Гідродинамічний теплогенератор

Реферат: Гідродинамічний теплогенератор містить корпус з порожниною, виконаною у вигляді зрізаного конуса, до меншої основи якого примикає циліндрова камера, а до більшої основи установлене на валу з можливістю обертання під дією приводу лопатеве робоче колесо (активатор), осьовий всмоктуючий вхідний патрубок з відбивачем потоку рідини, подавальний вихідний патрубок, відповідно до корисної моделі, активатор виконаний у вигляді набору дисків на циліндровій маточині із закріпленими між ними під кутом ″φ″ пластинчастими лопатями і розміщений в циліндровій частині порожнини корпусу з радіальним зазором "S1", а відбивач потоку встановлений з кільцевим зазором "S2" щодо меншої основи зрізаного конуса порожнини корпусу. UA 87276 U (12) UA 87276 U UA 87276 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до теплотехніки, зокрема до нагрівальних пристроїв, що працюють на принципі нагріву рідини за рахунок вихрових і кавітаційних процесів, що відбуваються в ній, і може бути використана в системах опалення та гарячого водопостачання будівель і споруд, а так само для нагріву, практично будь-яких рідких середовищ без утворення накипу, властивого стандартним методам нагріву. З рівня техніки широко відомі методи нагрівання робочих середовищ, засновані на зміні їх фізико-механічних параметрів, що супроводжуються виділенням теплової енергії, які, наприклад, знайшли застосування в теплогенераторах для нагріву рідких робочих середовищ: ["Теплогенератор механический" RU 2188365 C1 (Назырова Н.И., RU, Леонов М.П., RU) F24J3/00, 27.08.2000] [1]; ["Вихревой теплогенератор гидросистемы" RU 2279018 C1 (Бритвин Л.Н., RU) F24J3/00, 27.06.2004] [2]; ["Кавитационно-вихревой нагреватель" RU2283460 C2 (Космыкин В.И., RU) F24J3/00, 10.09.2006] [3]. Застосування механічної дії на робоче середовище, що нагрівається, дозволяє понизити витрати на отримання теплової енергії. Проте приведені конструкції теплогенераторів не дозволяють суттєво інтенсифікувати процес перетворення механічної енергії в теплову. З рівня техніки відомий найбільш близький до заявленого за призначенням, сукупності загальних ознак і технічним результатом, що досягається, гідродинамічний теплогенератор, що містить корпус з порожниною, виконаною у вигляді зрізаного конуса, до меншої основи якого примикає циліндрова вихрова камера з відбивачем потоку, лопатеве робоче колесо відцентрового типу, встановлене в порожнині корпусу на валу з можливістю обертання під дією приводу, осьовий всмоктуючий вхідний патрубок для підведення початкового робочого середовища і подавальний вихідний патрубок для відведення нагрітого робочого середовища ["Гідродинамічний теплогенератор" UA 47920 U (Подолян С.Ф., UA) F24J3/00, 05.10.2009, найбільш близький аналог-прототип] [4]. Перевага цього пристрою перед відомими пристроями, полягає у застосуванні прискорення потоку робочого середовища і посиленні ефекту кавітації за рахунок кругової циркуляції робочого середовища в результаті відцентрової дії на неї лопатевого робочого колеса і формування потоку в конічній порожнині корпусу від більшого діаметра до меншого діаметра і по спіралі до подавального вихідного патрубка для відведення нагрітої рідини. Це дозволяє підвищити ефективність нагріву робочого середовища без збільшення потужності приводу і діаметра лопатевого робочого колеса. Незважаючи на деякі технічні переваги перед аналогічними пристроями, цей теплогенератор також має суттєві недоліки, обумовлені недосконалістю його конструкції. Наприклад, вихрове робоче колесо не забезпечує істотного перепаду тиску від центру до периферії і перешкоджає самовільному розкручуванню робочого середовища в конічній порожнині корпусу із за виступаючих ребер лопатевого робочого колеса, тим самим зменшуючи швидкість руху обертового потоку поза зоною робочого колеса, а значить і ефективність формування природної взаємодії прямого та зворотного потоків, що призводить до різкого зниження процесу кавітації у зустрічних турбулентних потоках. Так само негативно позначається дія ребер лопатевого колеса, що виступають, на механічну зносостійкість матеріалу робочого колеса в турбулентних потоках середовища, що обертається та нагрівається. В результаті прямого механічного контакту середовища, що нагрівається, і ребер лопатевого робочого колеса, також знижується термін служби пристрою в цілому. Це не дозволяє в максимальній мірі реалізувати можливості пристрою для того, щоб підвищити ефективність перетворення кінетичної енергії вихрового потоку в теплову енергію робочого середовища. Технічною задачею, на вирішення якої спрямована корисна модель, є удосконалення гідродинамічного теплогенератора шляхом виконання корпусу і відбивача таким чином, щоб їх конструкції дозволяли б винести лопатеве робоче колесо із зони зворотної дії обертового вихрового потоку середовища, що нагрівається, підвищити ефективність лопатевого робочого колеса із збільшенням перепаду тиску потоку від центральної частини до периферії. Це створить умови для формування найбільш ефективного вихрового обертання середовища, що нагрівається, без поворотного впливу на лопатеве робоче колесо, а також суттєве підвищення швидкості обертання вихрового потоку середовища, що нагрівається, без збільшення навантаження на вал приводу, що різко підвищить ефективність пристрою в цілому. 1 UA 87276 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Технічний результат, який досягається при вирішенні поставленої технічної задачі і використанні корисної моделі, полягає в підвищенні ефективності перетворення кінетичної енергії вихрового потоку в теплову енергію робочого середовища. Поставлена задача вирішується, а технічний результат досягається тим, що в гідродинамічному теплогенераторі, що містить корпус з порожниною, виконаною у вигляді зрізаного конуса, до меншої основи якого примикає циліндрова камера, а до більшої основи установлене на валу з можливістю обертання під дією приводу лопатеве робоче колесо (активатор), осьовий всмоктуючий вхідний патрубок з відбивачем потоку рідини, подавальний вихідний патрубок, відповідно до корисної моделі, активатор виконаний у вигляді набору дисків на циліндровій маточині із закріпленими між ними під кутом «φ» пластинчастими лопатями і розміщений в циліндровій частині порожнини корпусу з радіальним зазором "S 1", а відбивач потоку встановлений з кільцевим зазором "S2" щодо меншої основи зрізаного конуса порожнини корпусу. Причому, зазор "S3" між дисками активатора визначається товщиною пластин, яка складає 0,25-5 мм. Крім цього, кількість дисків активатора вибирається з необхідної витрати рідини, що прокачується, і визначається в кількості не менше трьох. В свою чергу, кут нахилу пластинчастих лопатей «φ» визначається необхідним значенням перепаду тиску активатора від о центру до периферії і знаходиться в діапазоні 10-60 щодо радіальних осей дисків активатора. У зв'язку з тим, що активатор винесений з вихрової порожнини і виконаний у вигляді пакета пластин з розташованими між ними пластинчастими лопатями, вихровий потік середовища, що нагрівається, не робить істотного зворотного впливу на активатор, що сприяє вільному зростанню швидкості обертового потоку середовища від більшого діаметра вихрової робочої камери до меншого, без зворотного гальмуючого впливу активатора на прискорений потік середовища. Конструкція активатора у вигляді пакета дисків з розміщеними між ними пластинчастими лопатями в зв'язку із малим зазором між дисками активатора дозволяє забезпечувати ламінарний потік між дисками від осі активатора до периферії, підвищити перепад тиску між всмоктувальними отворами і периферією активатора, а також уникнути впливу кавітаційних процесів на матеріал самого активатора. Згадані удосконалення конструкції гідродинамічного теплогенератора забезпечують підвищення ефективності перетворення кінетичної енергії вихрового потоку в теплову енергію робочого середовища. Гідродинамічний теплогенератор має і додаткові істотні відмінності, які розвивають і/або уточнюють вищенаведену сукупність головних суттєвих ознак корисної моделі, ознаками, що характеризують її лише в конкретних випадках виконання і використання. До додаткових ознака корисної моделі належать такі ознаки. У гідродинамічному теплогенераторі, згідно з корисною моделлю, активатор виконаний у вигляді набору дисків на циліндровій маточині із закріпленими між ними під кутом «φ» пластинчастими лопатями і розміщений з радіальним зазором "S1" щодо циліндрової частини порожнини корпусу. Таке виконання і компонування активатора забезпечують оптимальне формування вихрового потоку робочого середовища без поворотного впливу прискореного потоку на активатор, мінімальний знос матеріалу активатора, а також найбільш ефективне відцентрове прискорення і відцентрову швидкість середовища, що нагрівається, для ефективного перетворення кінетичної енергії вихрового потоку в теплову енергію. У гідродинамічному теплогенераторі, згідно корисної моделі, зазор між дисками "S3" вибирається в діапазоні 0,25-5 мм, кількість дисків визначає величину витрати рідини, що прокачується через активатор, кут нахилу «φ» пластин активатора визначає величину перепаду тиску від центру до периферії активатора і становить величину від 10 до 60 градусів відносно радіальних осей дисків активатора. Виконання активатора такої конструкції і з таким співвідношенням геометричних параметрів забезпечує оптимальні умови для формування швидкообертального вихрового потоку робочої рідини від більшого діаметра вихрової камери до меншого діаметра, зменшенням поворотного впливу прискореного потоку робочого середовища на активатор, а також підвищенням температури потоку робочого середовища та енергетичних характеристик теплогенератора в цілому. Надалі корисна модель пояснюється прикладом її здійснення з посиланнями на додані креслення, на яких на фіг. 1 зображено гідродинамічний теплогенератор, загальний вигляд, поздовжній розріз; на фіг. 2 - активатор, вид зверху; на фіг. 3 - активатор, переріз А-А на фіг. 2. Гідродинамічний теплогенератор містить (фіг. 1) корпус 1 з порожниною 2, виконану у вигляді зрізаного конуса, до меншої основи якого примикає циліндрова заспокійлива камера 3, відбивач 4 потоку робочого середовища, встановлений біля меншого діаметра зрізаного конуса вихрової камери 5, активатор (лопатеве робоче колесо) 6 відцентрового типу, встановлений в 2 UA 87276 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 циліндровій камері 7 корпусу 1, що примикає до більшого діаметра зрізаного конуса порожнини 2, на валу 8 з можливістю обертання під дією приводу 9, осьовий всмоктуючий вхідний патрубок 10 для підведення початкового робочого середовища та подавальний вихідний патрубок 11 для відводу нагрітого робочого середовища. Особливістю гідродинамічного теплогенератора є те, що активатор 6 (фіг. 2, 3) виконаний у вигляді набору дисків 12 на циліндричній маточині 13 із закріпленими між ними під кутом «φ» пластинчастими лопатями 14, зазор між дисками визначається товщиною пластин "S 3", яка залежить від типу робочого середовища, що нагрівається, і вибирається з розрахунку формування ламінарного потоку між пластинами активатора. Активатор 6 розміщений всередині циліндрової частини 7 корпусу 1 з радіальним зазором "S 1". Товщина лопатевих пластин і зазорів "S3" між дисками активатора вибирається з діапазону 0,25-5 мм. Кількість дисків 12 активатора вибирається з необхідної витрати рідини, що прокачується, і визначається в кількості не менше трьох. Кут «φ» нахилу пластинчастих лопатей визначається необхідним о значенням перепаду тиску активатора від центру до периферії і лежить в діапазоні 10-60 щодо радіальних осей дисків активатора. На корпусі 1 з боку приводу 9 закріплений фланець 15, через отвір, в якому пропущений вал 8, установлений в підшипниках 16, закріплених в обоймі 17, з'єднаної з фланцем 15 і забезпеченою ущільненням 18. Працює гідродинамічний теплогенератор наступним чином. При включенні приводу 8, вал 8 і активатор 6 набирають необхідну кількість обертів і починають обертатися з постійною розрахунковою кутовою швидкістю, в результаті чого по осі лопатевого робочого колеса 6 створюється розрідження. Робоче середовище із всмоктуючого вхідного патрубка 10 рухається до лопатевого робочого колеса 6, що обертається, і під дією відцентрових сил набуває розрахункового відцентрового прискорення і кутову швидкість. Далі потік робочого середовища потрапляє в порожнину 2 корпуса 1, утворюючи вихровий потік, який з наростаючою швидкістю по порожнині 2, що звужується, досягає відбивача потоку шайби 4 і відбиваючись повертається до активатора 6, при цьому більш гаряча периферійна частина потоку, що знаходиться біля стінок камери 2, виходить за відбивач 4 в заспокійливу камеру 3 і через подавальний патрубок 11 до споживачів, а більш холодна внутрішня частина вихрового потоку, вдаряючись об відбивач 4 перетворює кінетичну енергію обертання в теплову, не йде через кільцевий зазор "S2" у заспокійливу камеру 3, а утворює торовидний обертовий потік всередині камери 2 і частково зворотний обертовий потік, що тече до отвору всмоктування активатора 5. Нагріта периферійна частина потоку робочого середовища проходить через кільцевий зазор "S2" за відбивач 4 потоку в заспокійливу камеру 3, де в результаті розширення тиск нагрітого робочого середовища зменшується, вирівнюється і стає рівним номінальному тиску, необхідному для циркуляції середовища в системі споживання (системі опалення або системі гарячого водопостачання) і через подавальний вихідний патрубок 11 надходить до споживача. Повернувшись із системи споживання, оборотний охолоджений потік робочого середовища через всмоктуючий вхідний патрубок 10 надходить у гідродинамічний теплогенератор, змішується з утвореною протитечією від відбивача робочого середовища в центральній частині вихрової камери 5 і прямує в лопатеве робоче колесо. Далі цикл нагріву повторюється. Пропонований гідродинамічний теплогенератор може бути використаний в системах опалення та гарячого водопостачання будівель і споруд, а також для нагріву, практично будьяких рідких середовищ без утворення накипу, притаманною стандартним методам нагріву. Наведені відомості підтверджують можливість його промислового використання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Гідродинамічний теплогенератор, що містить корпус з порожниною, виконаною у вигляді зрізаного конуса, до меншої основи якого примикає циліндрова камера, а до більшої основи установлене на валу з можливістю обертання під дією приводу лопатеве робоче колесо (активатор), осьовий всмоктуючий вхідний патрубок з відбивачем потоку рідини, подавальний вихідний патрубок, який відрізняється тим, що активатор виконаний у вигляді набору дисків на циліндровій маточині із закріпленими між ними під кутом ″φ″ пластинчастими лопатями і розміщений в циліндровій частині порожнини корпусу з радіальним зазором "S 1", а відбивач потоку встановлений з кільцевим зазором "S2" щодо меншої основи зрізаного конуса порожнини корпусу. 3 UA 87276 U 5 2. Гідродинамічний теплогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що зазор "S3" між дисками активатора визначається товщиною пластин, яка складає 0,25-5 мм. 3. Гідродинамічний теплогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що кількість дисків активатора вибирається з необхідної витрати рідини, що прокачується, і визначається в кількості не менше трьох. 4. Гідродинамічний теплогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що кут нахилу пластинчастих лопатей ″φ″ визначається необхідним значенням перепаду тиску активатора від о центру до периферії і знаходиться в діапазоні 10-60 щодо радіальних осей дисків активатора. 4 UA 87276 U Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 5