Устройство нагрева жидких и газовых сред

 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для нагрева жидкости и газа, включая воздух, в промышленности, жилищно-коммунальной отрасли, в сельском хозяйстве, строительстве и транспорте, также в газовой промышленности при транспортировке газа. Задачей данного изобретения является создание устройства для нагрева не только жидких, но и газовых сред, а также снижение затрат на изготовление. Техническим результатом является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей. Поставленная задача достигается тем, что устройство нагрева жидких и газовых сред, состоящее из источника акустических колебаний и замкнутого контура циркулирующей массы теплоносителя, содержит размещенный на выходе нагнетателя высокочастотный акустический фильтр, представляющий собой акустический волновод в виде напорного трубопровода, и узел резонансной настройки в виде волнового отражателя с регулируемой щелью, образуемой между торцом волновода и отражателем. При этом щелевой зазор акустического высокочастотного фильтра имеет регулятор. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для нагрева жидкости и газа, включая воздух, в промышленности, жилищно-коммунальной отрасли, в сельском хозяйстве, строительстве и транспорте, также в газовой промышленности при транспортировке газа.

Близкими к заявляемому изобретению является устройство нагрева, состоящее из рабочего сетевого насоса с электроприводом, соединенного с корпусом, который имеет цилиндрическую часть и оснащен ускорителем движения жидкости, выполненным в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с цилиндрической частью корпуса, а также включающее подающий и обратный трубопроводы с запорными вентилями, а ускоритель движения жидкости связан с насосом посредством инжекционного патрубка, соединенного с боковой стороны ускорителя движения жидкости. Это устройство эффективно для нагрева только жидких сред и неприемлемо для газовых сред. Сложно в изготовлении отдельных узлов и дорого для потребителя. Недостатком этого устройства является низкий общий КПД и повышенный уровень шума (см. описание к патенту RU №2045715, опубл. 10.10.95. Бюл. №28).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство нагрева, состоящее из рабочего сетевого насоса с электроприводом, подающий и обратный трубопроводы с запорными вентилями, блок ускорителя движения жидкости в виде улиток, инжекционные патрубки, соединенные с блоком ускорителей движения жидкости, а каждый инжекционный патрубок состоит из соосно установленных и жестко соединенных между собой коноидального насадка с цилиндрической частью, дросселя, вихревого патрубка с размещенным внутри него завихрителем, а к сетевому насосу присоединен напорный трубопровод, на противоположном конце которого установлен глушитель, один выход которого соединен с верхним коллектором, а другие выходы через инжекционные патрубки - с блоком ускорителей движения жидкости, причем каждый выходной патрубок вихревой трубы теплогенератора сообщается с нижнем коллектором, а сам теплогенератор содержит снабженный цилиндрической частью корпус, в основании которого размещено тормозное устройство и блок ускорителей движения жидкости, и дополнительно содержит еще один корпус с цилиндрической частью, причем цилиндрические части установленных корпусов выполнены в виде вихревых труб, соединенных с торцевой стороной блока ускорителей движения жидкости, выполненных в виде улитки, каждая из которых оснащена расположенной соосно осевой линии вихревой трубы ускорительной втулкой, нижней торец последний расположен в плоскости верхнего торца вихревой трубы, верхний - в нижней плоскости верхнего коллектора, герметично установленного над блоком ускорителей движения.

Это устройство имеет пониженный уровень шума и более эффективно для нагрева только жидких сред и неприемлемо для газовых сред. Сложно в изготовлении отдельных узлов и дорого для потребителя (см. описание к патенту RU №2132517, опубл. 27.06.99. Бюл. №18).

Задачей данного изобретения является создание устройства для нагрева не только жидких, но и газовых сред, а также снижение затрат на изготовление.

Техническим результатом является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что устройство нагрева жидких и газовых сред, состоящее из источника колебаний и замкнутого контура циркулирующей массы теплоносителя, содержит размещенный на выходе нагнетателя высокочастотный акустический фильтр, представляющий собой акустический волновод в виде напорного трубопровода, и узел резонансной настройки в виде волнового отражателя с регулируемой щелью, образуемой между торцом волновода и отражателем. При этом волновой отражатель выполнен в виде пластины, а регулируемая щель снабжена регулятором.

На фиг.1 представлен общий вид устройства нагрева жидких и газовых сред.

На фиг.2 приведены частотные номограммы для практического выбора рабочих обертонов основных частот акустических (фононов) и молекулярных (f_o) колебаний.

На фиг.3 - рабочий участок частотной характеристики акустических колебаний в водной среде.

Устройство нагрева жидких и газовых сред состоит из источника возбуждения акустических колебаний и перемещения материальных сред 1, акустического волновода 2, системы резонансной настройки 3, зоны резонансной настройки 4 и контура теплоносителя 5. Для воды устройство нагрева представляет собой замкнутый гидроконтур, в состав которого входят два основных функциональных узла. Первый из них - это частоторегулируемый электронасос (1), обеспечивающий многократную циркуляцию рабочей массы теплоносителя, в данном случае воды, по замкнутому гидроконтуру, а также выполняющий роль источника акустических колебаний с частотой V_o=m·n, где m - число оборотов в секунду ротора электронасоса, a n - количество лопастей.

Вторым функциональным узлом является акустический высокочастотный фильтр, конструктивно размещенный на выходе насоса или нагнетателя и представляющий собой протяженный, определенной длины L акустический волновод 2 в виде напорного трубопровода, определенного сечения d (входная часть гидроконтура) и оснащенный системой резонансной настройки 3. Система резонансной настройки 3 состоит из волнового отражателя 6 диаметром D, регулируемой щели 7 и регулятора 8. Щелевой зазор Δ акустического высокочастотного фильтра имеет регулятор 8, который используется при настройке на резонанс с рабочим обертоном f_,j основной частоты f_o характеристических колебаний молекул теплоносителя. Таким образом, система резонансной настройки 3, включающая волновой отражатель 6 и регулятор 8, размещена в объеме зоны резонансной настройки 4.

Напорный трубопровод 2 на длине L между отражателем 6 и кромкой вращающихся лопастей ротора насоса формирует стоячую волну акустических колебаний. Высокочастотный акустический фильтр предназначен для настройки на резонансный обертон f_,j основной частоты f_o характеристических нормальных колебаний молекулы теплоносителя - в данном рассматриваемом примере - молекул воды в диапазоне f_o=3600-3750 Гц. При этом f_o=3600-3750 Гц являются табличными данными молекулярной характеристики выбранного носителя. Далее из зоны резонансной настройки 4 поток воды поступает в контур теплоносителя и по нему возвращается в насос 1 для повторных циклов многократного нагрева циркулирующей по контуру массы теплоносителя.

При конструировании устройства для нагрева теплоносителя, геометрические параметры акустического фильтра, такие как длина L, диаметр d и щелевой зазор Δ, определяются расчетным путем по исходным данным о числе оборотов в секунду и количестве лопастей ротора конкретно выбранного насоса, а также с учетом выбора подобранного обертона (f_i,j=1,2,3...) основной частоты f_o, т.н. “нормальных” колебаний молекул. При этом должно соблюдаться неравенство D≥1,2 d, где d - диаметр акустического волновода 2, a D - диаметр отражателя 6.

На фиг.2 и 3 приведены частотные номограммы для практического выбора рабочих обертонов i основных частот акустических ν_o (фононов), близко сопряженных к значениям обертонов основной частоты f_o нормальных колебаний молекулы теплоносителя (например, воды).

На оси абсцисс (см. фиг.2) обозначены номера i, j обертонов, каждый из которых соответствует длине волны λ=λ_o/2, где =0,1,2,3,.... Кривая а изображает зависимость ν≈f_i и условно показывает идеальный подбор технических параметров насоса m и n, удовлетворяющих условию равенства _i ≈ ν_j ≈ m·n, после чего следует выбор номера i рабочего обертона и затем выбор щелевого зазора Δ акустического фильтра по графическим зависимостям представленной монограммы на фиг.3.

Практически на фиг.2 изображена кривая в, построенная для серийно выпускаемых промышленных насосов типа КМ-100-80-160а, характеризуемых конкретными параметрами: m=6 и n=2900 об/мин, т.е. для 290 кГц. По этой кривой в путем сравнения с кривой б легко определить обертоны ν_i, близко сопряженные по величине к обертонам основной частоты f_o.

Так на фиг.3 представлена кривая зависимости ν=f(λ), необходимая для практического конструирования подобных устройств. Это пары частот f_i ≈ ν_j; 74 кГц ≈ 60 кГц; 37 кГц ≈ 30 кГц; 18,5 кГц ≈ 15 кГц, которые позволяют сделать выбор щелевого зазора Δ акустического фильтра. Далее, исходя из соотношения λ_i=Vзв/ν_i, где Vзв - скорость звука в водной среде, по кривой на фиг.3 практически определяем рабочий щелевой зазор акустического фильтра. Таким образом, для вышеобозначенной первой пары сопряженных частот имеем Δ₈=λ₈=2,01 см и соответственно Δ₇=4,03 см, Δ₆=8,06 см. Тем самым в предлагаемом устройстве реализуется эффект принудительного возбуждения акустическими фононами стационарного энергетического состояния молекул теплоносителя и последующего возвращения в исходное (невозбужденное) состояние с испусканием электронами электромагнитного излучения в инфракрасном (тепловом) диапазоне.

В соответствии с представленным изобретением был изготовлен и испытан макетный образец устройства нагрева жидких и газовых сред на базе использования электронасоса Щелковского завода ЭНА марки КМ-100-80-160а.

Формула изобретения

1. Устройство нагрева жидких и газовых сред, состоящее из источника акустических колебаний и замкнутого контура циркулирующей массы теплоносителя, отличающееся тем, что оно содержит размещенный на выходе нагнетателя высокочастотный акустический фильтр, представляющий собой акустический волновод в виде напорного трубопровода, и узел резонансной настройки в виде волнового отражателя с регулируемой щелью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волновой отражатель выполнен в виде пластины.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулируемая щель снабжена регулятором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3