Вихровий теплогенератор

Реферат: Вихровий теплогенератор містить нерухомий корпус з циліндричною порожниною і розташований в ній, з можливістю обертання, жорстко встановлений на приводному валу порожнистий циліндричний ротор, який має канали, що зв'язують його порожнину з периферією ротора і забезпечують прокачування рідини з порожнини ротора до його периферії, вхідний патрубок для введення рідини в порожнину ротора і вихідний патрубок для виведення нагрітої рідини споживачу, при цьому на периферії ротора розташовані елементи для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, яка заповнює циліндричну порожнину, виконані у вигляді щілинних вихороутворюючих камер, розміщених паралельно відносно осі обертання ротора. Кожен канал, що зв'язує порожнину ротора з його периферією, виконаний у вигляді плескатого сопла Лаваля, що забезпечує генерацію процесу кавітації в потоці рідини, що прокачується через згаданий канал. UA 117364 U (12) UA 117364 U UA 117364 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплотехніки і може використовуватися для нагріву рідини для опалення і гарячого водопостачання стаціонарних і тимчасово розгорнутих приміщень будьякого призначення, які не мають централізованих джерел енергії, у т. ч. в похідних або аварійних умовах. Відомий вихровий теплогенератор для нагрівання рідини (див. патент UA № 2301381, М. кл. F24J 3/00, опубл. 20.06.2007 р.), що містить з'єднаний з насосом циклон, на протилежних торцях якого встановлені основний і додатковий циліндричні корпуси, при цьому вихідні отвори корпусів з'єднані між собою перепускним патрубком. Рідина під тиском 0,4-0,6 МПа через інжекційний патрубок подається в циклон. Нагрівання рідини здійснюється за рахунок сил тертя з подальшим вихровим розділенням на два потоки. Більш нагрітий потік спрямовується в систему нагріву приміщення, а холодніший повертається у всмоктуючу зону теплогенератора. Недоліком відомого теплогенератора є низький ККД по виробленню тепла, що пов'язано з недостатньою активністю вихрового руху рідини в порожнині циклону і відсутністю процесу кавітації при нагріві рідини. Відомий проточний нагрівач роторного типу (див. патент RU № 2290573 C1, М. кл. F24J 3/00, опубл. 27.12.2006 р.), який містить привод у вигляді електродвигуна і вихровий теплогенератор, що складається із статора у вигляді корпусу з кришкою, що має циліндричну порожнину, в яку із зазором встановлений ротор, закріплений на валу електродвигуна і виконаний у вигляді диска з робочими поверхнями, забезпеченими глухими отворами, вхідного і вихідного каналів для підведення і відведення рідини. Рідина у вхідний канал подається під тиском від джерела тиску. На внутрішній робочій поверхні корпусу статора і робочої поверхні кришки виконані глухі отвори, розташовані опозитно один до одного. Недоліками відомого проточного нагрівача є невисока експлуатаційна надійність із-за швидкого зносу статора і диска ротора, а також низький ККД і недостатня теплопродуктивність, що призводить до значних теплових втрат при роботі нагрівача. Відомий вихровий теплогенератор (див. патент RU № 2347155 С1, М. кл. F24J 3/00, опубл. 20.02.2009 р.), що включає електродвигун і герметичну ємність з рідиною, яка забезпечена вхідним і вихідним каналами та містить нерухомий корпус з циліндричною порожниною, пов'язаною з герметичною ємністю і розміщеною між опозитно розташованими робочими внутрішніми поверхнями корпуса, в якій розміщений ротор у вигляді диска з робочими поверхнями, встановлений на валу електродвигуна, при цьому на робочих поверхнях диска і корпусу розміщені елементи для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, що заповнює циліндричну порожнину. Елементи для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, які розміщені на робочих внутрішніх поверхнях корпусу та диска у вигляді радіальних рядів, виконані у вигляді глухих отворів, розташованих опозитно один до одного, при цьому значна частина гідравлічної енергії втрачається на малоефективне неорганізоване вихороутворення в робочому об'ємі рідини, що заповнює циліндричну порожнину, що істотно знижує середню швидкість обертання вихрових міні-потоків за рахунок включення в процес вихороутворення значних приєднаних мас відносно нерухомої рідини. Недоліками відомого проточного нагрівача є низький ККД вироблення тепла і низька експлуатаційна надійність, пов'язана з швидким зносом елементів для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, виконаних на робочих поверхнях корпусу і диска ротора. Відомий вихровий теплогенератор, що містить нерухомий корпус з циліндричною порожниною і розташований, з можливістю обертання в ній, жорстко встановлений на приводному валу порожнистий циліндричний ротор, який-має канали, що зв'язують його порожнину з периферією ротора і забезпечують прокачування рідини з порожнини ротора до його периферії, вхідний патрубок для введення рідини в порожнину ротора і вихідний патрубок для виведення нагрітої рідини споживачеві, при цьому в тілі ротора розташовані елементи для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, а на периферії ротора виконані лиски, що розміщені на виході згаданих каналів (див. патент на корисну модель RU № 23098, М. кл. F24J 3/00, опубл. 20.05.2002 р.). У порожнистому циліндричному роторі встановлені лопатки, а в його тілі виконані аксіальні циліндричні резонатори, в яких енергія потоку рідини перетворюється в енергію акустичних коливань з виникненням кавітації й інтенсивним нагріванням рідини. При цьому вхідні ділянки каналів розташовані тангенціально резонаторам, а вихідні радіально. Таким чином, робоча рідина, що переміщується з порожнини ротора до його периферії, долає додатковий гідравлічний опір, який спричиняє резонатор, що ускладнює її прокачування у вказаному напрямку і призводить до зниження ККД теплогенератора. Напрямок вхідних ділянок каналів периферійної частини циліндричного ротора збігається з напрямком дотичної до кінців лопаток, розташованих в циліндричному роторі, що дозволяє створити в них 1 UA 117364 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 підвищений тиск і збудити в резонаторах акустичні коливання. Однак відведення рідини з порожнини кожного резонатора за допомогою радіального каналу створює додатковий опір при прокачуванні потоку рідини з порожнини ротора до його периферії, що призводить до зростання навантаження на рухомі деталі теплогенератора і передчасного його зносу і виходу з ладу. Таким чином, недоліками відомого теплогенератора є низький ККД вироблення тепла, а також низька експлуатаційна надійність, пов'язана з швидким зносом елементів теплогенератора. Відомий вихровий теплогенератор, що містить нерухомий корпус з циліндричною порожниною і розташований, з можливістю обертання в цій порожнині, жорстко встановлений на приводному валу порожнистий циліндричний ротор, який має канали, що зв'язують його порожнину з периферією ротора і забезпечують прокачування рідини з порожнини ротора до його периферії, вхідний патрубок для введення рідини в порожнину ротора і вихідний патрубок для виведення нагрітої рідини споживачеві, при цьому на периферії ротора виконані поглиблення ("кишені"), що примикають до кожного каналу (див. заявку на винахід UA № 94029725, М. кл. F24J 3/00, опубл. 20.06.1996 p.). Згадані "кишені" орієнтовані в тілі ротора проти або по ходу напрямку обертання ротора. Наявність радіальних каналів забезпечує перекачування рідини з порожнини ротора до його периферії, при цьому переміщувана рідина заповнює канали і "кишені". Рідина, що заповнила "кишені", знаходиться під дією двох основних сил: - відцентрової сили, яка прагне витиснути рідину з кожної "кишені"; - сили інерції від обертання ротора, яка прагне "закупорити" рідину в кожній "кишені". Оскільки повз кожної з "кишень" при працюючому роторі постійно тече рідина, вміст кожної "кишені" оновлюється в коливальному режимі, що супроводжується інтенсивним генеруванням тепла поблизу виходів каналів. Саме коливання рідини в "кишенях" під дією відцентрової сили, що видавлює рідину з "кишені", та дією сили інерції, що вдавлює рідину до "кишені" при обертанні ротора, призводять до нагрівання рідини. Нагрівання рідини у відомому теплогенераторі відбувається із-за чергування її стиснення-розширення у зазначених "кишенях" при обертанні ротора і внаслідок тертя рідини, що заповнює циліндричну порожнину між нерухомою поверхнею корпусу і поверхнею ротора, що рухається. Недоліками відомого теплогенератора є низький ККД вироблення тепла, що пов'язано з недостатньою активністю вихрового руху рідини у зазначеній циліндричній порожнині, а також відсутністю генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини. Відомий вихровий теплогенератор, прийнятий як найближчий аналог, що містить нерухомий корпус з циліндричною порожниною і розташований в ній, з можливістю обертання, жорстко встановлений на приводному валу порожнистий циліндричний ротор, який має канали, що зв'язують його порожнину з периферією ротора і забезпечують прокачування рідини з порожнини ротора до його периферії, вхідний патрубок для введення рідини в порожнину ротора і вихідний патрубок для виведення нагрітої рідини споживачу, при цьому на периферії ротора розташовані елементи для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, яка заповнює циліндричну порожнину, виконані у вигляді щілинних вихороутворюючих камер, розміщених паралельно відносно осі обертання ротора (див. патент RU № 2393391 С1, М. кл. F24J 3/00, опубл. 27.06.2010 р.), Теплогенератор оснащений щілинними вихороутворюючими камерами, за які використані ультразвукові випромінювачі Левассера, гострі кромки яких заточені під кутом 30°. Потік рідини, що потрапляє на гостру кромку випромінювача, розбивається цієї кромкою так, що з обох сторін кромки з'являються вихори. Вихори, в зоні їх утворення, викликають періодичні зміни тиску, що поширюються в об'ємі рідини у вигляді ультразвукових хвиль як всередину випромінювача Левассера, так і у бік корпусу теплогенератора. На гострій кромці кавітаційні вихори, що виникають, призводять до утворення великої кількості кавітаційних бульбашок. При цьому в тій частині рідини, яка потрапляє в зону, що знаходиться всередині випромінювачів Левассера, кавітаційні бульбашки руйнуються, а тиск, що різко зростає, стискає рідину. Постійне натікання рідини в ультразвуковий випромінювач забезпечує її вихровий рух всередині випромінювача. Такий рух рідини всередині випромінювача при обертанні ротора забезпечує утворення зон зі зниженим і підвищеним тиском, які мають невстановлений характер, що призводить до зниження інтенсивності кавітаційного процесу в робочому об'ємі рідини, що заповнює теплогенератор. Недоліком відомого теплогенератора є низький ККД вироблення тепла, що пов'язано з недостатньою активністю вихрового руху в робочому об'ємі рідини, яка заповнює теплогенератор, і низькою інтенсивністю кавітаційного процесу, що обумовлено відсутністю стабільних зон створення і схлопування кавітаційних бульбашок. 2 UA 117364 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Задачею корисної моделі, що заявляється, є створення вихрового теплогенератора, що характеризується високою теплопродуктивністю і надійністю, за рахунок активізації вихрового руху та інтенсифікації кавітаційного процесу в робочому об'ємі рідини, що заповнює теплогенератор, за рахунок створення стабільних зон утворення і схлопування кавітаційних бульбашок. Також задачею цієї корисної моделі є підвищення зносостійкості вузлів і елементів, що забезпечують процес генерування кавітації. Поставлені задачі вирішуються тим, що у відомому вихровому теплогенераторі, що містить нерухомий корпус з циліндричною порожниною і розташований в ній, з можливістю обертання, жорстко встановлений на приводному валу порожнистий циліндричний ротор, який має канали, що зв'язують його порожнину з периферією ротора і забезпечують прокачування рідини з порожнини ротора до його периферії, вхідний патрубок для введення рідини в порожнину ротора і вихідний патрубок для виведення нагрітої рідини споживачу, при цьому на периферії ротора розташовані елементи для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, яка заповнює циліндричну порожнину, виконані у вигляді щілинних вихороутворюючих камер, розміщених паралельно відносно осі обертання ротора, згідно з корисною моделлю, що заявляється, кожен канал, що зв'язує порожнину ротора з його периферією, виконаний у вигляді плескатого сопла генерування ультразвукових хвиль (кавітаційного шуму), що виходять від бульбашок, що схлопуються, які утворилися в процесі генерування кавітації в робочому об'ємі рідини, що заповнює циліндричну порожнину. Ці бульбашки виникають в областях розряджень ультразвукової хвилі. Наступна за фазою розрідження фаза стиснення ультразвукової хвилі призводить до згортання більшої частини кавітаційних бульбашок, що призводить до підвищення тиску і утворення в рідині ударної хвилі. В результаті відбувається нагрівання рідини з подальшим видаленням її з теплогенератора через вихідний патрубок для виведення нагрітої рідини споживачу. У той же час при експлуатації вихрового теплогенератора забезпечується зниження втрат енергії в процесі вихороутворення в щілинних вихороутворюючих камерах при одночасному захисті елементів конструкції, включаючи плескаті сопла Лаваля і вихороутворюючі камери, від кавітаційного руйнування. Поряд з цим, забезпечується істотно більша швидкість обертання рідини в вихороутворюючих камерах при рівномірній структурі вихрових утворень в малих об'ємах рідини і, тим самим, підвищується активізація кавітаційної обробки рідини в умовах накладення на вихрові утворення високочастотних коливань тиску, викликаних ударними хвилями, які генеруються в соплах Лаваля, а також у робочому об'ємі рідини, що заповнює циліндричну порожнину. У окремому варіанті виконання теплогенератора вихід каналу, виконаного у вигляді плескатого сопла Лаваля, розташований на відстані (L) від суміжної щілинної вихороутворюючої камери, яка визначається за наступною математичною залежністю: 0,05D