Способ нагревания жидкости и устройство для его осуществления

 

Изобретение предназначено для нагревания жидкости путем ее обработки с помощью механического воздействия. Способ и устройство для нагревания жидкости посредством воздействия механических колебаний включают ее подачу в полость рабочего колеса, выпуск жидкости в кольцевую камеру, образованную рабочим колесом и статором, через ряд выходных отверстий рабочего колеса и отвод жидкости из кольцевой камеры. При этом соблюдаются эмпирические соотношения R = (1,05 - 1,28)K (мм), ΔR = (1,05 - 1,28) В (мм) и n = (3,6 - 4,1)K^-1,5·10⁶ (об/мин), где R - радиус периферийной поверхности рабочего колеса; ΔR - радиальный размер кольцевой камеры; n - частота вращения рабочего колеса; К - количество выходных отверстий рабочего колеса; В - целое число в интервале 1 - К/2. Изобретение позволяет повысить эффективность процесса генерации тепла. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 4 ил., 2 табл.

Изобретение относится к средствам получения и использования тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания, и непосредственно касается способа и устройства для нагревания жидкости путем ее обработки с помощью механического воздействия. Изобретение может быть широко использовано во многих отраслях промышленности в тех многочисленных случаях, когда требуется нагревание жидкости, в частности, для целей теплофикации передвижных и относительно небольших стационарных объектов, сопутствующего нагревания жидкости при ее перекачивании, совмещенного нагревания в различных технологических процессах и т.п.

В технике общеизвестен эффект нагревания жидкости в результате неизбежного или сопутствующего механического воздействия на нее таких сил, как, в частности, силы трения при контактировании с вмещающей средой, силы внутреннего трения при турбулизации потока, силы, возникающие при гидравлических ударах и кавитации. Энергия, затраченная при этом на нагревание жидкости, обычно рассматривается как естественные энергетические потери.

Также широко известен в технике эффект нагревания жидкости в результате умышленного, но не преследующего цель нагревания, воздействия на нее механических колебаний звукового или ультразвукового диапазона. И в этом случае энергия, затраченная на нагревание жидкости, традиционно рассматривается как неизбежные энергетические потери. В частности, из уровня техники известен эффект быстрого нагревания жидкости в устройстве типа так называемой гидравлической сирены /В.И. Биглер и др. Диспергирование некоторых материалов на аппарате типа гидравлическая сирена /В сб. научных трудов N 90 Московского института стали и сплавов "Применение ультразвука в металлургии". - М.: Металлургия, 1977, с. 73-76/. Это устройство содержит рабочее колесо, имеющее полость, сообщенную с подводящим отверстием для подачи жидкости, и ряд выходных отверстий, выполненных в его периферийной кольцевой стенке, и статор, имеющий полость с отводящим отверстием для выпуска жидкости, и ряд отверстий, выполненных в его стенке, примыкающей с минимальным зазором к периферийной кольцевой стенке рабочего колеса, при этом ряды отверстий рабочего колеса и статора расположены в одной плоскости вращения. При вращении рабочего колеса жидкость, прерывисто протекающая через отверстия в нем и в статоре, подвергается воздействию вынужденных механических колебаний определенной частоты, зависящей от частоты вращения рабочего колеса и количества его выходных отверстий. Возбуждение этих колебаний в жидкости в данном случае преследовало лишь цель диспергирования материала, содержащегося в жидкости. Тем не менее авторы отметили факт аномально быстрого нагревания жидкости, который они объяснили повышенным гидравлическим сопротивлением при перетекании жидкости из полости рабочего колеса в полость статора.

Из уровня техники известны также способ и устройство для нагревания жидкости путем ее обработки посредством механического воздействия /международная заявка N PCT/RU92/00194 от 2 ноября 1992 г. - ближайший аналог/. Они включают подачу подлежащей обработке жидкости в полость вращающегося рабочего колеса; выпуск обрабатываемой жидкости из полости рабочего колеса через ряд выходных отверстий, равномерно расположенных на его периферийной поверхности; впуск жидкости в полость статора через отверстия в его концентричной поверхности, прилегающей с минимальным зазором к периферийной поверхности рабочего колеса; при этом осуществляется периодическое резкое прерывание потока жидкости, возбуждающее механические колебания в ней. В результате такой обработки поступающая в полость статора жидкость, как установлено, нагревается в большей степени, чем это может быть объяснено суммарными гидравлическими и прочими потерями. Однако этот принципиально выявленный эффект аномального нагревания жидкости не был достаточным и стабильным для того, чтобы использовать его в практических целях с гарантированным успехом. Причина этого могла состоять в неоптимальном выборе параметров процесса, а именно частоты вращения рабочего колеса в ее взаимосвязи с его геометрическими размерами и количеством его выходных отверстий.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи создания на основе предшествующего уровня техники и собственных исследований такого способа нагревания жидкости и такого устройства для его осуществления, которые позволили бы уверенно осуществить на практике целенаправленное преобразование механической энергии в тепловую с повышенной эффективностью.

Эта задача решается согласно изобретению путем обработки жидкости с помощью механического воздействия на нее процесса вращательного движения с определенной линейной скоростью на определенном радиусе вращения с наложением колебательного процесса с определенной частотой.

Для этого в предлагаемом способе нагревания жидкости, как и в известном, осуществляются подача подлежащей обработке жидкости в полость вращающегося рабочего колеса; выпуск обрабатываемой жидкости из полости рабочего колеса через ряд выходных отверстий, равномерно расположенных на его периферийной поверхности; отвод жидкости по крайней мере через одно выпускное отверстие статора. Согласно основному воплощению изобретения, выпуск жидкости из полости рабочего колеса осуществляют в кольцевую камеру, образованную его периферийной поверхностью и концентрической поверхностью статора, причем радиус R периферийной поверхности рабочего колеса и частоту его вращения n задают в зависимости от выбранного количества К выходных отверстий рабочего колеса согласно эмпирическим соотношениям: R = (1,05-1,28) К /мм/ и n = (3,6-4,1) К^-1,5·10⁶ /об/мин/.

За пределами указанных диапазонов параметров достигаемый эффект аномального нагревания жидкости, как установлено экспериментально, выражается в недостаточной степени.

В наиболее предпочтительном воплощении способа нагревания жидкости радиус R и частоту вращения n рабочего колеса номинально задают в зависимости от выбранного количества К его выходных отверстий согласно эмпирическим соотношениям: R = 1,1614 К /мм/ и n = 3,8396 К^-1,5·10⁶ /об/мин/.

В другом предпочтительном воплощении способа нагревания жидкости отвод обрабатываемой жидкости из кольцевой камеры, образованной периферийной поверхностью рабочего колеса и концентричной поверхностью статора, осуществляют через ряд выпускных отверстий, равномерно расположенных на концентричной поверхности статора, которые при вращении рабочего колеса последовательно располагаются против его выходных отверстий.

В описанном основном воплощении способа нагревания жидкости при указанных диапазонах выбора параметров R и n принципиально достигается такая температура нагревания жидкости, которая, как установлено экспериментально, превышает температуру, достижимую лишь вследствие гидравлических и иных потерь, в такой мере и с такой стабильностью, что позволительно говорить о целенаправленном и достаточно эффективном использовании такого способа нагревания жидкости в практических целях. Возникающий позитивный итог баланса энергии можно объяснить, не претендуя на исчерпывающие полноту и точность и имея в виду закон сохранения энергии, высвобождением потенциальной энергии внутренних связей жидкости на молекулярном уровне в результате периодического инициирующего по существу механического воздействия на жидкость на определенных критических частотах и их гармониках.

В наиболее предпочтительном воплощении способа нагревания жидкости при выборе указанных номинальных величин параметров R и n, установленных экспериментально, эффект избыточного баланса энергии проявляется наиболее сильно. Другое предпочтительное воплощение способа нагревания жидкости позволяет улучшить достигаемый эффект благодаря комбинированному колебательному воздействию на жидкость сначала при ее выходе через отверстия рабочего колеса в кольцевую камеру, а затем при ее выходе из кольцевой камеры через отверстия на концентричной поверхности статора.

Способ нагревания жидкости согласно изобретению может быть осуществлен только с помощью описанного ниже устройства, которое составляет неотъемлемую часть общего изобретательского замысла.

Устройство для нагревания жидкости, как и известное, содержит ротор, включающий установленный в подшипниках вал и по крайней мере одно соединенное с валом рабочее колесо, выполненное в виде диска с периферийной кольцевой стенкой, в которой выполнен ряд выходных отверстий для жидкости, равномерно распределенных по окружности; статор с концентричной рабочему колесу стенкой, впускным отверстием для подачи жидкости, сообщенным с полостью рабочего колеса, и по крайней мере одним выпускным отверстием для отвода жидкости; средство для привода ротора с расчетной частотой вращения. Согласно основному воплощению изобретения, концентричная стенка статора образует вместе с периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса кольцевую камеру, сообщенную по крайней мере с одним отверстием для отвода жидкости, причем радиус R внешней поверхности периферийной кольцевой стенки рабочего колеса составляет R = (1,05-1,28) K /мм/ где К - выбранное количество выходных отверстий рабочего колеса, а радиальный размер ΔR кольцевой камеры составляет Δ R = (1,05-1,28) В /мм/, где B - выбранное целое число в интервале 1-K/2.

В наиболее предпочтительном воплощении устройства для нагревания жидкости радиус R внешней поверхности периферийной кольцевой стенки рабочего колеса номинально составляет R = 1,1614 К /мм/,
где К - выбранное количество выходных отверстий рабочего колеса, а радиальный размер Δ R кольцевой камеры номинально составляет
Δ R = 1,1614 К /мм/,
где B - выбранное целое число в интервале 1-K/5.

В другом предпочтительном воплощении устройства для нагревания жидкости статор имеет полость для приема жидкости из кольцевой камеры, сообщенную с выпускным отверстием для ее отвода, а в концентричной стенке статора равномерно по окружности в плоскости расположения выходных отверстий рабочего колеса выполнен ряд выпускных отверстий, сообщающих полость статора с кольцевой камерой, количество которых составляет 1-K.

Более подробно изобретение поясняется ниже на примерах его практического осуществления, иллюстрируемых схематическими чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 - продольный осевой разрез устройства для нагревания жидкости в основном и наиболее предпочтительном воплощениях;
фиг. 2, 4 - частичный поперечный разрез кольцевой камеры;
фиг. 3 - продольный осевой разрез устройства для нагревания жидкости в одном из предпочтительных воплощений.

Согласно основному воплощению /фиг. 1, 2/ способа нагревания жидкости путем ее обработки с помощью механического воздействия, подлежащая обработке жидкость подается в полость 1 вращающегося рабочего колеса 2 через входное отверстие 3. Во время вращения рабочего колеса 2 обрабатываемая жидкость выпускается из его полости 1 в кольцевую камеру 4, образованную периферийной цилиндрической поверхностью 5 рабочего колеса 2 и концентричной поверхностью 6 статора 7, через ряд выходных отверстий 8, расположенных на периферийной поверхности 5 рабочего колеса 2 и равномерно распределенных по окружности. В пределах кольцевой камеры 4 обрабатываемая жидкость, продолжая вращение относительно центральной оси 9 по закону свободного потока, подвергается воздействию механических колебаний, обусловленных взаимодействием с концентричной поверхностью 6 статора 7 элементарных потоков жидкости, истекающих из каждого выходного отверстия 8 рабочего колеса 2. Обработанная жидкость отводится из кольцевой камеры 4 через выпускное отверстие 10.

Радиус R периферийной поверхности 5 и частота вращения n рабочего колеса 2 определяются выбранным количеством К его выходных отверстий 8 в диапазоне согласно следующим эмпирическим соотношениям:
R = (1,05-1,28) K /мм/ и
n = (3,6-4,1) K^-1,5·10⁶ /об/мин/.

Согласно наиболее предпочтительному способу нагревания жидкости /фиг. 1, 2/, радиус R и частота вращения n рабочего колеса 2 номинально определяются выбранным количеством К его выходных отверстий согласно эмпирическим соотношениям:
R= 1,1614 K /мм/ и
n = 3,8396 K^-1,5·10⁶ /об/мин/.

Согласно другому предпочтительному воплощению /фиг. 3, 4/ способа нагревания жидкости, отвод обрабатываемой жидкости из кольцевой камеры 4, образованной периферийной поверхностью 5 рабочего колеса 2 и концентричной поверхностью 6 статора 7, осуществляется через одно, несколько или ряд выпускных отверстий 11 на концентричной поверхности 6 статора 7. Эти выпускные отверстия 11 кольцевой камеры 4 при вращении рабочего колеса 2 последовательно располагаются против его выходных отверстий 8, вызывая периодические возмущения потока и соответствующие механические колебания в жидкости со звуковой частотой. Прошедшая через выпускные отверстия 11 кольцевой камеры 4 жидкость поступает в полость 12 статора 7, откуда она отводится через выпускное отверстие 13.

Количество выпускных отверстий 11 кольцевой камеры 4 выбирается в пределах от одного до К, при этом учитывается, что с увеличением количества выпускных отверстий 11 при прочих равных условиях адекватно повышается объемная производительность процесса, но уменьшается температура нагрева жидкости.

Согласно основному воплощению /фиг. 1, 2/ устройства для осуществления описанного способа нагревания жидкости, оно содержит ротор 14, включающий вал 15, установленный в подшипниках 16 и 17 и снабженный уплотнением 18 Ротор 14 содержит по крайней мере одно рабочее колесо 2, соединенное с валом 15 и выполненное в виде диска 19 с периферийной кольцевой стенкой 20, имеющей цилиндрическую внешнюю поверхность 5. В этой стенке 20 выполнен ряд выходных отверстий 8 для жидкости, равномерно распределенных по окружности.

Статор 7, вмещающий рабочее колесо 2, имеет впускное отверстие 3 для подачи жидкости на обработку и выпускное отверстие 10 для отвода обработанной жидкости. Полость 1 рабочего колеса 2 для приема подлежащей обработке жидкости образована диском 19 и кольцевой стенкой 20 рабочего колеса 2, а также в данном случае примыкающей к нему стенкой 21 статора 7 с впускным отверстием 3. Кольцевая камера 4 для приема обрабатываемой жидкости ограничена в радиальном направлении кольцевой стенкой 20 рабочего колеса 2 и концентричной стенкой 22 статора 7 и сообщена с выпускным отверстием 10 для отвода обработанной жидкости.

Характерные геометрические размеры рабочего колеса 2 и кольцевой камеры 4 составляют:
R = (1,05-1,28) К /мм/ и
Δ R = (1,05-1,28) В /мм/,
где K - выбранное количество выходных отверстий 8 рабочего колеса 2,
R - радиус внешней поверхности 5 периферийной кольцевой стенки 20 рабочего колеса 2,
B - выбранное целое число в интервале 1-К/2,
Δ R - радиальный размер кольцевой камеры 4.

В наиболее предпочтительном воплощении /фиг. 1, 2/ устройства для нагревания жидкости номинальная величина радиуса R составляет
R = 1,1614 К /мм/,
а номинальный радиальный размер R составляет
Δ R = 1,1614 В /мм/,
где B - выбранное целое число в интервале 1-К/5.

Согласно другому предпочтительному воплощению /фиг. 3, 4/ устройства для нагревания жидкости, статор 7 имеет полость 12, примыкающую к его концентричной стенке 22, для приема жидкости из кольцевой камеры 4, сообщенную с выпускным отверстием 13 для отвода обработанной жидкости. Полость 12 статора 7 сообщена с кольцевой камерой 4 выпускными отверстиями 11 для выпуска жидкости из кольцевой камеры 4 и одновременно для ее впуска в полость 12 статора 7, выполненными в концентричной стенке 22 статора 7. Эти выпускные отверстия 11 находятся в плоскости расположения ряда выходных отверстий 8 рабочего колеса 2 и равномерно распределены по окружности. Количество отверстий 11 составляет от одного до K, причем их количество, большее K, нецелесообразно ввиду заметного снижения, при прочих равных условиях, теплового эффекта.

Ротор 14 соединен посредством вала 15 и муфты 23 со средством для его привода с расчетной частотой вращения, например, с электродвигателем 24.

Ротор может содержать несколько рабочих колес, установленных на одном валу, которые по потоку жидкости соединены последовательно. Каждое рабочее колесо может быть снабжено лопатками.

Приведение рабочего колеса во вращение может осуществляться как от специально предназначенного для этих целей двигателя /электрического, гидравлического, механического, ветрового и др./, так и от подвижных и в особенности вращающихся частей транспортных средств /железнодорожных вагонов и т. п./.

Может быть предусмотрен как внутренний, так и внешний перепускной канал с запорно-регулирующим органом для обратной подачи части обработанной жидкости с выхода устройства на его вход на повторную обработку.

Устройство в целом может занимать любое пространственное положение.

Количество К выходных отверстий 8 рабочего колеса 2 выбирается исходя из желаемой частоты F вынужденных колебаний, возбуждаемых в жидкости в звуковом диапазоне, которая определяется эмпирическим соотношением
F = 63,993 K^-0,5 /кГц/,
с учетом достижимых и целесообразных геометрических размеров устройства в целом.

Величина B выбирается в указанных выше пределах в зависимости от физических свойств конкретной обрабатываемой жидкости, в особенности от ее вязкости и характера изменения вязкости при нагревании, с учетом приемлемых геометрических размеров установки в целом.

Перечень видов обрабатываемой жидкости весьма обширен - это собственно жидкости от воды до углеводородных и кремнийорганических жидкостей, а также всевозможные растворы, эмульсии и суспензии на их основе, в широком диапазоне вязкости и других физико-химических свойств.

Выбор количества отверстий 11 для выпуска жидкости из кольцевой камеры 4 производится в зависимости от желаемого соотношения объемной производительности устройства и температуры нагрева жидкости.

Ширина отверстий 8 рабочего колеса 2 в окружном направлении на его периферийной поверхности 5 предпочтительно составляет половину их окружного шага на окружности радиуса R. Ширина выпускных отверстий 11 кольцевой камеры 4 в окружном направлении на ее концентричной поверхности 6, независимо от их количества, предпочтительно не должна превышать ширины выходных отверстий 8. Предпочтительна одинаковая, вытянутая в направлении, параллельном центральной оси 9, форма отверстий 8 и 11, как схематически изображено на фиг. 3.

Устройство для нагревания жидкости согласно изобретению работает следующим образом.

В основном и наиболее предпочтительном воплощениях устройства /фиг. 1, 2/ обрабатываемая жидкость подается через впускное отверстие 3 в полость 1 рабочего колеса 2 в направлении, показанном стрелкой. Ротор 14 вместе с рабочим колесом 2 приводится во вращение с помощью электродвигателя 24 через муфту 23 и вал 15 с расчетной частотой вращения n. При этом поступающая в полость 1 рабочего колеса 2 жидкость под давлением выходит из полости 1 через ряд выходных отверстий 8 в периферийной кольцевой стенке 20 рабочего колеса 2, поступая в кольцевую камеру 4, ограниченную кольцевой стенкой 20 рабочего колеса 2 и концентричной стенкой 22 статора 7. Из кольцевой камеры 4 обработанная жидкость отводится для потребления, использования или дальнейшей обработки через выпускное отверстие 10 статора 7 в направлении, показанном стрелкой.

В другом предпочтительном воплощении устройство /фиг. 3,4/ работает аналогично вышеописанному, за тем исключением, что из кольцевой камеры 4 обрабатываемая жидкость выходит в полость 12 статора 7 через ряд выпускных отверстий 11 в концентричной стенке 22 статора 7. Из полости 12 обработанная жидкость отводится для потребления, использования или дальнейшей обработки через выпускное отверстие 13 статора 7 в направлении, показанном стрелкой.

Ниже приведены конкретные примеры практической реализации соответствующих изобретению способа нагревания жидкости и устройства для его осуществления /см. таблиц 1 и 2/.

Формула изобретения

1. Способ нагревания жидкости путем ее обработки с помощью механического воздействия, включающий подачу подлежащей обработке жидкости в полость вращающегося рабочего колеса, выпуск обрабатываемой жидкости из полости рабочего колеса через ряд выходных отверстий, равномерно расположенных на его периферийной поверхности, отвод жидкости по крайней мере через одно выпускное отверстие статора, отличающийся тем, что выпуск жидкости из полости рабочего колеса осуществляют в кольцевую камеру, образованную его периферийной поверхностью и концентричной поверхностью статора, причем радиус R периферийной поверхности рабочего колеса и частоту его вращения n задают в зависимости от выбранного количества К выходных отверстий рабочего колеса согласно эмпирическим соотношениям
R = (1,05 - 1,28)К (мм) и
n = (3,6 - 4,1) К^-1,5 · 10⁶ (об/мин).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры R и n номинально задают в зависимости от параметра К согласно эмпирическим соотношениям
R = 1,1614 К (мм) и
n = 3,8396 К^-1,5 · 10⁶ (об/мин).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отвод жидкости из кольцевой камеры осуществляют через ряд выпускных отверстий, равномерно расположенных на концентричной поверхности статора, которые при вращения рабочего колеса последовательно располагаются против его выходных отверстий.

4. Устройство для нагревания жидкости путем ее обработки с помощью механического воздействия, которое содержит ротор, включающий установленный в подшипниках вал и по крайней мере одно соединеное с валом рабочее колесо в виде диска с периферийной кольцевой стенкой, в которой выполнен ряд выходных отверстий для жидкости, равномерно распределенных по окружности; статор, имеющий концентричную рабочему колесу стенку, впускное отверстие для подачи жидкости, сообщенное с полостью рабочего колеса, и по крайней мере одно выпускное отверстие для отвода жидкости; средство для привода ротора с расчетной частотой вращения, отличающееся тем, что концентричная стенка статора образует вместе с периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса кольцевую камеру, сообщенную по крайней мере с одним выпускным отверстием для отвода жидкости, причем радиус R внешней поверхности периферийной кольцевой стенки рабочего колеса составляет
R = (1,05 - 1,28) К (мм),
где К - выбранное количество выходных отверстий рабочего колеса, а радиальный размер ΔR кольцевой камеры составляет
ΔR = (1,05 - 1,28) В (мм),
где В - выбранное целое число в интервале 1 - К/2.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что радиус R внешней поверхности периферийной кольцевой стенки рабочего колеса номинально составляет
R = 1,1614 К (мм),
где К - выбранное количество выходных отверстий рабочего колеса, а радиальный размер ΔR кольцевой камеры номинально составляет
ΔR = 1,1614 В (мм),
где В - выбранное целое число в интервале 1 - К/5.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что статор имеет полость для приема жидкости из кольцевой камеры, сообщенную с выпускным отверстием для ее отвода, а в концентричной стенке статора равномерно по окружности в плоскости расположения выходных отверстий рабочего колеса выполнен ряд выпускных отверстий, сообщающих кольцевую камеру с полостью статора, количество которых составляет 1 - К.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6