Гідродинамічний нагрівник текучих середовищ

1 Гідродинамічний нагрівник текучих середовищ, що має проточний порожнистий корпус-акумулятор тепла з патрубками для підключення до напірної (гарячої) і зворотної (холодної) гілок системи теплопостачання, щонайменше одноступінчатий відцентровий насос для нагнітання текучого середовища, що нагрівається, встановлений усередині корпусуакумулятора тепла, і електродвигун, жорстко закріплений відносно корпусу-акумулятора тепла і кінематично зв'язаний з валом робочого колеса насоса, який відрізняється тим, що порожнистий корпус-акумулятор тепла розділений поперечною перегородкою на дві камери, що сполучені між собою щонайменше через один Пподібний байпасний трубопровід, насос розташований у тій камері корпусуакумулятора тепла, що оснащена щонайменше одним патрубком для підключення до напірної гілки системи теплопостачання, електродвигун розташовано усередині другої камери корпусу-акумулятора тепла і його робочий вал вільно пропущений через зазначену попере Корисна модель відноситься до конструкції малогабаритних гідродинамічних нагрівників текучих середовищ, що призначені служити джерелами тепла переважно в замкнутих автономних системах теплопостачання Тут і далі стосовно до корисної моделі позначені а) терміном "текуче середовище" - такі ньютоНІВСЬКІ рідкі теплоносії, як вода і водяні розчини речовин, що запобігають утворенню накипу на стінках деталей систем теплопостачання, або ІНШІ чну перегородку і жорстко зв'язаний з валом робочого колеса насоса 2 Гідродинамічний нагрівник за п 1, який відрізняється тим, що порожнистий корпус-акумулятор тепла виконаний круглим у поперечному перерізі і його геометрична вісь збігається з геометричними осями робочого колеса насоса і ротора електродвигуна 3 Гідродинамічний нагрівник за п 1, який відрізняється тим, що поперечна перегородка між камерами має щонайменше один перфораційний отвір 4 Гідродинамічний нагрівник за п 1, який відрізняється тим, що порожнистий корпус-акумулятор тепла оснащений проміжною змішувальною камерою, вихід з якої розташований навпроти усмоктувального отвору в робочому колесі насоса й у яку спільно відкриті вихідний патрубок щонайменше одного П-подібного байпасного трубопроводу і патрубок для підключення нагрівника до зворотної гілки системи теплопостачання 5 Гідродинамічний нагрівник за п 1, який відрізняється тим, що порожнистий корпус-акумулятор тепла оснащений кількома П-подібними байпасними трубопроводами, щонайменше один з яких оснащений регулятором прохідного перерізу 6 Гідродинамічний нагрівник за п 1 або за п 5, який відрізняється тим, що П-подібні байпасні трубопроводи розташовані в радіальних площинах і підключені поблизу торцевих кришок корпусу ПІДХОЖІ рідини з високими питомими теплоємністю і теплотою пароутворення, б) терміном «гідродинамічне нагрівання» - перетворення кінетичної енергії турбулентного потоку текучого середовища в теплоту внаслідок тертя рідини об рідину, внаслідок тертя рідини об стінки каналів при її протіканні в межах пристрою і внаслідок утворення і зникнення кавітаційних пухирців переважно на периферійній частині робочого колеса насоса У економічно розвинених країнах поряд з урбанізацією спостерігається інтенсивне переселен со 1423 ня людей у приміські зони, їх звичайно забудовують відносно невеликими будинками, що розраховані на одну родину і розташовані окремо один від одного Прокладка теплотрас до них економічно невигідна через ІСТОТНІ втрати тепла в грунт Тому такі будинки підключають тільки до електромережі і для їх опалення в зимовий період використовують електронагрівальні прилади різних конструкцій Природно припустити, що таке опалення повинно бути якомога економічніше, а використовувані електронагрівники повинні бути якомога простіші за конструкцією, малогабаритні, надійні в експлуатації і доступні для споживачів за ціною Першій умові явно не відповідають звичайні електричні калорифери, оскільки вони не здатні запасати достатню КІЛЬКІСТЬ тепла на випадок відключення електроживлення ВІДПОВІДНО, В опалювальний сезон їх доводиться тримати включеними практично цілодобово, хоча відомо, що денний і, нічний тарифи за електроенергію істотно розрізняються Оснащення таких калориферів регуляторами температури дозволяє лише незначно знизити сумарну витрату електроенергії на опалення Більш перспективно вмикання електронагрівників у замкнуті автономні системи теплопостачання, що працюють з використанням рідких теплоносіїв і оснащені акумуляторами тепла Це дозволяє використовувати нічний надлишок електроенергії для опалення будинків удень У складі таких систем все частіше використовують гідродинамічні нагрівники текучих середовищ, що містять електродвигун, насос, щонайменше один засіб перетворення кінетичної енергії потоку текучого середовища в теплоту і засоби для підключення насоса до входу в систему теплопостачання і виходу з неї Наприклад, із SU 1627790 А1 відомий гідродинамічний нагрівник, у якому температура текучого середовища зростає внаслідок його тертя об робочі органи, які приводяться в обертання від довільного (звичайно відносно тихохідного вітряного) двигуна Цей нагрівник, корпус якого з запасом теплоносія служить акумулятором тепла, працює в практично ламінарному режимі, що виключає кавітацію, і тому дуже надійний в експлуатації Однак він громіздкий, має низьку питому потужність і низьку ж теплопродуктивність Істотно більш потужний і продуктивний гідродинамічний нагрівник, що відомий із SU 1703924 А1 Він має контур рециркуляції рідкого теплоносія з відцентровим насосом для розгону й інтенсивної турбулізації «внутрішнього» текучого середовища і звичайно водо-водяним кожухотрубним теплообмінником для відбору тепла з застосуванням «зовнішнього» рідкого теплоносія При цьому для придушення кавітації на центральному вхідному патрубку насоса такого нагрівника встановлений ежектор, який забезпечує живлення насоса рідиною з підвищеним тиском, що виключає кавітацію Оскільки гідродинамічне нагрівання відбувається лише внаслідок внутрішнього тертя в текучому середовищі і його тертя об стінки теплообмінника, остільки описаний нагрівник досить довго виходить на робочий режим, а підключення такого нагрівника до автономної мережі теплопостачання через зазначений теплообмінник істотно утрудняє акумулювання запасу тепла «з ночі надень» Тому більш ефективні такі нагрівники, які за необхідністю здатні працювати в режимі регульованої гідродинамічної кавітації Наприклад, із публікації WO 98/42987 Міжнародної заявки PCT/UA 97/00003 (особливо фігур 8 і 9) відомий нагрівник, що має окремо встановлені насос з приводом обертання і вертикальний проточний резервуар-акумулятор тепла, що підключений живільним і ВІДВІДНИМ патрубками - ВІДПОВІДНО до джерела холодної і до споживачів гарячої води, придонною частиною - до усмоктувального патрубка насоса, а верхньою частиною - через засіб збудження гідродинамічної кавітації - до виходу з насоса Зазначеним засобом служить напірний патрубок порівняно великого діаметра з двома істотно меншими по діаметру симетричними байпасними патрубками для відбору частини текучого середовища з нагнітального патрубка насоса і його повернення в основний потік цього ж середовища у вигляді збуджуючих струменів Цей пристрій швидко виходить на робочий режим і дуже ефективний при опаленні і/або гарячому водопостачанні багатоквартирних житлових будинків або великих суспільних будинків Однак він складний за конструкцією, громіздкий і не пристосований для систем опалення родинних житлових будинків Слід також відзначити, що тепло, що генерується працюючим електродвигуном насоса і самим насосом, безповоротно втрачається Тому бажано, щоб щонайменше один з цих вузлів був занурений у рідкий теплоносій усередині акумулятора тепла З числа гідродинамічних нагрівників такого типу до запропонованого далі пристрою по технічній суті найближчий пристрій для нагрівання рідин ВІДПОВІДНО до UA Patent на корисну модель № 99 Він має проточний порожнистий корпус-акумулятор тепла з патрубками для підключення до напірної (гарячої) і поворотної (холодної) гілок системи теплопостачання, щонайменше одноступінчатий відцентровий насос для нагнітання текучого середовища, що нагрівається, встановлений усередині корпусаакумулятора тепла, електродвигун, жорстко закріплений на торці корпуса-акумулятора тепла і кінематичне зв'язаний з валом робочого колеса насоса муфтою, що встановлена у власному герметичному корпусі з ущільненнями по місцях уведення валів, ЗОВНІШНІЙ засіб турбулізації потоку текучого середовища, що нагрівається, (теплогенератор), що підключений до нагнітального й усмоктувальних патрубків насоса і - через зазначений корпусакумулятор - до системи теплопостачання Введення насоса усередину корпусаакумулятора тепла дозволило скоротити осьовий габарит цього корпуса і розміри описаного нагрівника в цілому Однак зовнішнє розташування теплогенератора й електродвигуна відносно корпусаакумулятора тим помітніше збільшує втрати тепла, 1423 чим більше вихідна потужність відомого нагрівника Далі, з'єднання валів електродвигуна і насоса через муфту тим більше знижує надійність нагрівника, чим вище температура в зоні ущільнень І, нарешті, зовнішня трубопровідна обв'язка, що необхідна для рециркуляції текучого середовища між теплогенератором і корпусом-акумулятором тепла, також виявляється тим менше надійною, чим більше вихідна потужність нагрівника і, ВІДПОВІДНО, ВИЩІ гідромеханічні навантаження У основу корисної моделі покладена задача удосконаленням форми корпуса-акумулятора тепла і взаєморозташування і взаємозв'язку насоса й електродвигуна, створити такий гідродинамічний нагрівник текучих середовищ, що мав би якомога меншу поверхню, що випромінює тепло, і якомога високу надійність Поставлена задача вирішена тим, що в гідродинамічному нагрівнику текучих середовищ, що включає проточний порожнистий корпус-акумулятор тепла з патрубками для підключення до напірної (гарячої) і зворотної (холодної) гілок системи теплопостачання, щонайменше одноступінчатий відцентровий насос для нагнітання текучого середовища, що нагрівається, встановлений усередині корпусаакумулятора тепла, і електродвигун, жорстко закріплений щодо корпуса-акумулятора тепла і кінематично зв'язаний з валом робочого колеса насоса, ВІДПОВІДНО ДО винахідницького задуму порожнистий корпусакумулятор тепла розділений поперечною перегородкою на дві камери, що сполучені між собою щонайменше через один П-подібний байпасний трубопровід, насос розташований у тій камері корпусаакумулятора тепла, яка оснащена щонайменше одним патрубком для підключення до напірної (гарячої) гілки системи теплопостачання, електродвигун, який розташований усередині другої камери корпуса-акумулятора тепла і робочий вал якого вільно пропущений через зазначену поперечну перегородку і жорстко зв'язаний з валом робочого колеса насоса У такому гідродинамічному нагрівнику кінетична енергія текучого середовища перетворюється в теплову енергію внаслідок зриву и турбулізованого потоку з робочого колеса насоса (у тому числі з ефектом регульованої кавітації"), тертя рідини об рідину усередині камери, де встановлений насос, і тертя рідини об стінки тракту рециркуляції між камерами Зазначені форма виконання корпусаакумулятора тепла і взаєморозташування і взаємозв'язок насоса й електродвигуна не тільки забезпечують утилізацію тепловиділення в електродвигуні, але й істотно скорочують загальну поверхню, що випромінює тепло, і, ВІДПОВІДНО, втрати тепла в навколишнє середовище, а жорсткий зв'язок валів насоса й електродвигуна істотно підвищує надійність нагрівника в цілому Перша додаткова ВІДМІННІСТЬ полягає в тому, що порожнистий корпус-акумулятор тепла виконаний круглим у поперечному перетині і його геометрична вісь збігається з геометричними осями ро бочого колеса насоса і ротора електродвигуна Така конструкція найзручніша у виготовленні, монтажі й експлуатації Друга додаткова ВІДМІННІСТЬ полягає в тому, що поперечна перегородка між камерами має щонайменше один перфораційний отвір Це полегшує перетікання текучого середовища, що нагрівається, з "насосної" камери в камеру «з двигуном» Третя додаткова ВІДМІННІСТЬ полягає в тому, що порожнистий корпус-акумулятор тепла оснащений проміжною змішувальною камерою, вихід з якої розташований навпроти усмоктувального отвору в робочому колесі насоса й у яку спільно відкриті вихідний патрубок щонайменше одного Пподібного байпасного трубопроводу і патрубок для підключення нагрівника до зворотної (холодної) гілки системи теплопостачання Це сприяє регулюванню температури теплоносія з урахуванням реальних потреб в опаленні в залежності від сезону, часу доби і присутності або відсутності людей в опалюваних помешканнях Четверта додаткова ВІДМІННІСТЬ полягає в тому, що порожнистий корпус-акумулятор тепла оснащений кількома П-подібними байпасними трубопроводами, щонайменше один з яких оснащений регулятором прохідного перерізу Це дозволяє регулювати витрату текучого середовища в контурі його рециркуляції щодо камер корпусаакумулятора тепла П'ята додаткова ВІДМІННІСТЬ полягає в тому, що П-подібні байпасні трубопроводи розташовані в радіальних площинах і підключені поблизу торцевих кришок корпусу Далі суть корисної моделі пояснюється докладним описом конструкції і роботи запропонованого нагрівника з посиланнями на додані креслення, де зображені на фіг 1 - гідродинамічний нагрівник текучих середовищ (подовжній розріз), фіг 2 - схема потоків рідини щодо робочого колеса насоса Гідродинамічний нагрівник текучих середовищ може бути виготовлений у широкому наборі окремих конструктивних варіантів, різних за вихідною потужністю, габаритними розмірами і КІЛЬКІСТЮ ДОПОМІЖНИХ вузлів і деталей Однак незалежно від конструктивного виконання всі нагрівники ВІДПОВІДНО до корисної моделі мають наступні частини (див фіг 1) проточний порожнистий корпус-акумулятор 1 тепла з патрубками 2 і 3 для підключення ВІДПОВІДНО до напірної (гарячої) і зворотної (холодної) гілок системи теплопостачання, що розділений поперечною перегородкою 4 на дві камери, які сполучені щонайменше через один П-подібний байпасний трубопровід 5, що звичайно розташований у радіальній площині і підключений переважно поблизу торцевих кришок зазначеного корпуса 1, щонайменше одноступінчатий відцентровий насос 6 для нагнітання текучого середовища, що нагрівається, установлений усередині тієї камери корпуса 1, що оснащена щонайменше одним пат 1423 рубком 2 для підключення до напірної гілки системи теплопостачання, і електродвигун 7 з герметичним корпусом, що жорстко прикріплений до перегородки 4 усередині другої камери корпуса-акумулятора 1 тепла і встановлений з практично рівномірним зазором щодо стінок цієї камери Робочий вал цього електродвигуна 7 пропущений крізь отвір у перегородці 4 щонайменше по ковзній посадці і жорстко зв'язаний з валом робочого колеса насоса 6 (а в оптимальному випадку безпосередньо служить валом цього колеса) Для зручності виготовлення, монтажу й експлуатації доцільно, щоб порожнистий корпусакумулятор 1 тепла мав круглий поперечний перетин і щоб його геометрична вісь збігалася з геометричними осями робочого колеса відцентрового насоса 6 і ротора електродвигуна 7 Якщо патрубок 3 для підключення корпусаакумулятора 1 тепла до зворотної гілки системи теплопостачання приєднаний до камери, де розташований електродвигун 7, то поперечна перегородка 4 повинна мати щонайменше один перфораційний отвір 8 для перепуску текучого середовища, що нагрівається, з «насосної» камери в камеру «з двигуном» На практиці бажано мати не менше двох-трьох таких отворів 8, що, як правило, розташовані концентрично геометричній осі вала електродвигуна 7 на рівних кутових відстанях один від одного Якщо ж патрубок 3 для підключення корпусаакумулятора 1 тепла до зворотної гілки системи теплопостачання приєднаний до камери, де розташований відцентровий насос 6, то бажано оснастити цю «насосну» камеру проміжною змішувальною камерою 9 Вихід ІЗ неї звичайно розташований навпроти усмоктувального отвору в робочому колесі насоса 6 і в неї повинні бути спільно відкриті вихідний патрубок щонайменше одного П-подібного байпасного трубопроводу 5 і згаданий патрубок З Якщо порожнистий корпус-акумулятор 1 тепла оснащений кількома, зокрема, розташованими в різних радіальних площинах П-подібними байпасними трубопроводами 5, то щонайменше один з них (а за бажанням - усі) оснащують регулятором 10 прохідного перетину І, нарешті, слід зазначити, що в зверненій до електродвигуна 7 частини робочого колеса насоса 6 (див фіг 2) можуть бути виконані щонайменше два протилежні розвантажувальні отвори 11, що повинні стабілізувати тиск текучого середовища на вході в камеру «з двигуном» корпуса-акумулятора 1 тепла Описаний гідродинамічний нагрівник текучих середовищ працює у такий спосіб Після монтажу, підключення до системи опалення і/або гарячого водопостачання і заповнення всіх порожнин гідравлічної системи обраним текучим середовищем включають електродвигун 7 Робоче колесо насоса 6 при обертанні створює 8 підвищений тиск на периферії і знижений тиск у центральній частині (див ВІДПОВІДНІ стрілки на фіг 2) ВІДПОВІДНО текуче середовище з відносно низьким напором входить у порожнину робочого колеса насоса 6 і виходить з неї під тиском, достатнім для роботи на будь-якому з можливих режимів Так, у режимі запуску, коли весь заповнений текучим середовищем об'єм гідродинамічного нагрівника відключений від системи опалення, турбулізоване (і, зокрема, кавітуюче) текуче середовище циркулює «в малому контурі», переходячи з «насосної» камери крізь отвір 8 і/або через кільцевий зазор між валом електродвигуна 7 і стінкою ВІДПОВІДНОГО отвору в перегородці 4 в камеру "з двигуном", обтікаючи корпус електродвигуна 7 з відбором тепла і повертаючись крізь щонайменше один П-подібний байпасний трубопровід 5 у зону усмоктування робочого колеса насоса 6 Після досягнення заданої вихідної температури нагрівник через патрубки 2 і 3 з'єднують з системою опалення У цьому основному робочому режимі лише незначна частина текучого середовища циркулює через описаний малий контур, а більша його частина витискається насосом 6 через напірний патрубок 2 у систему опалення і, охолонувши, повертається через патрубок 3 або прямо в зону усмоктування насоса 6, або в змішувальну камеру 9, або безпосередньо в камеру корпусаакумулятора 1 тепла, де розташований електродвигун 7 Для вимикання нагрівника досить відключити електродвигун 7 Фахівцю зрозуміло, що наведені приклади здійснення корисної моделі і типовий опис роботи не вичерпують усі конкретні конструкції і всі можливі аспекти застосування гідродинамічного нагрівника і ніяким чином не обмежують обсяг прав винахідника Дійсно, усі частини нагрівника, що контактують з навколишнім середовищем, повинні мати підхожу теплоізоляцію, яка умовно не показана і не позначена на фіг 1, поперечні розміри «насосної» камери і камери «з двигуном», як це, зокрема, і показано на фіг1, можуть бути неоднаковими і залежати від конкретних поперечних розмірів робочого колеса насоса 6 і корпуса електродвигуна 7 і від бажаної сумарної теплоємності нагрівника, на патрубках 2 і 3 можуть бути установлені власні крани і/або вентилі, які, заради спрощення, не показані і не позначені на фіг 1, патрубки 2 і 3 можуть мати ДОВІЛЬНІ ПІДХОЖІ засоби для з'єднання з ВІДПОВІДНИМИ гілками системи опалення, причому зворотний патрубок 3 може бути підключений або до «насосної» камери, або до камери «з двигуном», як це показано на фіг 1, у блоці з нагрівником може бути постачений (з ВІДПОВІДНОЮ трубопровідною обв'язкою) додатковий бак-акумулятор нагрітого теплоносія, який використовують у нічний час для накопичення тепла, а вдень - для його віддачі 10 1423 злив з системи опалення до системи опалення t\ повернення з системи опалення (варіант) Фіг. 1 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71