Нагреватель текучей среды
Изобретение относится к устройствам для нагревания текучей среды. Техническим результатом изобретения является повышение теплопроизводительности установки и коэффициента избыточного тепла. В нагревателе текучей среды корпуса гидродинамических преобразователей выполнены в виде раструбов на концах вихревой трубы, внутренняя поверхность которых выполнена вогнутой и соответствует поверхности, образованной вращением кривой второго порядка вокруг продольной оси вихревой трубы, при этом у каждого торца вихревой трубы с зазором относительно него установлен формирователь потока, выполненный в виде диска, ось симметрии которого соосна продольной оси вихревой трубы, причем в зазоре между торцом вихревой трубы и обращенной к нему поверхностью формирователя потока размещены не менее четырех рассекателей потока, каждый из которых выполнен в виде пластины, поверхность которой параллельна продольной оси вихревой трубы, кроме того, внутренняя поверхность согласующих камер выполнена вогнутой и соответствует поверхности, образованной вращением кривой второго порядка вокруг продольной оси вихревой трубы. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к устройствам для нагревания протекающей через них текучей среды и может быть использовано для нагрева (с использованием принципов работы “вихревой трубы”) жидкостей или газов, подаваемых посредством трубопроводов (в быту или различных областях промышленности), а также при эксплуатации трубопроводных транспортных систем.
Известны нагреватели текучей среды, содержащие вихревую трубу, узлы подвода холодной и отвода нагретой текучей среды, действующие на принципе извлечения дополнительной энергии из вращающейся жидкости (см. а.с. СССР, № 1329629, кл. F 24 J 3/00, 1987 г., пат. США № 5188090, 1993 г., пат. США № 5341768, 1993 г. и др.).
Все вышеперечисленные устройства имеют общий недостаток: всем им необходим индивидуальный электромеханический привод (центробежные насосы, электродвигатели, приводящие в движение рабочие органы и т.д.).
Известен также нагреватель текучей среды, включающий вихревую трубу, торцы которой снабжены гидродинамическими преобразователями движения текучей среды, а также согласующие камеры, скрепленные со свободными торцами гидродинамических преобразователей движения текучей среды (см. пат. РФ № 2045715, кл. F 25 В 29/00, 1995 г.).
Данное устройство предназначено для работы в жидкой среде. По утверждению заявителя, кавитационные процессы, имеющие место в жидкости, проходящей через устройство, дают основной прирост тепловой энергии жидкости. Построенные на базе этого изобретения установки "ЮСМАР" работают с коэффициентом избыточного тепла не более 150% и при установленных мощностях привода не более 100 кВт. Попытки увеличить установленную мощность выше указанной, по утверждению заявителей, не приводят к росту коэффициента избыточного тепла.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в повышении теплопроизводительности установки и коэффициента избыточного тепла.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в увеличении температуры на 20...40% при движении жидкости через устройство, подтвержденное стендовыми испытаниями. Кроме того, заявляемое устройство может быть встроено в любую трубопроводную систему инвариантно, т.е. независимо от стороны подключения устройства, без использования дополнительных насосов, приводов, не создавая дополнительного сопротивления движению жидкости (благодаря отсутствию изгибов трубопровода, обычно требуемого при использовании известных устройств) и не требует существенного приращения объема пространства для своего размещения. Кроме того, заявляемое устройство является эффективным компенсатором гидравлических ударов для трубопроводных систем, в которые оно смонтировано.
Поставленная задача решается тем, что нагреватель текучей среды, включающий вихревую трубу, торцы которой снабжены гидродинамическими преобразователями движения текучей среды, а также согласующие камеры, скрепленные со свободными торцами гидродинамических преобразователей движения текучей среды, отличается тем, что корпуса гидродинамических преобразователей движения текучей среды выполнены в виде раструбов на концах вихревой трубы, внутренняя поверхность которых выполнена вогнутой и соответствует поверхности, образованной вращением кривой второго порядка вокруг продольной оси вихревой трубы, при этом у каждого торца вихревой трубы с зазором относительно него установлен формирователь потока, выполненный в виде диска, ось симметрии которого соосна продольной оси вихревой трубы, причем в зазоре между торцом вихревой трубы и обращенной к нему поверхностью формирователя потока размещены не менее четырех рассекателей потока, каждый из которых выполнен в виде пластины, поверхность которой параллельна продольной оси вихревой трубы, кроме того, внутренняя поверхность согласующих камер выполнена вогнутой и соответствует поверхности, образованной вращением кривой второго порядка вокруг продольной оси вихревой трубы. Кроме того, сечению пластин в плоскости, перпендикулярной продольной оси вихревой трубы, придана форма спиралей Архимеда. Кроме того, поверхности формирователя потока, обращенные к торцу вихревой трубы и к согласующей камере, соответствуют поверхностям, образованным вращением кривых второго порядка вокруг оси симметрии формирователя потока. Кроме того, поверхности формирователя потока, обращенные к торцу вихревой трубы и в согласующую камеру, симметричны друг другу, при этом симметричны друг другу внутренние поверхности согласующих камер и корпусов гидродинамических преобразователей движения текучей среды.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки “корпуса гидродинамических преобразователей движения текучей среды выполнены в виде раструбов на концах вихревой трубы, внутренняя поверхность которых выполнена вогнутой и соответствует поверхности, образованной вращением кривой второго порядка вокруг продольной оси вихревой трубы” исключают возможность появления кавитационных явлений в потоке текучей среды, протекающей через устройство, и, тем самым, возникновения паразитных вихревых структур, исключающих часть жидкости из общего процесса генерации тепла, кроме того, обеспечивается соосность продольной оси гидродинамических преобразователей и вихревой трубы, что также исключает возможность возникновения кавитационных явлений и способствует минимизации размеров устройства (и трубопровода, в который оно вмонтировано).
Признаки “...у торца вихревой трубы, с зазором относительно него, установлен формирователь потока, выполненный в виде диска, ось симметрии которого соосна продольной оси вихревой трубы” обеспечивают заданный разворот потока (относительно продольной оси вихревой трубы) и условия для эффективной работы рассекателей потока. Кроме того (в сочетании с вышеназванным признаком), обеспечивается соосность продольной оси гидродинамических преобразователей и вихревой трубы, что также исключает возможность возникновения кавитационных явлений и способствует минимизации размеров устройства (и трубопровода, в который оно вмонтировано).
Признаки “...в зазоре между торцом вихревой трубы и обращенной к нему поверхностью формирователя потока размещены не менее четырех рассекателей потока, каждый из которых выполнен в виде пластины, поверхность которой параллельна продольной оси вихревой трубы” обеспечивают ускорение или замедление движения потока текучей среды, а также обеспечивают преобразование поступательного движения потока текучей среды движения во вращательно-поступательное и наоборот (в зависимости от того, “работает” гидродинамический преобразователь на “входе” или “выходе” устройства).
Признаки “...внутренняя поверхность согласующих камер выполнена вогнутой и соответствует поверхности, образованной вращением кривой второго порядка вокруг продольной оси вихревой трубы” обеспечивают подключение устройства в трубопроводную сеть, при этом их выполнение исключает возможность возникновения кавитационных явлений в потоке текучей среды, протекающей через согласующие камеры, и, тем самым, возникновения паразитных вихревых структур, исключающих часть жидкости из общего процесса генерации тепла, кроме того, обеспечивается соосность продольной оси согласующих камер и вихревой трубы, что также исключает возможность возникновения кавитационных явлений и способствует минимизации размеров устройства (и трубопровода, в который оно вмонтировано).
Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают повышение эффективности работы рассекателей потока.
Признаки третьего пункта формулы исключают возможность возникновения кавитационных явлений в потоке текучей среды, обтекающего формирователь потока, и, тем самым, возникновения паразитных вихревых структур, исключающих часть жидкости из общего процесса генерации тепла.
Признаки четвертого пункта формулы изобретения обеспечивают повышение технологичности устройства при изготовлении.
На фиг.1 показан общий вид устройства; на фиг.2 показан поперечный разрез через рассекатели потока выходного гидродинамического преобразователя; на фиг.3 показан поперечный разрез через рассекатель потока входного гидродинамического преобразователя; на фиг.4 показана схема подключения устройства в схему теплоснабжения.
На фиг.1-4 показаны вихревая труба 1, торцы 2 которой снабжены гидродинамическими преобразователями движения текучей среды 3 и 4, а также согласующие камеры 5 и 6 с фланцами 7, формирователи 8 потока, зазор 9 (между торцами 2 вихревой трубы 1 и соответствующими поверхностями формирователя 8 потока), в котором размещены не менее четырех рассекателей 10 потока. Кроме того, показаны направление движения 11 потока текучей среды и элементы схемы теплоснабжения (трубопровод 12, теплообменники 13, циркуляционный насос 14 с электродвигателем 15 и питательный бак 16, снабженный запорным вентилем 17).
Вихревая труба 1 выполнена из любого твердого материала и конструктивно не отличается от известных. Корпуса гидродинамических преобразователей движения текучей среды 3 и 4 выполнены из любого твердого материала и имеют одинаковые размеры и форму. Они выполнены в виде раструбов 6 на концах вихревой трубы 1. Их внутренняя поверхность выполнена вогнутой и соответствует поверхности, образованной вращением кривой второго порядка (например, гиперболы) вокруг продольной оси вихревой трубы 1. Кромки корпусов гидродинамических преобразователей движения текучей среды 3 и 4 снабжены фланцами 18 для скрепления с фланцами 19 согласующих камер 5 и 6. Согласующие камеры 5 и 6 выполнены из любого твердого материала. Они аналогичны по конструкции, размерам и форме (их внутренняя поверхность выполнена вогнутой и соответствует поверхности, образованной вращением кривой второго порядка (например, гиперболы) вокруг продольной оси вихревой трубы). Они снабжены фланцами 19 (для соединения с фланцами 18 корпусов гидродинамических преобразователей движения текучей среды) и фланцами 7 (для соединения с фланцами подводящего и отводящего трубопроводов 12). Оба формирователя 8 потока выполнены из любого твердого материала в виде дисков одинаковой формы и размеров, при этом их оси симметрии соосны продольной оси вихревой трубы 1. Поверхности формирователя 8 потока, обращенные к торцу 2 вихревой трубы 1 и к соответствующей согласующей камере, соответствуют поверхностям, образованным вращением вокруг оси симметрии формирователя потока, кривых второго порядка (например, окружности и гиперболы), сопрягаемых между собой плоскими элементами вращения. Кроме того, поверхности формирователя потока, обращенные к торцу вихревой трубы и в согласующую камеру, симметричны друг другу, при этом симметричны друг другу внутренние поверхности согласующих камер и гидродинамических преобразователей. В зазоре 9 между торцами 2 вихревой трубы 1 и обращенной к нему поверхностью формирователя 8 потока размещены рассекатели 10 потока (число рассекателей прямо пропорционально секундному расходу жидкости через устройство, но не менее четырех), каждый из которых выполнен в виде пластины, поверхность которой параллельна продольной оси вихревой трубы 1, при этом сечению пластин в плоскости, перпендикулярной продольной оси вихревой трубы, придана форма спиралей Архимеда. Фактически формирователи потока скреплены с обращенными к ним поверхностями гидродинамических преобразователей движения текучей среды посредством рассекателей 10 потока.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Монтируют схему теплоснабжения, например, как показано на фиг.4, включая в нее нагреватели текучей среды (число нагревателей определяется требуемой тепловой мощностью системы, параметрами насосного оборудования и трубопроводной сети), теплообменники 13, циркуляционный насос 14 с электродвигателем 15 и соединяя их трубопроводом 12. При этом совершенно безразлично, какая из согласующих камер 5 или 6 будет подключена к подводящему, а какая к отводящему участку трубопровода 12. Затем систему заполняют водой из питательного бака 16, открыв запорный вентиль 17. После заполнения системы водой включают в работу циркуляционный насос 14 и жидкость приходит в движение.
Перед входом в вихревую трубу 1 жидкость проходит через согласующую камеру 5 и, обтекая формирователь 8 потока гидродинамического преобразователя 3, попадает в его рассекатели 10 потока, пройдя которые, она сворачивается в спиральные жгуты (внутри которых скорость движения больше, чем в районе фланцев 7) и в виде ускоренного многозаходного вращательно-поступательного жгута жидкости попадает в вихревую трубу 1. В вихревой трубе 1 происходит основное выделение дополнительной тепловой энергии за счет гидродинамических сил на определенном радиусе вращения жидкости в молекулярном слое фазового превращения жидкость-газ-жидкость и отдаче энергии этого фазового перехода внешним слоям жидкости. Для воды количество этой энергии составляет 2400*103 Дж на каждый килограмм жидкости, прошедшей этот переход. При выходе из вихревой трубы 1 жидкость поступает в гидродинамический преобразователь движения текучей среды 4. Здесь она проходит рассекатели 10 потока (замедляющие ее движение), вследствие чего отдает свою кинетическую энергию корпусу устройства и самой себе, выделяя тем самым порцию дополнительного тепла. На выходе согласующего устройства появляется дополнительная энергонасыщенность жидкости в количестве 3,0 Wэ...8.0 Wэ, где Wэ - энергия, затраченная на перекачку этой жидкости через устройство в зависимости от первичных параметров жидкости на входе устройства: ее давления (Р) Па и расхода (V) м3/сек.
При использовании воды и определенных значениях Р и V дополнительное тепло в устройстве может быть получено за счет гидродинамической диссоциации воды на ионы Н+ и ОН- и их соединения в замедлителе. Есть экспериментальное подтверждение того, что может появиться дополнительное тепло за счет гидродинамического разделения воды на атомы водорода и кислорода и их последующего соединения в замедлителе. В этом случае ужесточаются требования к материалу устройства по стойкости к взаимодействию с атомарным водородом и кислородом.
Предлагаемое устройство может быть использовано в качестве источника тепла для автономных систем теплового и горячего водоснабжения жилого фонда, промышленных и административных зданий и т.п. сооружений, а также может быть использовано для нагрева различных материалов в технологических процессах. Заявляемое устройство может быть использовано как компенсатор тепловых потерь в сетях муниципального тепло- и горячего водоснабжения без устройства дополнительных магистралей, дополнительного привода (при наличии индивидуального гидравлического привода).
Заявляемое устройство также может быть использовано для снижения энергетических затрат на 20...50% при перекачке нефтепродуктов и сжиженного газа в магистральных трубопроводах, особенно в районах с пониженной температурой.
1. Нагреватель текучей среды, включающий вихревую трубу, торцы которой снабжены гидродинамическими преобразователями движения текучей среды, а также согласующие камеры, скрепленные со свободными торцами гидродинамических преобразователей движения текучей среды, отличающийся тем, что корпуса гидродинамических преобразователей движения текучей среды выполнены в виде раструбов на концах вихревой трубы, внутренняя поверхность которых выполнена вогнутой и соответствует поверхности, образованной вращением кривой второго порядка вокруг продольной оси вихревой трубы, при этом у каждого торца вихревой трубы с зазором относительно него установлен формирователь потока, выполненный в виде диска, ось симметрии которого соосна продольной оси вихревой трубы, причем в зазоре между торцом вихревой трубы и обращенной к нему поверхностью формирователя потока размещены не менее четырех рассекателей потока, каждый из которых выполнен в виде пластины, поверхность которой параллельна продольной оси вихревой трубы, кроме того, внутренняя поверхность согласующих камер выполнена вогнутой и соответствует поверхности, образованной вращением кривой второго порядка вокруг продольной оси вихревой трубы.
2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что сечению пластин в плоскости, перпендикулярной продольной оси вихревой трубы, придана форма спиралей Архимеда.
3. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что поверхности формирователя потока, обращенные к торцу вихревой трубы и к согласующей камере, соответствуют поверхностям, образованным вращением кривых второго порядка вокруг оси симметрии формирователя потока.
4. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что поверхности формирователя потока, обращенные к торцу вихревой трубы и в согласующую камеру, симметричны друг другу, при этом симметричны друг другу внутренние поверхности согласующих камер и корпусов гидродинамических преобразователей движения текучей среды.
