Теплогенератор-водопідіймач без споживання електричної енергії і пального

Реферат: UA 88309 U UA 88309 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до систем опалення і може ефективно використовуватися для виробництва й постачання гарячої води. Найбільш близьким по сукупності ознак є тепловий генератор [1], що не споживає зовнішньої електричної енергії і використовує в роботі гідротаран, який має живильну трубу, де здійснюється гідроудар, відбійний та нагнітальний клапани, повітряний ковпак, нагнітальну трубу, напірний бак. Відомий пристрій утворює тепло за допомогою звичайного теплового насоса і використовує гідротаран для постачання робочої речовини, а також для обертання турбогенератора, виробляючого електроенергію для живлення насоса, що переміщує холодоагент від випарника-теплообмінника до конденсатора-теплообмінника, в якому вода нагрівається. Недоліком прототипу є те, що енергія гідроудару не використовується для відбору, підйому і постачання гарячої води до споживача. Другим недоліком прототипу є невелика теплова потужність теплогенератора (1 квт), що є наслідком великих втрат енергії при багаторазовому її перетворенні: енергія гідроудару в гідротарані перетворюється в потенційну енергію напору води, яка, в свою чергу, перетворюється в механічну обертальну енергію турбогенератора, в якому енергія перетворюється в електричну, а остання за допомогою насоса - в механічну для переміщення холодоагенту в тепловому насосі. Втрати енергії при кожному перетворенні за рахунок сил тертя, а також невеликий коефіцієнт корисної дії теплового насоса, приводить до невеликої теплової потужності прототипу. В основу корисної моделі поставлена задача - створити теплогенератор-водопідіймач, в якому, без електроенергії і теплового насоса, енергія гідроудару в гідротарані безпосередньо використовується для виробництва гарячої води без зайвих втрат теплової енергії, а також для постачання гарячої води споживачу. Поставлена задача вирішується тим, що теплогенератор-водопідіймач без споживання електричної енергії і пального містить гідротаран, який має живильну трубу, відбійний та нагнітальний клапани, повітряний ковпак, нагнітальну трубу, напірний бак, згідно з корисною моделлю, в гідротаран додатково введено водонапірний резервуар, з'єднувальну трубу, клапанпереривач водного потоку, причому клапан-переривач і нагнітальний клапан з'єднують між собою жорсткою конструктивною зв'язкою, півсферичний кавітатор, який встановлюють біля клапана-переривача всередині живильної труби, клапан надмірного тиску і повітряний клапан, які встановлюють у повітряному ковпаку, ємність з рухомим толоком, які використовують для регулювання швидкості потоку води на вході живильної труби, кран споживача, який встановлюють в напірному баку. Блок-схема теплогенератора-водопідіймача в повздовжньому розрізі зображена на фіг. 1, де відтворено режим розгону водного потоку, формування кавітаційної парогазової каверни та підйому і постачання гарячої води споживачу, а фіг. 2 - режим теплоутворення. Звичайний гідротаран це водопідйомний пристрій, в якому для підйому води використовується енергія гідравлічного удару [2]. Гідроудар виникає, коли в трубопроводі швидко гальмується запірним пристроєм потік рідини і супроводжується різким підвищенням тиску рідини. Велику енергію гідроудару в гідротарані можна використовувати не тільки для підіймання води, а й для її кавітаційного нагрівання. Для цього за допомогою гідроудару утворюється велика (критична) швидкість потоку води, який обтікає кавітатор, при якій статичний тиск в гідротарані знижується до тиску насиченої пари й починається кавітація утворення парогазових бульбашок і каверн. Якщо ці кавітаційні відтворення зруйнувати в гідротарані високим тиском води, буде виділятися велика кількість тепла і температура води, а також її тиск підвищаться, що підтверджується багатьма дослідженнями [3-6]. Теплогенератор-водопідіймач без споживання електричної енергії і пального складається з водонапірного резервуара 1, з'єднувальної труби 2, гідротарана 3, який має клапан-переривач 4 потоку води; нагнітальний клапан 5; жорстку конструктивну зв'язку 6 між вказаними клапанами; живильну трубу 7 гідротарана; відбійний клапан 8; півсферичний кавітатор 9, який розташований на вході живильної труби посередині її поперечного перерізу і кріпиться до неї за допомогою чотирьох сполучених з живильною трубою стрижнів (на фіг. 1 не зображені); повітряний ковпак 10; нагнітальну трубу 11; напірний бак 12; кран споживача 13; ємність з рухомим толоком 14; клапан надмірного тису повітря 15; повітряний клапан 16, призначений для поповнення повітрям повітряного ковпака. Розглянемо послідовно роботу корисної моделі. Живильний водонапірний резервуар 1 встановлюється в будь-якій водоймі і використовується, як і в пересічному гідротарані [2], для постачання водою гідротарана 3, усування з води піни, повітря й механічних домішок за допомогою сітки-цідила (на фіг. 1 не зображена і встановлюється на вході з'єднувальної труби 2), а також для здійснення постійного 1 UA 88309 U 5 напору води висотою h  1 на вході живильної труби 7 гідротарана. На початку роботи клапанм переривач 4 і відбійний клапан 8 відчинені і вода під невеликим напором рухається з живильного водонапірного резервуара 1 крізь з'єднувальну трубу 2 в живильній трубі 7 з невеликою швидкістю (приблизно в 1 м/с) крізь відкритий клапан-переривач 4, частково виливається крізь відчинений відбійний клапан 8 і гальмується у кінці живильної труби 7, де утворюється гідроудар і тиск підвищується. Цій тиск визначається формулою Жуковського [7, 8]: Рв  vC , 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 (1) де  - густина води, v - швидкість потоку, C  1333 м / с - швидкість ударної хвилі. Якщо прийняти швидкість потоку v  1 м / с , тиск ударної хвилі буде дорівнювати приблизно 10 атм, 6 або 10 Па. Відбита від кінця живильної труби 7 перша ударна хвиля високого тиску з великою швидкістю С рухається в зворотному напрямі і високим тиском зачиняє відбійний клапан 8. Тому вода більш не виливається з живильної труби 7, доходить до клапана-переривача 4 й високим тиском зачиняє його, водночас відчиняючи нагнітальний клапан 8, тому що клапани 4 і 5 мають жорстку зв'язку між собою. У зачиненого клапана-переривача 4 вхідний потік води гальмується, а крізь відчинений нагнітальний клапан 5 ще холодна вода під тиском заходить у повітряний ковпак 10 і утворює у верхній його частині великий тиск повітря, як це відбувається в будь-якому гідротарані. Завдяки дії цього тиску на воду в ковпаку, нагнітальний клапан 5 зачиняється і вода по нагнітальній трубі 11 підіймається в напірний бак 12. Увесь час, коли нагнітальний клапан 5 був відчинений, клапан-переривач 4 закритий і гальмує потік води на вході живильної труби 7, де підвищується тиск. Відомо [2], що різке зменшення швидкості потоку в гладких трубах з 1 м/с 6 до нуля, підвищує тиск приблизно на 10 атм або до 10 Па. Враховуючи це, і застосував рівняння Бернуллі [7, 8], можна знайти швидкість розгінного потоку, який потече крізь відчинений клапан-переривач 4. Ця швидкість становить 31 м/с й перевищує критичне значення (~17 м/с), при якому починається кавітація (число кавітації прийнято   0,3 ) [3-6, 10]. Після відкриття клапана-переривача 4, швидкісний потік, який рухається в живильній трубі 7, спочатку обтікає півсферичний кавітатор 9, за яким утворюється велика парогазова каверна еліпсоїдної форми 17 [3-5,10]. Тиск у каверні 17 дорівнює невеликому тиску насиченої пари. У цій час тиск в кінці живильної труби 7 низький і відбійний клапан 8 відчинений, тому вода вільно витікає з нього і швидкість потоку не зменшується. Коли швидкісний потік дійде до кінця живильної труби 7, він загальмується, статичний тиск води підвищиться і зачинить відбійний клапан 8. Відбита ударна хвиля почне пересуватися з великою швидкістю С в ліву частину живильної труби 7 і значним тиском Pв (1) зруйнує (затрісне) парогазову каверну 17. При цьому буде виділятися велика кількість тепла і вода нагріється [3-6]. В наступну мить великий тиск ударної хвилі відчинить нагнітальний клапан 5 і зачинить клапан-переривач 4. Крізь нагнітальний клапан 5 вода під тиском буде підійматися в повітряний ковпак 10, де у верхній його частині тиск повітря значно підвищиться. Цій тиск, давлячи на воду в ковпаку 10, зачинить нагнітальний клапан 5 і буде підіймати вже гарячу воду по нагнітальній трубі 11 в напірний бак 12 до споживачів, поки тиск в ковпаку не зменшиться до мінімального. Увесь час, поки нагнітальний клапан 5 зачинений, клапан-переривач 4 відчинений і крізь нього новий швидкісний потік тече в живильній трубі 7, обтікає кавітатор 9, створює за ним нову парогазову каверну 17, витікає крізь відчинений відбійний клапан 8, гальмується в кінці живильної труби, відбивається від неї, а створена при цьому нова ударна хвиля тече в зворотному напрямі, закриває відбійний клапан 8, руйнує каверну 17, зачиняє клапан-переривач 4, відчиняючи нагнітальний клапан 5. Тобто далі робота теплогенератора-водопідіймача повторюється багаторазово. За час поки гаряча вода заходить у ковпак 10 і створює там тиск, достатній для закриття нагнітальногоклапана 5, вхідний потік води гальмується у зачиненого клапана-переривача 4, де тиск підвищується. Щоб цій тиск не був дуже значним і не відчинив до підвищення тиску в ковпаку 10 клапан-переривач 4, зачинивши цим і нагнітальний клапан 5, необхідно збільшити рухомим толоком об'єм регулюючої ємності 14. Подібні пристрої, так звані зрівнювальні ємності, використовують в різних гідросистемах для зменшення сили гідроудару [7,8]. Об'єм споживаної гарячої води регулюється краном споживача 13. Надмірно великий тиск повітря в ковпаку 10 може розірвати його [2]. Щоб ліквідувати цю загрозу, використовується клапан надмірного тиску 15, який автоматично відчиняється при збільшені повітряного тиску вище допустимого і зачиняється, коли тиск зменшиться до допустимого. Під тиском води в ковпаку 10 частина повітря розчиняється у воді [2]. Для поповнення повітря, в нижній частині ковпака 10 встановлюється клапан 16. При находжені в ковпак води, клапан 16 зачиняється, а 2 UA 88309 U 5 коли рівень води в ковпаку знижується нижче цього клапана і тиск повітря в ковпаку поменшить нижче атмосферного за рахунок розчиненого в воді повітря, клапан 16 автоматично відчиняється атмосферним тиском і повітря заходить у ковпак 10. Розрахунок очікуваної теплової потужності і масової продуктивності теплогенератораводопідіймача Головною характеристикою теплогенератора-водопідіймача є вихідна теплова потужність N. Для її розрахунку використовують співвідношення для енергії Е [4,10], яка утворюється при адіабатному руйнуванні кавітаційних утворень (бульбашок або каверн): E  (P  Pk )Vk , (2) 10 в якому P - тиск води у поверхні каверни, Pк - тиск насиченої пари всередині каверни 17, Vк - об'єм каверни в мить її руйнування. Якщо цю енергію (2) поділити на час (період) Т одного циклу роботи теплогенератора-водопідіймача, знайдемо співвідношення для теплової потужності: 15 N  (P  Pk )Vk / T (3) Тиск P фронту ударної хвилі, який руйнує каверну, враховуючи тиск Pв (1) і коефіцієнт загасання k тиску в трубі 7, дорівнює: P  kuC , (4) 20 де u - швидкість потоку в живильній трубі 7 після відкриття клапана-переривача 4, 3   103 кг/м - густина води. Коефіцієнт k дорівнює відношенню тиску фронту ударної хвилі 25 30 біля поверхні каверни в мить її руйнування P до тиску Pв (1) в мить її відбиття від кінця труби 7 й може приймати значення від нуля до 1. Як показує аналіз відомих досліджень [5-7], k для турбулентного потоку води, яка тече в гладкій живильній трубі діаметром D1  0,12 м і довжиною L  2м , дорівнює приблизно 0,6. Враховуючи мінімальні значення середніх швидкостей u  17 м / с , С  1000 м / с й прийнявши k  0,6 можна знайти тиск P(4) , який буде дорівнювати P  10,2  10 6 Па. Розрахунок об'єму Vk каверни 17 еліпсоїдальної форми розглядається в роботах [3,9]. Він дорівнює: Vk  SkLk , (5) де Sk - найбільша площина поперечного перерізу каверни, L k - її довжина й визначаються за формулами: 35 Sk   D2 2 ; Lk   1 1 2Dk  (6, 7) Прийнявши діаметр півсферичного кавітатора D2  4 см, а число кавітації   0,3 , отримуємо з співвідношення (6): Sk  2,68  10 3 м , звідки найбільший діаметр поперечного перерізу каверни Dk  5,8 см. З формули (7) знайдемо довжину каверни Lk  0,21 м, а з (5) - її 2 40 об'єм V  0,56  10 3 м . Період Т, або час повного циклу роботи теплогенератора-водопідіймача, визначимо, як суму послідовних відрізків часу: 3 T  t1  t 2  t 3 , 45 (8) де t1 - час руху швидкісного потоку води в живильній трубі 7 з моменту відкриття клапанапереривача 4 до закриття відбійного клапана 8, тобто до гідроудару в кінці живильної труби 7, й 3 UA 88309 U складається з тривалості руху швидкісного потоку L клапана 8 tk : t1  L  tk ; u 5 і тривалості спрацьовування відбійного (9) t 2 - час руху відбитої від кінця живильної труби 7 ударної хвилі L спрацьовування нагнітального клапану tn : t 2  L  tn ; C 10 u C , включаючи тривалість (10) t 3 - час нагнітання гарячої води в повітряний ковпак 10 і її переміщення в напірний бак 12, включаючи тривалість зачинення нагнітального клапана 5 tn . Розрахунок швидкості руху води у повітряному ковпаку для пересічного гідротарана [2] дає середнє значення v k  0,25 C . Якщо висоту підняття води у повітряному ковпаку прийняти h1  0,5 м , то час t 3 можна визначити з співвідношення: t 3  2h1 k  tn . (11) 15 Враховуючи співвідношення (8-11), знайдемо тривалість періоду роботи теплогенератораводопідіймача для мінімальних значень швидкостей u  17 м / с , С  1000 м / с і часу 20 25 спрацьовування клапанів tk  tn  0,02c : T  0,188 . Слід сказати, що малий час T циклу роботи модифікованого гідротарана в зрівнянні з пересічним [2], пояснюється високою швидкістю розгінного потоку, який утворюється гальмуванням потоку в живильній трубі у зачиненого клапана-переривача 4, тобто за рахунок зменшення тривалості руху розгінного потоку t1 . Більшу тривалість буде мати лиши першій цикл роботи винаходу, швидкість потоку якого встановлюється напором h . Значення усіх параметрів, які входять до формули потужності (3) знайдені, тому, підставляючи їх, отримаємо: N  30,4 кВт. Другою важною характеристикою винаходу є її масова продуктивність: Qm , T 30 (12) тобто маса гарячої води, яка може постачатися за 1 секунду споживачу в напірний бак 12. Для цього спочатку знайдемо масу m води, яка переміститься в напірний бак за середній час зниження тиску повітря у повітряному ковпаку 10: t 0  h1 k m  kSt 0 (13) В співвідношенні (13) S  0,78  10 2 м - площа прохідного перерізу нагнітального клапана 4,  - коефіцієнт втрат швидкості на тертя води об поверхні нагнітального клапана 4, повітряного ковпаку 10 й нагнітальній трубі 11. Враховуючи відомі дані про гідравлічні опори тертя [2,6,7], коефіцієнт втрат швидкості для висоти під йому води Н = 5 м можна прийняти   0,4 . Підставлення у формули (12, 13) усіх знайдених величин, позволяє підрахувати можливу масову продуктивність корисної моделі: Q  8,3 кг / с . 2 35 40 Усі розрахунки виконані для найменших значень швидкостей u , C ,  k , a також тиску P , тому і знайдені вихідні характеристики теплогенератора-водопідіймача - теплова потужність N і масова продуктивність Q можуть бути меншими реальних. Але і розраховані вихідні характеристики теплогенератора-водопідіймача можуть задовольнити в теплопостачанні гарячою водою реального споживача, особливо в гірських місцевостях, де відсутнє 4 UA 88309 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 електропостачання і гідротарани використовують для підйому води [2]. Підвищення теплової потужності і масової продуктивності теплогенератора-водопідіймача можливо за рахунок збільшення діаметра і довжини живильної труби, діаметрів клапанів і кавітатора, а також збільшення об'єму повітряного ковпака. Корисна модель може бути технічно реалізована з використанням існуючих конструктивних елементів і матеріалів. Враховуючи високий тиск в живильній трубі 7 і в ковпаку 10 гідротарана, ці елементи повинні виготовлятися з твердої сталі і мати підвищену товщину стінок. Клапанпереривач 4 повинен бути нормально відчиненим, тобто завжди відчиненим на початку роботи в недіючому стані, зв'язаний жорсткою зв'язкою з нормально зачиненим нагнітальним клапаном 5. Щоб теплова потужність теплогенератора-водопідіймача не була меншою, ніж визначена, тривалість спрацьовування усіх клапанів, включаючи відбійний, повинна бути не більшою ніж 0,02 с Така тривалість спрацьовування у багатьох стандартних клапанів, які використовуються в різних гідросистемах [2,11]. Півсферичний кавітатор 9 виготовляється зі сталі, а на його торцеву плоску поверхню наноситься анті ерозійне покриття, наприклад, алюмінієва бронза [6]. Таке покриття збереже на довгий термін кавітатор від кавітаційної ерозії. Усі інші елементи теплогенератора-водопідіймача не мають при виготовлені специфічних особливостей. Джерела інформації: 1. Патент РФ №2374564, МПК F24D11/02, опубл. 04.06.2008 2. Овсепян М.В. Гидравлический таран и таранные установки. - М.: Машиностроение, 1968. 123 с. 3. Пристол И. Кавитация. - М.: Мир, 1975. - 211с. 4. Brenen Cristopher E. Cavitation and Babble Dynamics. - New York, Oxford: Oxford University Press, 1995. - 282 p. 5. Рождественский B.B. Кавитация. - Л.: Судостроение, 1977. - 247 с. 6. Арзуманов Э.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. - М.: Энергия, 1978. - 303 с. 7. Скворцов Л. С, Долгочев Ф.Н., Викулин П.Д., Викулина В.Б. Гидравлика систем водоснабжения и водоотведения. - М.: Архитектура-С, 2008. - 256 с. 8. Нефедов Ю.И., Стороженко В.О. Гідрогазодинаміка. - Харків: ХНУРЕ, 2011. - 73 с. 9. Биркгоф Г., Сарантонелло Э… Струи, следы и каверны. - М.: Мир, 1964. - 465 с. 10. Пронтов М.А. Пульсирующие аппараты роторного типа: теория и практика. - М.: Машиностроение, 2001. - 260 с. 11. Техмаркет. Запорно-регулирующая арматура. - СПб.: б.и., 2009. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Теплогенератор-водопідіймач без споживання електричної енергії і пального, що містить гідротаран, який має живильну трубу, відбійний та нагнітальний клапани, повітряний ковпак, нагнітальну трубу, напірний бак, який відрізняється тим, що в гідротаран додатково введено водонапірний резервуар, з'єднувальну трубу, клапан-переривач водного потоку, який розташовують на вході живильної труби, клапан-переривач і нагнітальний клапан з'єднують між собою жорсткою конструктивною зв'язкою, півсферичний кавітатор, який встановлюють біля клапана-переривача всередині живильної труби, клапан надмірного тиску й повітряний клапан, які встановлюють в повітряному ковпаку, ємність з рухомим толоком, які використовують для регулювання швидкості потоку води на вході живильної труби, кран споживача, який встановлюють в напірному баку. 5 UA 88309 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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 6