Способ нагрева жидкости и устройство для его осуществления

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Республиканское государственно-общественное объединение Белорусское добровольное пожарное общество(72) Авторы Астапов Валерий Петрович Жидович Анатолий Иосифович Михальченя Станислав Францевич(73) Патентообладатель Республиканское государственно-общественное объединение Белорусское добровольное пожарное общество(57) 1. Способ нагрева жидкости, включающий последовательные воздействия на нее с образованием вихревого движения, разрывом сплошности и преобразованием в однородную двухфазную среду, отличающийся тем, что воздействия совмещают во времени с наложением звуковых и ультразвуковых колебаний, причем все воздействия осуществляют одним источником в виде подвижного дискообразного рабочего органа с закрепленными в нем упругими элементами. 13948 1 2010.12.30 2. Теплогенератор, содержащий корпус, стенки которого замкнуты кольцевой перемычкой, а внутри установлен подвижный дискообразный рабочий орган, отличающийся тем, что между боковой поверхностью дискообразного рабочего органа и внутренней поверхностью кольцевой перемычки образован зазор, в котором радиально установлены упругие элементы, закрепленные в дискообразном рабочем органе, при этом площадь заполнения зазора упругими элементами составляет 10-60 . Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в теплоснабжении при обогреве зданий и сооружений, а также производстве горячей воды. Известен способ нагрева жидкости 1, в соответствии с которым жидкость подается в зону обработки, где на нее воздействуют одновременно постоянным и переменным давлением. Наложение пульсирующего переменного давления на постоянное приводит к возникновению кавитации и последующему нагреву. Кавитация связана с разрывом сплошности жидкой среды и появлением полостей, заполненных паром, газом или их смесью. Разрыв сплошности среды обусловлен тем, что жидкость,легко перенося очень большие сжатия, крайне чувствительна к растягивающим усилиям. В данном способе в момент времени, когда сумма амплитуды переменного давления и давления насыщенных паров жидкости превышает сумму статического давления и прочности жидкости на разрыв, в разрыве сплошности среды образуется кавитационный пузырек. В следующий отрезок времени положительная полуволна переменного давления стремится ликвидировать пузырек. В момент ликвидации кавитационных пузырьков стенки их приобретают кинетическую энергию и сталкиваются в центре с выделением энергии, преобразующейся в тепло, отводимое из зоны нагрева. Таков механизм нагрева жидкости (воды) с помощью кавитации в этом способе. Способ реализуется с помощью устройства, содержащего две или более соединенные последовательно рабочие камеры, в каждой из которых установлены рабочие колеса центробежного насоса с закрепленными на периферии колес обечайками в виде перфорированных колец. Коаксиально обечайкам в корпусах рабочих камер закреплен статор,выполненный также в виде перфорированного кольца. Рабочие камеры сообщены между собой посредством диффузоров. Последняя рабочая камера соединена с первой камерой циркуляционным контуром. Наличие ряда рабочих камер, соединенных последовательно между собой, приводит к тому, что рабочие колеса и распределительная сеть с нагревательными приборами испытывают разрушающее воздействие кавитации при схлопывании пузырьков на их поверхностях. Это снижает ресурс работы устройства и делает его малопригодным для применения в системах теплоснабжения. Кроме того, часть жидкости, подаваемой рабочим колесом центробежного насоса на решетку обечайка-статор, протекает в осевом направлении в зазоре между обечайкой и статором и не участвует в процессе производства тепла. Это приводит к тому, что эффективность способа остается низкой. Известны способ нагрева жидкости и устройство для его осуществления, наиболее близкие по технической сущности к предлагаемому и принятые в качестве прототипа 2. Этот способ включает образование в ограниченном объеме вихревого движения жидкости с разрывом сплошности и преобразованием ее в однородную двухфазную среду. При этом разогрев жидкости проводят в два этапа. На первом этапе доводят скорость движения жидкости до 8-12 м/с, а на втором этапе добиваются тангенциальной скорости движения, превышающей 12 м/с. При достижении такого значения тангенциальной скорости степень разогрева жидкости превышает температуру ее парообразования. Способ реализуется с помощью устройства, которое содержит герметичную емкость,заполненную жидкостью. В емкости установлены две дискообразные стенки, соединенные кольцевой обечайкой. Между внутренними поверхностями стенок размещен на приводном валу дискообразный рабочий орган. Поверхность рабочего органа снабжена завихри 2 13948 1 2010.12.30 телями. На внешней поверхности одной из дискообраных стенок установлен торовый завихритель. Работает устройство следующим образом. Жидкость через входной патрубок попадает вначале в зазор между дискообразным органом и внутренними поверхностями дискообразных стенок, приобретает вихревое движение и нагревается до температуры фазового перехода. Образовавшаяся однородная двухфазная среда дополнительно подогревается с помощью торового завихрителя и через патрубок отвода выдается потребителю. Недостатки способа нагрева жидкости, принятого за прототип, связаны с низкой эффективностью, обусловленной раздельным двухступенчатым нагревом. При последовательном двухступенчатом нагреве потери всегда будут выше, чем при одноступенчатом. Недостатки устройства напрямую связаны с недостатками способа. Кроме того, подвижный дискообразный рабочий орган сложен в изготовлении. Выполнение на его торцовых поверхностях завихрителей является трудоемкой и затратной операцией. Цель настоящего изобретения состоит в повышении эффективности преобразования вихревой энергии в тепловую, упрощении конструкции устройства и снижении трудоемкости его изготовления. Задачи, поставленные изобретением, достигаются тем, что в известном способе нагрева жидкости, включающем последовательные воздействия на нее с образованием вихревого движения, разрывом сплошности и преобразованием в однородную двухфазную среду,указанные воздействия совмещают во времени с наложением звуковых и ультразвуковых колебаний, причем все воздействия осуществляют одним источником в виде подвижного дискообразного рабочего органа с закрепленными в нем упругими элементами. Способ реализуется с помощью устройства (теплогенератора), содержащего корпус, стенки которого замкнуты кольцевой перемычкой, а внутри установлен подвижный дискообразный рабочий орган таким образом, что между его боковой поверхностью и внутренней поверхностью кольцевой перемычки образован зазор, в котором радиально установлены упругие элементы, закрепленные в дискообразном рабочем органе, при этом площадь заполнения зазора упругими элементами составляет 10-60 . Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен вид теплогенератора в разрезе, на фиг. 2 - вид спереди на рабочий орган, на фиг. 3 - фрагмент рабочего органа с креплением упругого элемента. Теплогенератор состоит из герметичного корпуса 1, стенки которого замкнуты кольцевой перемычкой 2. Внутри корпуса на валу 3 установлен подвижный рабочий орган 4,приводимый во вращение от электродвигателя 5. В корпусе выполнены отверстия 6 и 7 для подвода и отвода жидкости. Направление движения жидкости в теплогенераторе показано стрелками. На боковой поверхности рабочего органа установлены упругие элементы 8,закрепленные с помощью болтов 9. На торцевой поверхности рабочего органа закреплены лопатки 10 подачи жидкости. Для сбора жидкости в корпусе выполнена кольцевая полость 11. Упругие элементы представляют собой, например, пучок стальных проволок или отрезок стального троса. Работа теплогенератора, позволяющего реализовать заявленный способ нагрева жидкости, осуществляется следующим образом. При включении электродвигателя 5 и заполненном жидкостью (например, водой) теплогенераторе лопатки 10 сообщают жидкости кинетическую энергию и обеспечивают ее движение. Жидкость попадает на упругие элементы 8. При быстром вращении за каждым элементом возникают разрыв сплошности и отрывное течение, в котором образуются зона пониженного давления и кавитационные пузыри. Кроме того, каждый упругий элемент при движении в потоке изгибается и совершает возвратно-поступательные и колебательные движения с большой частотой. Упругие элементы колеблются с различными частотами. В целом при вращении упругие элементы генерируют широкий спектр частот от звуковых до ультразвуковых. Колебания упругих элементов также способствуют развитию интенсивной кавитации. Возникает кавитационное кипение жидкости, при котором запасенная энергия переходит в тепловую, поглощается жидкостью, повышая ее температуру. Нагретая жидкость выводится из теплогенератора через отверстие 7. 3 13948 1 2010.12.30 В дальнейшем нагретая жидкость может использоваться для целей отопления и горячего водоснабжения. Применение предлагаемой конструкции теплогенератора позволяет повысить энергетическую эффективность преобразования кинетической энергии движущегося потока жидкости в теплоту. Способ нагрева жидкости по прототипу характеризуется следующими воздействиями- образование вихревого движения и разрыв сплошности, причем эти воздействия происходят последовательно друг за другом. Предлагаемый способ нагрева также характеризуется образованием вихревого движения и разрывом сплошности, но дополнительно жидкость испытывает воздействие звуковых и ультразвуковых колебаний, причем все воздействия совмещены во времени. Это обстоятельство позволяет добиться максимальной эффективности нагрева. Быстрое вращение рабочего органа с установленными на нем упругими элементами приводит к возникновению гидродинамической кавитации в зоне разрыва сплошности за каждым упругим элементом. Вращение рабочего органа вызывает колебания упругих элементов, приводящие к возникновению акустической кавитации. В фазе разрежения звуковой волны создается низкое давление, способствующее образованию кавитационных пузырьков. Оба процесса - гидродинамическая и акустическая кавитации - совмещаются во времени и выполняются с помощью одного устройства, элементы конструкции которого, создающие вихревое движение, являются одновременно и генераторами звуковых и ультразвуковых колебаний. Эффективность нагрева жидкости зависит от количества упругих элементов,установленных на роторе. Экспериментально зарегистрирована пороговая площадь заполнения кольцевого зазора в свету упругими элементами, при которой устройство начинает работать эффективно. Она составляет 10 . Увеличение площади заполнения свыше 60 повышает гидравлическое сопротивление кольцевого зазора и приводит к сокращению расхода жидкости через него. Трудоемкость изготовления ротора с упругими элементами в виде пучка стальных проволок или отрезка троса значительно ниже, чем изготовление ротора с завихрителями по прототипу. Источники информации 1. Патент 2054604 1, МПК 624 3/00,21 1/00. 2. Патент 2242684 1, МПК 724 3/00. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4