Устройство для нагрева жидкости

 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в устройствах для нагрева жидкости. Устройство для нагрева жидкости содержит теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть, и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона, насос, соединенный с теплогенератором посредством инжекционного патрубка, и систему теплообмена. В инжекционном патрубке установлена по крайней мере одна вставка, выполненная в виде перфорированной перегородки. Техническим результатом является повышение эффективности нагрева жидкости. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в устройствах для нагрева жидкости, применяемых преимущественно для различных систем отопления зданий и сооружений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для нагрева жидкости, содержащее теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть, и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона, насос, соединенный с теплогенератором посредством инжекционного патрубка, и систему теплообмена, подключенную к выходному патрубку теплогенератора и к насосу (см. патент РФ N 2045715, кл. F 25 B 29/00, опубл. 1995). В известном устройстве в цилиндрической части корпуса теплогенератора на участке, примыкающем к выходному патрубку, расположено первое тормозное устройство, и в теплогенераторе предусмотрен перепускной патрубок, соединяющий циклон с выходным патрубком, при этом в перепускном патрубке на участке, примыкающем к циклону, размещено второе тормозное устройство.

Недостатком известного устройства является недостаточно высокая эффективность нагрева, поскольку в нем неполностью используются возможности нагрева жидкости, открываемые использованием вихревым способом перемещения жидкости.

Задачей изобретения является повышение эффективности нагрева жидкости при сохранении высокой эксплуатационной надежности устройства нагрева жидкости.

Решение указанной задачи обеспечивается новым устройством нагрева воды, содержащем теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть, и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона, насос, соединенный с теплогенератором посредством инжекционного патрубка, и систему теплообмена, подключенную к выходному патрубку теплогенератора и к насосу, причем в инжекционном патрубке установленa по крайней мере одна вставка, выполненная в виде перфорированной перегородки, при этом предпочтительно первую вставку устанавливать на расстоянии 20-150 мм от выходного отверстия инжекционного патрубка; перфорации в перегородке выполнять в виде круглых отверстий, которые равномерно распределены по всей поверхности перегородки; диаметр отверстия перфорации составляет 0,5-5 мм; толщина перфорированной перегородки составляет 0,5-50 мм; перфорированную перегородку выполнять из изоляционного материала или из алюминия и его сплавов.

Проведенные испытания опытного образца заявленного устройства нагрева жидкости, в инжекционном патрубке которого была установлена перфорированная перегородка из изоляционного материала, показали, что эффективность нагрева жидкости значительно повысилась при той же мощности насоса в сравнении с аналогичным устройством, не имевшим перегородки в инжекционном патрубке. Объяснение наблюдавшемуся явлению дополнительного подогрева жидкости, в качестве которой использовалась вода, можно получить, рассмотрев процесс прохождения высокоскоростного потока воды через отверстие в перегородке, изготовленной из изоляционного материала. При завихрении потока воды вблизи кромки входного отверстия образуется множество кавитационных пузырьков, которые раздуваются и затем объединяются в одну тороидальную каверну, которая пульсирует вокруг входной кромки перегородки под действием пульсаций в поступающем потоке, создаваемых насосом. Вокруг образующейся тороидальной каверны циркулирует поток воды, обусловленный турбулентным завихрением на входе в отверстие. На выходе из отверстия также возникает завихрение потока, однако тороидальной каверны не образуется, поскольку отсутствует усиление кавитации, обусловленное пульсациями насоса. Кроме того, происходит закручивание потока воды относительно оси отверстия с образованием вихря, выполняющего полезные функции. Вихревой поток стабилизирует тороидальную каверну, удерживая ее от сноса и от чрезмерного раздувания изнутри. Одновременно осевой вихревой поток на входе в отверстие оказывает существенное влияние на протекание ядерных реакций, возникающих в тороидальной каверне. Так, при диаметрe тороидальной каверны 1 мм в ней возникает электрическое поле с разностью потенциалов порядка 100 кВ, создаваемое положительным зарядом на кромке отверстия, при этом напряженность электрического поля составляет 10⁸ В/м, что обеспечивает зажигание электрического разряда в каверне. Однако средний ток разряда ограничен низкой электропроводностью воды, по которой происходит замыкание тока разряда, и не превышает 1 мкА. Разряды в тороидальной каверне имеют форму весьма коротких импульсов (несколько наносекунд), при этом в промежутках между ними происходит накопление зарядов на противоположных сторонах каверны, которая пульсирует с частотной резонансного ультразвукового поля (около 5 кГц). При подобных микропульсациях в тороидальной каверне происходит периодическое изменение давления в каверне, сопровождаемое пополнением ее отрицательно заряженными молекулами водяного пара, а положительные ионы остаются на изоляционной поверхности перегородки, пополняя ее заряд. Таким образом, вблизи каждого отверстия перегородки образуется тороидальная пульсирующая каверна, окруженная вихрем и заполненная газом, в котором с большой частотой повторяются электрическое разряды, сопровождаемые ядерными реакциями, а резонансное ультразвуковое поле между перегородкой и насосом осуществляет постоянную накачку энергии в каверны, где и происходит ее трансформация и концентрация. Указанные явления и обеспечивают дополнительный нагрев жидкости при прохождении ее через перфорированную перегородку в инжекционном патрубке. Форма отверстий в перегородке может быть произвольной, например, отверстия могут быть выполнены в виде квадратов, треугольников, параллелограммов, многоугольников и т.д. Однако предпочтительно выполнять отверстия круглыми и равномерно распределять по поверхности перегородки, поскольку в этом случае процесс изготовления перегородок наиболее технологичен. Суммарная площадь поверхностей отверстий обычно составляет 40-60% от общей поверхности перегородки (площади поперечного сечения инжекционного патрубка в месте размещения перегородки). Поскольку инжекционный патрубок имеет конусообразную форму торцевая поверхность перегородки для лучшей стыковки с патрубком выполняется со скосом. Перегородка может быть выполнена и в виде сетки. Перегородки изготавливаются из произвольного электроизоляционного материала, например из стекла, текстолита, эбонита, стекловолокнистого углерода и т.п. Перегородку предпочтительно выполнять из обладающих коррозионной стойкостью металлов, на поверхности которых образуется устойчивая окисная пленка, например из алюминия или его сплавов. Проведенные на опытных образцах заявленного устройства эксперименты позволили установить оптимальные параметры перфорированных перегородок. Так, диаметр каждого отверстия в перфорированной перегородке должен составлять 0,5-5 мм. При диаметре отверстия менее 0,5 мм не наблюдалось образования тороидальных каверн, а при диаметрах отверстий, превышающих 5 мм, положениe каверн становилось неустойчивым, и они увлекались потоком жидкости. Толщина перегородки должна находиться в пределах 0,5-50 мм. При толщине перегородки менее 0,5 мм происходит перетекание разноименных зарядов с противолежащих поверхностей перегородки, и каверны разрушаются. При толщине перегородки более 50 мм не возникает торсионных электрических полей вдоль отверстий, и это препятствует процессу образования каверн. Расстояние между перфорированной перегородкой и выходным отверстием инжекционного патрубка должно находиться в пределах 20-150 мм. При расстояниях менее 20 мм завихрения, образующиеся на выходе из отверстий, становятся неустойчивыми и уносятся в циклон, что приводит к разрушению тороидальных каверн, а при расстояниях, превышающих 150 мм, может образоваться обратный электрический потенциал, приводящий также к разрушению каверн. При размещении в инжекционном патрубке нескольких вставок расстояние между ними должно быть не менее 20 мм, так как в противном случае наблюдается их взаимное влияние, приводящее к снижению общей эффективности нагрева.

На фиг. 1 изображен общий вид заявленного устройства для нагрева жидкости; на фиг. 2 - продольное сечение инжекционного патрубка, в котором установлены две вставки; на фиг. 3 - продольное сечение инжекционного патрубка, в котором перфорированная перегородка закреплена при помощи штифтов.

Устройство для нагрева жидкости содержит теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть 1 и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона 2, на входе в который установлен инжекционный патрубок 3, кроме того, в состав теплогенератора входят первая тормозная система 4, установленная в выходном участке цилиндрической части корпуса, вторая тормозная система 5, расположенная на выходе из циклона, выходной патрубок 6, перепускной патрубок 7, вставка 8, выполненная в виде перфорированной перегородки с отверстиями 9 и зафиксированная на внутренней поверхности инжекционного патрубка посредством крепежных элементов 10, выполненных, например, в виде штифтов, насос 11 и систему теплообмена 12. Ускоритель движения жидкости 2 имеет по контуру вид спирали и стыкуется с насосом 11 при помощи инжекционного патрубка 3, в котором установлены одна или несколько вставок 8, выполненных в виде перфорированных перегородок. Устанавливаемые в инжекционном патрубке 3 перфорированные перегородки 8 размещаются перпендикулярно его оси и могут либо запрессовываться в патрубок, либо фиксироваться при помощи крепежных элементов 10. Система теплообмена включает в себя магистрали, запорные вентили, радиаторы, датчики температуры и другие блоки (не показаны). К входу системы теплообмена 12 присоединен выходной патрубок 6 теплогенератора, а выход системы теплообмена подключен к насосу 11.

Устройство для нагрева жидкости работает следующим образом. Насос 11 под избыточным давлением (4-6 ати) нагнетает воду в инжекционный патрубок 3 теплогенератора. При прохождении через отверстие 9 перфорированной перегородки 8, установленной в инжекционном патрубке 3, происходит образование ряда тороидальных каверн, пульсирующих вблизи входных кромок отверстий 9. В кавернах с большой частотой повторяются электрические разряды, и из отверстий 9 перфорированной перегородки 8 выходит предварительно нагретая вода. В теплогенераторе за счет вихревого ускорения жидкости в циклоне 2 с последующим изменением скорости в перепускных отверстиях и изменения кинетической энергии жидкости в тормозных системах 4, 5 происходит дальнейший нагрев воды, которая поступает в теплообменную систему 12 для обогрева помещений или сооружений.

На предприятии АО "Космонавтика-человечеству" (г. Москва) был изготовлен опытный образец заявленного устройства для нагрева воды с использованием насоса марки ЭЦВ 12-160-65 и теплогенератора ТГ-5М. В инжекционном патрубке была установлена вставка, изготовленная из эбонита, выполненная в виде перфорированной перегородки, диаметр отверстий перфораций которой составлял 2,5 мм, при общей площади отверстий перфораций 55% от площади поперечного сечения патрубка в месте размещения вставки. Перегородка закреплялась при помощи штифтов на расстоянии 80 мм от выходного отверстия инжекционного патрубка. Общая теплопроизводительность устройства составляла 10140 ккал/ч, что более чем в 1,5 раза превышает теплопроизводительность аналогичного устройства, в котором вставка отсутствовала. Кроме того, эксплуатационная надежность заявленного устройства сохранилась на высоком уровне, поскольку в нем в сравнении с известным устройством использован лишь один дополнительный статический элемент.

Формула изобретения

1. Устройство для нагрева жидкости, содержащее теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть, и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона, насос, соединенный с теплогенератором посредством инжекционного патрубка, и систему теплообмена, подключенную к выходному патрубку теплогенератора и к насосу, отличающееся тем, что в него дополнительно введена по крайней мере одна вставка, выполненная в виде перфорированной перегородки, установленной в инжекционном патрубке.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая вставка установлена на расстоянии 20 - 150 мм от выходного отверстия инжекционного патрубка.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перфорации в перегородке выполнены в виде круглых отверстий, равномерно распределенных по всей поверхности перегородки.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что диаметр отверстия перфорации составляет 0,5 - 5 мм.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина перфорированной перегородки составляет 0,5 - 50 мм.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перфорированная перегородка выполнена из изоляционного материала.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перфорированная перегородка выполнена из алюминия или его сплавов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3