Нагрівач рідини

1. Нагрівач рідини, що складається зі статора, що має циліндричну порожнину, через яку пропускають рідину, що нагрівається, а також із уставленого з зазором у цю порожнину ротора, що скла дається з циліндра, який приводиться в обертання, з насадженим на нього металевим ободом, що має множину радіальних заглиблень на його зовнішній поверхні, який відрізняється тим, що заглиблення в ободі виконані у вигляді наскрізних отворів у ньому, при цьому поверхня циліндра виконує функцію денець радіальних заглиблень у роторі. 2. Нагрівач за п. 1, який відрізняється тим, що в ободі поверхня конічна. Корисна модель належить до теплотехніки, зокрема до пристроїв для одержання тепла, що утворюється інакше, чим у результаті спалення палив, і може бути використана 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 рух в судині з рідиною. До такого відноситься, наприклад, пристрій, описаний в А.С. СРСР №1627790 (МПК 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 менше одиниці. Але відомі й пристрої для нагрівання рідин, у яких ефективність нагрівання вище. Одним із таких пристроїв з'явилася "гідросонна помпа", що описана в патенті США №5 188 090 (МПК F24C9/00), автора J.L. Griggs, опублікованому 23.02.1993. Цей пристрій складається зі сталевого статора, що має циліндричну порожнину, у яку вставлено із зазором монолітний циліндричний алюмінієвий ротор, закріплений на валі, що приєднується до електродвигуна. Циліндрична поверхня ротора усіяна множиною поглиблень, що мають діаметр -10 мм і висвердлені на глибину, приблизно рівну діаметру цих поглиблень. Цей пристрій працює таким чином. У порожнину статора подають воду, що підлягає нагріванню. Вона протікає по зазорі між статором і ротором і виходить із протилежної сторони в трубопровід для відводу нагрітої води до споживача. 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 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 патенті США № 5 188 090, є те, що монолітний ротор цього пристрою необхідно виготовляти з дорогої великогабаритної заготівлі. Після часткового зносу зовнішньої робочої поверхні цього ротора припадає виготовляти новий із такої ж великовагової заготівлі або відновлювати поверхню старого наплавленням із наступним шліфуванням, що теж не дешево. Іншою хибою є те, що при роботі такого пристрою значна частина вироблюваного тепла йде по металу ротора на вал, що призводить його в обертання, а по валу - до підшипників і сальників, перегріває їх і губиться. Найбільше близьким до що заявляється відомим технічним рішенням (прототипом) є нагрівач рідини, описаний у патенті України №62731 А (МПК F24 J 3/00) автора Фоминського Л.П., опублікованому в Бюл. №12 за 2003 р. Цей пристрій складається з металевого статора, що має закриту кришками циліндричну порожнину, CM со 4342 через яку пропускають що нагрівається рідину У центрі кришок є осьові отвори, у яких на підшипниках установлено вал, що приєднується до електродвигуна На цьому валі закріплено ротор, який уставлено з зазором ~0,5мм у порожнину статора При цьому ротор складає із циліндра (барабана) з матеріалу, що теплоізолює, (наприклад, текстолита) і насадженого на нього металевого обща (відрізка товстостінної труби) На ЗОВНІШНІЙ циліндричній поверхні металевого обща ротора є множина радіальних поглиблень із діаметром d, що складає 5-1 Омм, які висвердлені на глибину h, що не перевищує їхній діаметр Описаний відомий пристрій працює таким чином У порожнину статора подають воду, що підлягає нагріванню Вона протікає по зазорі між статором і ротором і виходить із протилежної сторони в трубопровід для відводу нагрітої води до споживача 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 Наявність між валом і металевим обідом ротора циліндра з матеріалу, що теплоізолює, істотно зменшує відхід тепла з ротора на вал, що не тільки веде до зменшення втрат тепла, але і запобігає перегрів ПІДШИПНИКІВ, на яких установлений вал Крім того, після зносу робочої поверхні металевого обіда немає необхідності заміняти весь ротор Замість цього при ремонті знімають із циліндра (барабана) зношений обід і заміняють його новим Це полегшує ремонт і веде до економії металу Хибою описаного відомого пристроюпрототипу є те, що ефективність нагрівання робочої рідини (відношення КІЛЬКОСТІ вироблюваної теплової енергії до механічної або електричної енергії, споживаної пристроєм) не у всіх примірниках таких знову виготовлених пристроїв надається високої Причину цього довго не могли з'ясувати Нарешті, у книзі [Фоминский Л П Роторные генератори дарового тепла Сделай сам Черкассы ОКО-Плюс, 2003, 346с] було дане пояснення процесам, що відбуваються в радіальних поглибленнях на циліндричній поверхні ротора У книзі звернена увага на те, що крім завихрення робочої рідини в зазначених поглибленнях, при швидкому обертанні ротора відцентрові сили намагаються викинути воду з цих поглиблень на поверхні ротора Але стовп води в поглибленнях утримується за рахунок сил змочування водою їхньої металевої поверхні Протиборство цих двох сил призводять до розрідження в рідині поблизу денець поглиблень При цьому поблизу денець виникають кавітаційні пухирці, які обумовлюють розірвання стовпа води в поглибленнях Під дією відцентрових сил стовп води, що відірвався від дна поглиблення, який був до того в напруному 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 такому пристрої, описані в книзі [Фоминский Л П Роторные генератори дарового тепла Сделай сам - Черкассы ОКО-Плюс, 2003, 346 с ] Книга підписана до друку 27 10 2003 Вона є в Державній бібліотеці їм Вернадського у Київі У цій книзі показаної, зокрема, що процеси в радіальних поглибленнях ротора, що ведуть до нагрівання робочої рідини, сильно залежать від глибини цих поглиблень h Навіть при незначних (~0,1мм) відхиленнях цієї глибини від оптимальної для даного тиску робочої рідини і для даної робочої температури ефективність нагрівання істотно зменшується А при виготовленні поглиблень на поверхні ротора методом свердлення розкид глибин множини поглиблень звичайно складає більш ніж 0 1мм Виявлення такої залежності змушує звернути особливу увагу на підвищення точності глибини свердлення поглиблень А це потребує істотного підвищення витрат на свердлення настільки великої КІЛЬКОСТІ поглиблень при виготовленні ротора Запропонованою корисною моделью вирішується задача зниження витрат на виготовлення і ремонт ротора, а також задача підвищення стабільності й ефективності роботи нагрівача рідини за рахунок змінення форми отворів на поверхні ротора Для досягнення цієї задачи у відомому нагрівачі рідини, що складає зі статора, що має циліндричну порожнину, через яку пропускають що нагрівається рідину, а також із уставленого з зазором у цю порожнину ротора, що складає з циліндра, приводимого в обертання, із насадженим на нього металевим обідом, що має множину радіальних поглиблень на його ЗОВНІШНІЙ поверхні, поглиблення в обіді виконані у виді наскрізних отворів у ньому, при цьому поверхня циліндра виконує функції денець радіальних поглиблень у роторі Крім того, для досягнення зазначеного технічного результату поверхня обіду ротора виконана конічною Виконання радіальних поглиблень на поверхні обіду ротора у виді наскрізних радіальних отворів дозволяє при виготовленні ротора не піклуватися про точність глибин свердлення цих отворів і виключити брак при виготовленні ротора Тому що після насадження такого обіду з наскрізними радіальними отворами на циліндр ротора, зовнішня поверхня якого виконує функції денець радіальних поглиблень у роторі, усі ці поглиблення автоматично надаються абсолютно однакової глибини, якщо обидві поверхні обіду циліндричні Якщо ж одна (зовнішня або внутрішня) поверхня обіду виконана конічною, те після насадження такого обіду на циліндр, у якого зовнішня поверхня має такий же ріг конусності щодо осі, як у що сполучається з ній внутрішньої поверхні обіду, радіальні поглиблення на поверхні ротора надаються різної глибини, яка поступово зростає або зменшується в міру переміщення від одного краю ротора до іншого Але всі поглиблення, розташовані на одній і тій же окружності, що охоплює поверхню ротора, мають абсолютно однакову глиби 4342 ну. Таке виконання ротора корисно для випадку, коли нагрівам рідини експлуатується не при чітко заданих незмінних розмірах тиску Р и температури Т що нагрівається рідини, а при змінах цих параметрів Р и Т у деякому діапазоні, що частіше усього потрібно на практиці. Тоді рекомендується при виготовленні ротора запропонованого нагрівача рідини вибирати найменшу глибину гн радіальних поглиблень на його поверхні рівної оптимальної для роботи при найменшому тиску Рі і найбільшій температурі Тг цього діапазону, а найбільшу глибину гіг радіальних поглиблень на поверхні ротора - рівної оптимальної для роботи при найбільшому тиску Рг і найменшій температурі Ті цього діапазону. Тоді при зміні тисків і температури що нагрівається рідини в ході роботи запропонованого пристрою в заданих межах від Рі до Рг і від Ті до Тг збільшується навантаження на радіальні поглиблення, розташовані з одного краю ротора, і зменшується навантаження на радіальні поглиблення, розташовані з іншого краю ротора. У цілому ж ротор продовжує успішно працювати з високою ефективністю у всьому діапазоні обраних тисків і температур. Все це забезпечує підвищення стабільності й ефективності роботи нагрівача рідини. На фіг. 1 приведено креслення запропонованого нагрівача рідини з циліндричним ротором, обід якого з наскрізними радіальними отворами насаджений на металевий циліндр-трубу, ізольовану від вала чопом, що теплоізолює. На фіг. 2 приведено фрагмент креслення запропонованого нагрівача рідини з циліндричним ротором, обід якого з наскрізними радіальними отворами має конічну внутрішню поверхню і насаджено на металевий циліндр із конічною зовнішньою поверхнею, ізольований від вала чопом, що теплоізолює. На фіг. З приведено креслення запропонованого нагрівача рідини з ротором, обід якого з наскрізними радіальними отворами має конічну зовнішню поверхню і насаджено на металевий циліндр, ізольований від вала диском, що теплоізолює. На тієї ж фіг. З угорі приведено вирив із цього креслення, який показує шлях проходження що нагрівається рідини через нагрівач. На фіг. 4 приведено графіки з книги [Фоминский Л.П. Роторные генератори дарового тепла. Сделай сам. - Черкассы: ОКО-Плюс, 2003, 346 а ] , по яких рекомендується підбирати глибину h отворів у роторі (або товщину обіду ротора) для роботи запропонованого нагрівача рідини при нагріванні води з конкретними її тисками і температурами при діаметрі ротора 300 мм і швидкості його обертання 3000 об/хв. Відомості, що підтверджують можливість здійснення корисної моделі. Нагрівач рідини, схема якого приведена на фіг. 1, складається з корпуса 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 гумовому або тефлонового джгута ущільнення 4 за допомогою стягуючих шпильок 5. У центральні отвори кришок 3 вставлені і прива рені герметичним швом чопи 6, що служать опорами для підшипників 7, на яких установлений сталевий вал 8. Його ущільнено сальниками 9, що притискаються стаканами 10 і пружинами 11. На вал 8 зі шпонкою 12, насаджено циліндричний ротор. Він складає з обіду 13, виточеного з відрізка труби з вуглецева!' сталі або з іншого металу або сплаву, що добре змочується водою. Обід 13 щільно насаджено (наприклад, напресовано або надіто із клейєм) на металевий циліндр (трубу) 14 із такого ж металу. Циліндр 14, у свою чергу, насаджено із клейєм на чіп (барабан) 15 із матеріалу, що теплоізолює, (наприклад, із текстолита, склотекстолита або з дерева), який надягнуто на вал 8. Ротор закріплено на валі 8 за допомогою шайби 16 і гайки 17. Зовні підшипники 7 закриті кришками, 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 Dr вибирають у залежності від роду металу або сплаву, із якого виготовлений його обід 13, і від максимальної швидкості обертання вала 8, що розвивається використовуваним двигуном, із тим, щоб максимальні напруги розтягу, що виникають у металі обіду 13 від дії відцентрових сил, не перевищували припустимих умовами тривкості для даного матеріалу. У той же час рекомендується досягати при роботі пристрої гранично припустимих напруг для даного матеріалу обіду 13. Тоді робота нагрівана рідини найбільше ефективна. Зазор між обідом ротора 13 і внутрішньою поверхнею циліндричної порожнини в статорі 1 складає 0,5-1 мм. В обіді ротора 13 є множина наскрізних радіальних отворів 18 із діаметром 5-20мм. Рекомендується, щоб діаметр d цих отворів був у 1,5-2 рази більше їхньої глибини h, яка дорівнює товщині обіду 13. Глибину h отворів в обіді 13 (або товщину обіду) рекомендується підбирати за допомогою графіків, приведених на фіг. 4 у залежності від конкретних робочих тисків і температур що нагрівається рідини. Отвори 18 розташовані рівномірно по циліндричній поверхні обіду 13 із кроком між ними, що складає 2,5-3 діаметра отвору. Кількість радіальних отворів в обіді ротора залежить від потужності двигуна, що призводить вал 8 в обертання, і береться тим більшою, чим потужніше двигун. Для нагрівача рідини невеличкої потужності рекомендується розміщати радіальні отвори в обіді лише уздовж однієї окружності, що охоплює ротор. Для більш потужних нагрівачів рідини рекомендується розміщати радіальні отвори в обіді уздовж декількох окружностей, що охоплюють ротор і відстоять друга від друга на крок, більший двох діаметрів такого отвору. Чим більше потужність двигуна, що призводить ротор в обертання, тим більше повинно бути кількість таких окружностей з отворами уздовж них. У верхній частині кришок 3 є різьбові отвори 19, у які вгвинчують штуцери трубопроводів для подачі і відводу рідини, яка нагрівається в що описується пристрої. 4342 Пристрій, зображений на фіг. 1, постачено теплообмінником для попереднього підігріву робочої рідини, подаваної в робочий зазор між ротором 13 і статором 1. Теплообмінник складається з кожуха рідинної сорочки 20, привареного до корпуса статора 1 зовні, вхідного патрубка 21 і вихідного 22, який з'єднано трубопроводом із вхідним штуцером 23 в однієї з кришок 3 що описується пристрою. На фіг 2 показано фрагмент пристрою, описаного вище і зображеного на фіг 1, при виконанні що сполучаються поверхонь обіду 13 і циліндра 14 конічними, а не циліндричними. На цьому кресленні як приклад здійснені конкретні графічні побудови для ротора, що має зовнішній діаметр Dr = 300мм і 5 рядів отворів в обіді 13 із діаметром 7мм кожний. Мінімальна глибина hi радіальних поглиблень, що утворюються, у роторі тут - 3,5мм, максимальна П2 - 6мм. Цьому по графіках на фіг. 4 відповідає інтервал температур Т в нагрівачі рідини, при яких він при нагріванні води при нормальному (1 ата) атмосферному тиску Р буде працювати з ефективністю, більшої одиниці, у межах від 45 до 80°С. Для обертання такого ротора зі швидкістю 3000 об/хв потрібен двигун із потужністю до 25 кВт. Нагрівам рідини, схема якого приведена на фіг. З, складає з циліндричного статора 1, прикріпленого шпильками до зварного корпуса нагрівача 24 із привареним до нього вхідним патрубком 25. У статорі 1 не всі отвори для шпильок зайняті шпильками, а через одне. Вільні від шпильок отвори використовуються для проходу по ним що нагрівається рідини, як це показано на вирив/ угорі фіг. 3. Корпус нагрівача 24 кріпиться до опорної стійки 26, що утримує чепцевий вузол 27 і підшипники, на яких установлено вал 8, який приєднують до двигуна, що призводить його в обертання. На різьбовий кінець вала 8 нагвинчена ступиця 28, до якої прикльопано диск, що теплоізолює, 29 із текстолита. На диск 29 нагвинчено на різьбленні сталевий циліндр 14, на який напресовано сталевий обід 13. До торця статора 1 притиснуто несучий диск теплообмінника ЗО із привареним до нього вихідним патрубком 31. Запропонований пристрій для нагрівання рідини працює таким чином. При виконанні пристрою у виді, зображеному на фіг. 1, у вхідний патрубок 21 подають за допомогою циркуляційного насоса, приєднаного до цього патрубка, рідину, що підлягає нагріванню. Ця рідина перед подачею її у робочий зазор між статором 1 і обідом ротора 13 проходить через рідинну сорочку, утворену зовнішньою поверхнею статора 1 і привареним до неї кожухом теплообмінника 20. Отут вона нагрівається в рідинній сорочці теплом, що йде зі статора 1, і надходить через патрубок 22 і штуцер 23 у зазор між статором 1 і обідом ротора 13 уже попередньо підігрітою. Це дозволяє, поперше,знизити втрати тепла з корпуса статора 1 у навколишнє повітря, у друге, попередній підігрів робочої рідини до температур, лише трохи менших необхідної температури остаточного її нагрівання, підвищує стабільність роботи запропонованого пристрою й ефективність нагрівання їм рідини. Заповнивши пристрій, вона випливає з нього по 8 трубопроводі, що приєднується до отвору 21 у кришці 3, і надходить або до споживача тепла, або в судину-накопичувач що нагрівається рідини. Після заповнення внутрішньої порожнини статора запропонованого пристрою рідиною включають двигун (електромотор, дизель або ін.), приєднаний до вала 8, який приводить його в обертання. Чим вище швидкість обертання, тим вище ефективність роботи запропонованого пристрою і тім швидше здійснюється нагрів рідини в ньому. Максимальна швидкість обертання обмежена не тільки можливостями використовуваного двигуна, але і тривкістю матеріалу ротора, схильного при обертанні впливу відцентрових сил. Рідина, подавана в усередину описаного пристрою, надходить у зазор між поверхнею порожнини в статорі 1 і ротором. При обертанні ротора відбувається завихрення і вспінювання рідини в поглибленнях 18. При цьому в поглибленнях 18 виникають ультразвукові коливання в рідині, точно так само, як виникає свист повітря в перфорації ротора звукової сирени при його обертанні. Крім завихрення рідини в зазначених поглибленнях, при швидкому обертанні ротора відцентрові сили намагаються викинути її із поглиблень 18 на поверхні ротора. Але стовп рідини в них утримується за рахунок сил змочування нею металевої поверхні поглиблення. Протиборство цих двох сил призводять до розрідження в рідині поблизу денець поглиблень. При цьому поблизу денець виникають кавітаційні пухирьці, що обумовлює розірвання стовпа рідини в цих поглибленнях. Під дією відцентрових сил стовп рідини, що відірвався від дна поглиблення, 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 рідині відбувається, відповідно до законів термодинаміки, трансформація механічної енергії в теплову, що і призводить до нагрівання рідини. Крім того, у кавітаційних пухирцях при резонансному посиленні їхніх ультразвукових коливань відбуваються періодичні стиснення парогазовой суміші, що веде до локального нагрівання її у центрі пухирців до температур, що 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. - Кишинёв-Черкассы: "ОКО-Плюс", 2000, -387 с ] і [Фоминский Л.П. Как работает вихревой теплогенератор Потапова. Черкассы: "ОКО-Плюс", 2001, -112 с ] . Все це супроводжується виділенням тепла, що йде на нагрыв рідини в запропонованому пристрої. 4342 Іспити дослідного зразка пристрою, зображеного на фіг. 1 і приводимого в обертання електродвигуном із установленою потужністю 15 кВт, показали, що в порівнянні з аналогічними пристроями, що мають ротор із висвердленими на його поверхні радіальними поглибленнями, підвищується стабільність роботи цих пристроїв і спостерігаються зростання середньої в часу ефективності нагрівання цими пристроями робочої рідини (відношення виробленої теплової енергії до затраченої на це електричній енергії) на 5-10%. Пристрій, зображений на фіг. З, працює майже так само, як і описане вище пристрій, зображений на фіг. 1. Напрямок прямувань що нагрівається З 21 20 І 10 рідини в цьому пристрої показано стрілками на фіг. 3. Іспити зразка пристрою, зображеного на фіг. З і приводимого в обертання електродвигуном із установленою потужністю 15 кВт, показали, що він працює стабільно в заданому діапазоні змін тисків і температури що нагрівається рідини в межах від Рі=1 ата до Рг=1,5 ата і від Т-і= 50°С до Т2=90°С, у той час, як такий ж пристрій, що має циліндричну, а не конічну поверхню ротора і однакову глибину h поглиблень на поверхні ротора, стабільно працює лише в 4 разу більш вузькому діапазоні тисків і температур. 5 15 ІВ ФІГ. 1 22 11 4342 12 ! Р В % 2 %2 Фіг. 2 /_ \Ф1 № 36 !М8. 15 4342 16 Фіг. 4 залежності робочої температури І воді* від глибини h рміапьиик іюгяибяень на роторі що мав радгус R * 15D ьш і б ЭО0О ЗД Комп'ютерна верстка М. Клюкін Підписне Тираж 37 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м Київ - 4 2 , 01601