинна бути не нижче T1 = 60 °С и не вище T2 = 70 °С. Як і в попередньому прикладі, глибини h свердлення чарунок 18 менше глибин h1 і h2 , розрахованих по формулі (10), на величину h3 / 2 = 1 мм. Через однин з отворів 21 в пристрій для нагрівання води подають за допомогою циркуляційного насоса, що споживає потужність W1 = 0,3 кВт, воду, що підлягає нагріванню, що має початкову температур у 60 °С. До вихідного отвору 21 у протилежній кришці 3 запропонованого пристрою приєднано трубопровід, по якому вода надходить у судину-накопичувач нагрітої води. На цьому трубопроводі установлено вентиль, що регулює витрату води і тиск P в пристрої для нагрівання води. Цей тиск P вимірюють манометром, установленим на трубопроводі подача води в пристрій між циркуляційним насосом і вхідним отвором 21. Там же встановлений лічильник витрати води. Вал 8 пристрою призводять в обертання зі швидкістю n = 3000 об/хв від трьохфазного електродвигуна, що споживає при його роботі потужність W2 = 15 кВт. Теплову потужність W3, що генерується запропонованим пристроєм, обчисляють за результатами вимірів витрати що нагрівається води через цей пристрій, що вимірюється лічильником, установленим на трубопроводі подача що нагрівається води, і результатам вимірів термопарами температури цієї води на вході і виході пристрою. Ефективність нагрівання води визначають як відношення W3/(W1 + W2). У експериментах із таким пристроєм вона склала величину 1,7. Таблиця 1 Залежність тисків і температури кипіння води в чарунці Гріггса від глибини h чарунки h, MM 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 0,6 0,7 0,8 0,9 Pц , ат 0,3 8 5 3 0 0,3 0,4 0,5 0,6 7 5 2 0 РS мм 53 47 41 35 30 243 186 129 71, 8 рт. ст. 1 3 5 8 1 Ткип. °С 90 87 82 80 77 72 63 57 45 6,5 6,6 0,9 0,99 8 4 14, 4,5 4 17 0.0 Таблиця 2 Експериментальне знайдена область значень тиску Р в пристрої для нагрівання води, при яких ефективність перевищує 1 при різноманітних глибинах h чарунок у роторі і температурах води 7ду, подаваної в пристрій при тисках, більших атмосферного Глибина h, мм ТВХ, °С Область значень тиску Р, ата 4 60 75 80 90 1,3 3 0, 1,0 ±0, 03 7± 03 0,0 3 - 1± 5 6 65 0 1,0 - 2 ±0, 02 6 70 80 50 60 70 1.0 1,0 1,0 1,2 5 1,2 2 7 2 ±0, ±0, ±0, ±0, ±0, 02 02 02 02 02 Глибина 6 7 h.. мм ТВХ, °С 80 90 50 60 70 Область 1,3 1,6 1,1 1,2 1,3 значень 7 3 8 5 7 тиску Р, ±0, ±0, ±0, ±0. ±0, ата 03 03 02 02 03 8 80 1,5 1 ±0. 03 10 60 70 80 1,6 5 ±0, ±0, ±0. 03 03 03 1,4 1,5 60 1,7 ±0,0 2 Таблиця 3 Експериментальне знайдена область значень тиску Р в пристрої для нагрівання води, при яких ефективність перевищує 1 при різноманітних глибинах h чарунок у роторі і температурах води ТВХ, подаваної в пристрій при тисках, менших атмосферного Глибин 3 а h, мм ТВХ, °С 50 60 70 80 50 Облас 0,6 0,7 0,7 0,58 0,93 ть 6 7 4 значен ±0,0 ±0, ±0, ±0,0 ±0, ь тиску 2 02 02 3 02 Р, ата Твх,°С 40 1, 1, P, ата 1,3 1,4 2 5 Эффект. 0, 0, 0,8 0,5 4 4 ,h Твх,°С P, ата Эффект., h 1, 3 0, 9 14 1,3 4 5 '60 70 80 50 60 70 0,9 0,8 0,9 - 0,9 6 ±0, ±0, 02 02 ±0,0 ±0, 2 03 50 60 1, 1, 1,4 1,5 1,3 1,4 4 6 5 1, 0, 1,4 0,8 1,5 1,5 3 5 70 1,45 1,4 1,5 1,4 1, 1,6 5 1, 0,6 4 1,6 1,3 1,0 0,8 14 1,4 80 145 1,5 1,5 1.4 1,6 1,0