Проточний нагрівач роторного типу

Реферат: Проточний нагрівач роторного типу, що включає електродвигун і герметичну ємність з рідиною, оснащену вхідним і вихідним каналами і яка 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 корпуса розміщені елементи для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, що заповнює циліндричну порожнину, причому кожен елемент для генерування процесу кавітації виконаний у вигляді сопла, тангенціально розташованого відносно осі обертання ротора і встановленого на робочій поверхні диска на відстані ( A i ) та на робочій поверхні корпуса на відстані ( A  ) від осі ротора. i UA 90165 U (12) UA 90165 U UA 90165 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 проточний нагрівач роторного типу (див. патент RU № 2290573, М. кл. F24J 3/00, опубл. 27.12.2006 р.), містить привод у вигляді електродвигуна, теплогенератор, який складається із статора у вигляді корпуса з кришкою, що має циліндричну порожнину, в яку з зазором встановлено ротор, закріплений на валу електродвигуна і виконаний у вигляді диска з робочими поверхнями, оснащеними 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 корпуса статора і робочої поверхні кришки виконані глухі отвори, розташовані опозитно один до одного. Недоліками відомого проточного нагрівача є невисока експлуатаційна надійність з-за швидкого зносу статора і диска ротора, а також недостатня теплопродуктивність і значні теплові втрати при роботі нагрівача, зумовлені тим, що корпус статора не має теплової ізоляції, що призводить до додаткових втрат тепла, що виробляється теплогенератором, в результаті інтенсивного охолодження корпуса і кришки статора оточуючим атмосферним повітрям. Відомий вибраний як прототип проточний нагрівач роторного типу (див. патент RU № 2347155, М. кл. F24J 3/00, опубл. 20.02.2009) включає електродвигун і герметичну ємність з рідиною, оснащену вхідним і вихідним каналами, яка 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 корпуса 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, що розміщені на робочих внутрішніх поверхнях корпуса та диска у вигляді радіальних рядів, виконані у вигляді глухих отворів, розташованих опозитно один до одного. Оснащення проточного нагрівача нерухомим корпусом з циліндричною порожниною, розташованою в герметичній ємності, яка заповнена рідиною, забезпечує теплову ізоляцію робочого об'єму рідини, що нагрівається в циліндричній порожнині за рахунок процесу кавітації. При цьому герметична ємність з рідиною виконує роль "водяного екрана" для робочого об'єму рідини, що міститься в циліндричній порожнині, що запобігає виносу тепла з рідини, що нагрівається в циліндричній порожнині, в навколишнє середовище. Недоліком відомого проточного нагрівача є низька експлуатаційна надійність, пов'язана з інтенсивним та швидким зносом елементів для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, встановлених на робочих поверхнях корпуса і диска ротора. Задачею корисної моделі є створення проточного нагрівача роторного типу, що має високу теплотворну здатність і надійність, за рахунок підвищення зносостійкості вузлів і елементів, що забезпечують процес генерування кавітації. Для вирішення поставленої задачі в відомому проточному нагрівачі роторного типу, що включає електродвигун і герметичну ємність з рідиною, оснащену вхідним і вихідним каналами і яка 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 корпуса розміщені елементи для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, що заповнює циліндричну порожнину, згідно з корисною моделлю, що заявляється, кожен елемент для генерування процесу кавітації виконаний у вигляді сопла, тангенціально розташованого відносно осі обертання ротора і встановленого на робочій поверхні диска на відстані (Аi) та на робочій поверхні корпуса на відстані (А'і) від осі ротора, при цьому величини (Аi) та (А'і) визначаються наступними залежностями: 0,1D1  Ai  0,55 D1 , 0,1D2  A  0,45 D2 , i де A i - відстань від осі ротора до і-того сопла, встановленого на робочій поверхні диска, мм; A  - відстань від осі ротора до і-того сопла, встановленого на робочій поверхні корпуса, мм; i D1 - діаметр робочої поверхні диска, мм; D2 - діаметр робочої поверхні корпуса, мм. 1 UA 90165 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Виконання як елементів для генерування процесу кавітації сопел, встановлених на робочій поверхні диска на відстані (Аi) та на робочій поверхні корпуса на відстані (А'і) від осі ротора, які визначаються за вищевказаними математичними залежностями, і тангенціально розташованих відносно осі обертання ротора, дозволяє стимулювати ефект тертя рідини між робочими поверхнями диска і робочими поверхнями нерухомого корпуса, а також дозволяє генерувати в зазначених соплах процес кавітації, що приводить до виділення значної кількості тепла. Процес виділення тепла пов'язаний з фізичним впливом поля кавітаційних бульбашок, що схлопуються. Виділення тепла відбувається в кожному з сопел, розташованих як на робочих поверхнях диска, що обертається, так і на робочих поверхнях нерухомого корпуса, у результаті перетворення потенційної енергії бульбашок, накопиченої ними в стадії росту (при входженні в сопло), в кінетичну енергію ударних хвиль, що виділяється в стадії їх схлопування (на виході з сопла). При цьому кінетична енергія ударних хвиль визначає інтенсивність кавітації і кількість тепла, що виділяється при кавітації. В окремому варіанті виконання проточного нагрівача в центральній частині корпуса нагрівача виконано вхідний отвір, що зв'язує герметичну ємність з циліндричною порожниною і розташований в зоні осі обертання ротора. Розміщення вхідного отвору в зоні осі обертання ротора дозволяє, по-перше, максимально збільшити шлях проходження рідини під тиском і дією зростаючої відцентрової сили в напрямку від осі обертання ротора до вихідного отвору, тим самим збільшуючи площу тертя рідини відносно робочих поверхонь диска і робочих поверхонь корпуса, а отже, підвищити ефективність нагріву рідини. По-друге, при такому розміщенні отворів вхідного і вихідного каналів виникає ефект "продавлювання" рідини, що дозволяє при наявності відцентрових сил підтримувати в області зазору між робочими поверхнями корпуса і робочими поверхнями диска тиск близько 0,03-0,5 МПа (в залежності від діаметра диска), необхідного для збудження в соплах, тангенціально розташованих відносно осі обертання ротора, процесу кавітації, що спільно з роботою сил тертя призводить до значного підвищення теплопродуктивності проточного нагрівача. По-третє, при введенні рідини в нагрівач в зоні осі обертання ротора, тобто в області найбільшого розрядження, яке виникає за рахунок відцентрових сил, що діють на рідину, що гріється, забезпечується прокачування рідини через проточний нагрівач без необхідності підвищення тиску на вході проточного нагрівача. В окремому варіанті виконання проточного нагрівача щонайменше одне сопло для генерування процесу кавітації виконано у вигляді сопла Лаваля. Це дозволяє оптимізувати процес кавітації в робочому об'ємі рідини, що заповнює циліндричну порожнину. В інших можливих варіантах виконання проточного нагрівача сопла розміщені на кожній робочій поверхні диска і/або на кожній робочій поверхні корпуса в радіальному напрямку. Це дозволяє узгодити (вирівняти) тиск рідини з протилежних сторін диска, що сприятливим чином позначається на експлуатаційних характеристиках нагрівача, зокрема на його надійності. Ще в одному варіанті виконання проточного нагрівача сопла для генерування процесу кавітації розміщені на суміжних робочих поверхнях диска і корпуса таким чином, що створюють просторову шахову структуру. В іншому варіанті виконання проточного нагрівача сопла для генерування процесу кавітації розміщені щонайменше на одній робочій поверхні диска або корпуса по спіралі Архімеда. В окремому варіанті виконання проточного нагрівача сопла розміщені щонайменше на одній робочій поверхні диска або корпуса у вигляді концентричних кілець. Технічною перевагою запропонованої корисної моделі є забезпечення високих експлуатаційних показників проточного нагрівача роторного типу, за рахунок підвищення його теплопродуктивності та надійності. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 зображений загальний вигляд проточного нагрівача; на Фіг. 2 - переріз А-А Фіг. 1; на Фіг. 3 - переріз Б-Б Фіг. 1; на Фіг. 4 зображений диск ротора з радіальним розташуванням елементів для генерування процесу кавітації; на Фіг. 5 - робоча поверхня корпуса з радіальним розташуванням елементів для генерування процесу кавітації; на Фіг. 6 зображено сопло Лаваля; на Фіг. 7 - варіант взаємного розташування сопел на робочих поверхнях диска і корпуса з утворенням шахової структури. Проточний нагрівач роторного типу містить електродвигун 1, що примикає до герметичної ємності 2 з рідиною. Герметична ємність 2 забезпечена вхідним каналом 3 і вихідним каналом 4, а також містить нерухомий корпус 5 з циліндричною порожниною 6, пов'язаної з герметичною 2 UA 90165 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ємністю 2. Циліндрична порожнина 6 розміщена між опозитно розташованими робочими внутрішніми поверхнями 7 корпуса 5. В циліндричній порожнині 6 на валу електродвигуна 1 встановлено ротор, виконаний у вигляді диска 8 з робочими поверхнями 9. На робочих поверхнях 9 диска 8 і робочих поверхнях 7 корпуса 5 розміщені елементи для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, що заповнює циліндричну порожнину 6. Кожен елемент для генерування процесу кавітації, що виконаний у вигляді сопла 10, тангенціально розташований відносно осі обертання ротора і встановлений на відповідній робочій поверхні 9 диска 8 на відстані (Аi), яка визначається наступною залежністю: 0,1D1  Ai  0,55 D1 , де D1 - діаметр робочої поверхні 9 диска 8, мм. Кожний елемент для генерування процесу кавітації, що виконаний у вигляді сопла 10', тангенціально розташований відносно осі обертання ротора і встановлений на відповідній робочій поверхні 7 корпуса 5 на відстані (A'i) від осі ротора, яка визначається наступною залежністю: 0,1D2  A  0,45 D2 , i де D2 - діаметр робочої поверхні 7 корпуса 5, мм. У центральній частині корпуса 5 виконаний щонайменше один вхідний отвір 11, який розташований в зоні осі обертання ротора і зв'язує герметичну ємність 2 з циліндричною порожниною 6. У свою чергу циліндрична порожнина 6 має щонайменше один вихідний отвір 12, розташований у периферійній зоні герметичної ємності 2. У окремому варіанті виконання проточного нагрівача щонайменше одне сопло 10 або 10' для генерування процесу кавітації виконано у вигляді сопла Лаваля (див. Фіг. 6). В іншому варіанті виконання проточного нагрівача сопла 10 або 10' розміщені на кожній робочій поверхні 9 диска 8 і/або на кожній робочій поверхні 7 корпуса 5 в радіальному напрямку (див. Фіг. 4 та Фіг. 5). Ще в одному варіанті виконання проточного нагрівача сопла 10 та 10' розміщені на суміжних робочих поверхнях диска 8 і корпуса 5 таким чином, що створюють просторову шахову структуру (див. Фіг. 7). В іншому варіанті виконання проточного нагрівача сопла 10 або 10' розміщені щонайменше на одній робочій поверхні диска 8 або корпуса 5 по спіралі Архімеда (див. Фіг. 2 та Фіг. 3). Проточний нагрівач працює наступним чином. При включенні електродвигуна 1 починає обертатися ротор, виконаний у вигляді диска 8 з робочими поверхнями 9, що забезпечує створення розрядження у вхідному отворі 11. Вхідний отвір 11 розташований у зоні осі обертання ротора і пов'язує герметичну ємність 2 з циліндричною порожниною 6, розміщеної між опозитно розташованими робочими внутрішніми поверхнями 7 корпуса 5. За рахунок створеного розрядження рідина з герметичної ємності 2 надходить у циліндричну порожнину 6, в якій приводиться в обертальний рух в результаті обертання диска 8. При цьому потік рідини під впливом відцентрових сил, що діють в циліндричній порожнині 6, відтискається до її периферії, де розташований вихідний отвори 12, через які нагріта рідина відводиться у циліндричну порожнину 6 герметичної ємності 2. Процес кавітації, що призводить до виділення великої кількості тепла, пов'язаний з проходженням рідини через сопла 10 або 10', генеруючих процес кавітації в робочому об'ємі рідини, що заповнює циліндричну порожнину 6. Виділення тепла відбувається в кожному з сопел 10 або 10', розташованих як на робочих поверхнях 9 диска 8, так і на робочих внутрішніх поверхнях 7 корпуса 5. Цей теплотвірний ефект досягається за рахунок перетворення потенційної енергії бульбашок пари, накопиченої ними при входженні в кожне сопло 10 або 10', в кінетичну енергію ударних хвиль, що виділяється на виході з них. Рідина, потрапляючи в тангенціально розташовані відносно осі обертання ротора сопла 10 або 10', перетворюється у дрібні бульбашки пари, які під тиском починають конденсуватися. Після чого бульбашки пари схлопуються, що приводить до виділення тепла, в результаті чого рідина в циліндричній порожнині 6 нагрівається. Приклад. При начальній швидкості рідини у соплах 10 або 10', яка дорівнювалась 0,3-0,6 м/с, вихідна температура рідини у герметичній ємності 2 становила 15-20 °C. Коли за рахунок обертання диска 8 ротора швидкість рідини у соплах 10 або 10' досягла 20 м/с, це призвело до генерації процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, яка заповнювала циліндричну порожнину 6, та зростанню температури рідини у герметичній ємності 2 та на виході проточного нагрівача, що заявляється, до 80-100 °C. 3 UA 90165 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 30 35 40 1. Проточний нагрівач роторного типу, що включає електродвигун і герметичну ємність з рідиною, оснащену вхідним і вихідним каналами і яка 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 корпуса розміщені елементи для генерування процесу кавітації в робочому об'ємі рідини, що заповнює циліндричну порожнину, який відрізняється тим, що кожен елемент для генерування процесу кавітації виконаний у вигляді сопла, тангенціально розташованого відносно осі обертання ротора і встановленого на робочій поверхні диска на відстані ( A i ) та на робочій поверхні корпуса на відстані ( A  ) від осі ротора, при цьому величини ( A i ) та ( A  ) визначаються i i наступними залежностями: 0,1D1  Ai  0,55 D1 , 0,1D2  A  0,45 D2 , i де A i - відстань від осі ротора до і-того сопла, встановленого на робочій поверхні диска, мм; A  - відстань від осі ротора до і-того сопла, встановленого на робочій поверхні корпуса, мм; i D1 - діаметр робочої поверхні диска, мм; D2 - діаметр робочої поверхні корпуса, мм. 2. Проточний нагрівач роторного типу за п. 1, який відрізняється тим, що в центральній частині корпуса виконаний вхідний отвір, що зв'язує герметичну ємність з циліндричною порожниною і розташований в зоні осі обертання ротора. 3. Проточний нагрівач роторного типу за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що щонайменше одне сопло для генерування процесу кавітації виконано у вигляді сопла Лаваля. 4. Проточний нагрівач роторного типу по одному з пунктів 1-3, який відрізняється тим, що сопла для генерування процесу кавітації розміщені на кожній робочій поверхні диска в радіальному напрямку. 5. Проточний нагрівам роторного типу по одному з пунктів 1-3, який відрізняється тим, що сопла для генерування процесу кавітації розміщені на кожній робочій поверхні корпуса в радіальному напрямку. 6. Проточний нагрівач роторного типу по одному з пунктів 1-3, який відрізняється тим, що сопла для генерування процесу кавітації розміщені на суміжних робочих поверхнях диска і корпуса таким чином, що створюють просторову шахову структуру. 7. Проточний нагрівач роторного типу по одному з пунктів 1-3, який відрізняється тим, що сопла для генерування процесу кавітації розміщені щонайменше на одній робочій поверхні диска або корпуса по спіралі Архімеда. 8. Проточний нагрівач роторного типу по одному з пунктів 1-3, який відрізняється тим, що сопла для генерування процесу кавітації розміщені щонайменше на одній робочій поверхні диска або корпуса у вигляді концентричних кілець. 4 UA 90165 U 5 UA 90165 U 6 UA 90165 U 7 UA 90165 U 8 UA 90165 U 9 UA 90165 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10