Способ гидродинамического нагрева воды и установка для нагрева воды

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для тепловых установок и нагрева жидкости в промышленности, жилищно-коммунальной отрасли, в сельском хозяйстве. Задачей изобретения является получение более энергоэффективного способа и экономичной установки для нагрева воды. Технический результат достигается в теплогенераторе, установленном в замкнутом контуре, при котором формируют вихревой поток воды, за счет преобразования создаваемого насосом напора, и ускоряют полученный поток в ускорителе движения воды, с последующим отводом получаемого в теплогенераторе тепла от выходящего потока воды к потребителю. При этом на входе в теплогенератор поток воды разрывают воздушной полостью в зоне ее фазового перехода, в которой обеспечивают соударение капель воды при ее выходе в конусах распыления. На входе корпуса теплогенератора образована воздушная полость, а улитка имеет форму логарифмической спирали, причем истечение жидкости из улитки в вихревую трубу осуществляется через полюс логарифмической спирали, а между всасывающим и напорным трубопроводами установлен центробежный насос и запорный вентиль. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для тепловых установок и нагрева воды в промышленности, жилищно-коммунальной отрасли, в сельском хозяйстве, строительстве, в частности в системах отопления зданий и сооружений, подогрева воды для производственных и бытовых нужд, сушки сельхозпродуктов.

Известны различные способы гидродинамического нагрева воды и созданные на их основе конструкции различных устройств и теплогенераторов, использующих для получения тепловой энергии изменения физико-механических параметров среды, например, давления и объема в движущемся потоке воды.

Например, известен способ гидродинамического нагрева жидкости по патенту РФ №2156412, по которому нагрев достигается повышением аномальной генерации тепла за счет ударного гидродинамического торможения на встречных струях кавитирующей жидкости, вытекающей с большой скоростью из встречно-направленных соосных сопел.

Известен способ получения тепла по патенту РФ №2165054, принятый за прототип, в котором тепло, нагревающее воду, получают путем формирования вихревого потока воды и обеспечения кавитационного режима его течения при резонансном усилении возникающих звуковых колебаний в этом потоке и подаче воды в поток при температуре 63-90°С.

Однако указанные известные способы недостаточно энергоэффективны.

Известен теплогенератор "Рязань" по авт. св. №17039240, используемый для нагрева жидкости путем превращения механической энергии вращения рабочего колеса сначала в гидравлическую, а затем в тепловую. Из нагнетателя через напорный патрубок жидкость поступает в трубопровод. Затем часть ее направляется в струйный аппарат и через сопло и всасывающий патрубок возвращается в нагреватель. Другая часть жидкости направляется в теплообменник, где отдает часть тепла потребителю, затем отсасывается струйным аппаратом и с повышенным давлением, предотвращающим кавитацию, подается к нагнетателю. Нагревание происходит за счет потерь гидравлической энергии на вихреобразование и трение в потоке оборотной жидкости. Недостатками данной конструкции являются низкий КПД установки и повышенный уровень шума.

Наиболее близкое техническое решение к заявленной установке и принятое за прототип, это изобретение по патенту РФ №2132517 «Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости». Согласно этому изобретению устройство для нагрева жидкости содержит теплогенератор, насос, подающий и обратный трубопроводы с запорными вентилями, обеспечивающими взаимосвязь теплообменника с теплогенератором, имеющим блок ускорителей движения жидкости в виде улиток, а к насосу присоединен напорный трубопровод. Судя из описания этого изобретения, в нем реализуются следующие источники тепла для нагрева воды:

- гашение волн воды от лопаток рабочего колеса насоса;

- гидродинамические турбулентные течения в параллельных вихревых трубах;

- акустическая кавитация;

- ударное воздействие вихревого потока воды на тормозное устройство.

Однако данное техническое решение слишком сложно по конструкции и в то же время недостаточно эффективно.

Задачей заявленного технического решения является получение более энергоэффективного способа гидродинамического нагрева воды и экономичной установки для нагрева воды, использующей предложенный способ.

Решение поставленной задачи обеспечивается получением такого технического результата как уменьшение теплоемкости воды при ее фазовом переходе в воздушной полости корпуса теплогенератора, т.е. при переходе из фазы с теплоемкостью 4200 Дж/кг°С в фазу с теплоемкостью 2100 Дж/кг°С. Кроме этого, дополнительными источниками тепла в заявленном способе и установке будут:

- центробежный насос;

- гидродинамические турбулентные течения в вихревых трубах;

- частичное использование эффекта Ранке в вихревых трубах в фазе с теплоемкостью 2100 Дж/кг°С;

- соударение капель при выходе воды в конусах распыления при выходе воды из вихревых труб напорной и сливной магистралей.

Таким образом, суммарная энергия (теплоемкость) заявленной установки будет составлять:

Q_акк=Q_н+Q_в.т.+Q_изб.+Q_р+Q_с,

где Q_н - тепловая энергия центробежного насоса;

Q_в.т. - тепловая энергия диссипации в вихревых трубах;

Q_изб. - избыточная тепловая энергия, связанная с переходом воды из фазы с C₁=4200 Дж/кг°С в фазу C₂=2100 Дж/кг°С;

Q_p - тепловая энергия эффекта Ранке в фазе C₂;

Q_c - тепловая энергия от соударения капель в корпусах распыления воды.

Указанная суммарная энергия (теплоемкость) достигается в способе гидродинамического нагрева воды, при котором в теплогенераторе, установленном в замкнутом контуре (магистрали), формируют (скоростной) вихревой поток воды за счет преобразования создаваемого насосом напора и ускоряют полученный поток в ускорителе движения воды, с последующим отводом получаемого в теплогенераторе тепла от выходящего потока воды к потребителю. При этом на входе в теплогенератор в потоке воды обеспечивают образование воздушной полости.

В частном случае заявленного способа в воздушной полости обеспечивают соударение капель воды при ее выходе через два конуса распыления.

Заявленный технический результат достигается в техническом решении установки для нагрева воды, выполненной в виде замкнутого контура (магистрали), содержащем теплогенератор, в дне (нижнем торце) корпуса которого имеется выходное отверстие, соединенное с трубопроводом всасывания, напорный трубопровод, соединенный с ускорителем движения воды, выполненным в виде улитки, соединенной с вихревой трубой и подсоединенной к верхнему торцу корпуса. Кроме того, на входе в корпус теплогенератора в потоке воды образована воздушная полость, улитка имеет форму логарифмической спирали, причем истечение жидкости из улитки в вихревую трубу осуществляется через полюс логарифмической спирали, а между всасывающим и напорным трубопроводами установлен центробежный насос и запорный вентиль.

В частном случае заявленного решения установки на напорном трубопроводе установлен снабженный запорным вентилем с ограничителем отвод на тепловые батареи, соединенные через сливной трубопровод и второй ускоритель движения воды с верхним торцом корпуса теплогенератора на расстоянии от первой вихревой трубы не более диаметра трубы.

В другом частном случае заявленной установки ограничитель запорного вентиля, идущий к тепловым батареям, устанавливает следующее соотношение между расходом воды через насос и через тепловые батареи:

R_бат/R_нас≤1/100,

где R_бат - расход воды через тепловые батареи,

R_нас - расход воды через насос.

В третьем частном случае заявленной установки соотношение объема воды в тепловых батареях и в корпусе теплогенератора должно быть в следующих пределах: С_бат/С_тп≤4.

В четвертом частном случае корпус теплогенератора снабжен вакуумным насосом и установлен дополнительный трубопровод, идущий от воздушной полости корпуса к трубопроводу всасывания.

В пятом частном случае - диаметр дополнительного трубопровода равен диаметру трубопровода всасывания.

В шестом частном случае - корпус теплогенератора выполнен из внешнего и внутреннего полых цилиндров с теплоизоляцией между ними.

Для пояснения сущности предлагаемого технического решения установки для нагрева воды прилагается ее принципиальная схема, изображенная на одном листе (фигура).

Установка для нагрева воды, показанная на фигуре, выполнена в виде замкнутого контура, в котором имеются теплогенератор, корпус 1 которого состоит из внешнего и внутреннего полых цилиндров с теплоизоляцией между ними, в корпусе образованы воздушная 2 и водяная 3 полости. На верхней крышке корпуса установлен вакуумный насос 4 и клапан 5 сброса избыточного давления, а также подведены две вихревые трубы 6, идущие от логарифмических улиток 8. На первой вихревой трубе 6 установлен термоманометр 7. Поток воды в улитки поступает от напорного 9 и сливного 10 трубопровода, идущей от тепловых батарей 11, на входе которых установлен запорно-регулирующий вентиль 12. Второй запорно-регулирующий вентиль 13 установлен на напорном трубопроводе 9 после выхода из центробежного насоса 14, в который вода поступает по трубопроводу всасывания 16, идущего от корпуса теплогенератора 1. Воздушная полость 2 теплогенератора соединена с трубопроводом всасывания 16 дополнительным трубопроводом 15. Теплогенератор оборудован уровнемером 17.

Перед началом работы вся замкнутая магистраль, включая корпус теплогенератора, заполняется водой. Затем производится слив воды из корпуса 1 до определенной отметки на уровнемере 17 для образования воздушной полости 2, вихревых трубах 6 и логарифмических улитках 8, закрывается запорно-регулирующий вентиль 12, а вентиль 13 открыт до ограничителя. Эта степень открытия вентиля соответствует заданной точке расходно-напорной характеристики центробежного насоса 14.

После включения насоса 14 начинается циркуляция и нагрев потока воды по замкнутому контуру: вода из корпуса 1 теплогенератора по трубопроводу всасывания 16 поступает к насосу 14 и по напорному трубопроводу 9 через логарифмические улитки 8 и вихревые трубы 6 распыляется в воздушной полости 2 теплогенератора. При достижении в первой вихревой трубе 6 температуры кипения после некоторой выдержки открывается до ограничителя вентиль 12, ведущий к тепловым батареям 11, и начинается функционирование установки для нагрева воды в штатном режиме. При этом степень открытия вентиля 12 будет соответствовать заданному расходу через тепловые батареи. Энергоэффективность работы установки можно определить по формуле:

η=Q_акк/N_н,

где η - энергоэффективность,

Q_акк - полученная тепловая энергия,

N_H - энергия, потребляемая насосом.

Опытные образцы установки для нагрева воды успешно прошли испытания совместно с тепловыми батареями водяного отопления.

1. Способ гидродинамического нагрева воды в теплогенераторе, установленном в замкнутом контуре, при котором в контуре формируют вихревой поток воды, за счет преобразования создаваемого насосом напора и ускоряют полученный поток в ускорителе движения воды, с последующим отводом получаемого в теплогенераторе тепла от выходящего потока воды к потребителю, отличающийся тем, что на входе в теплогенератор разрывают поток воды воздушной полостью.

2. Способ гидродинамического нагрева воды по п.1, отличающийся тем, что в воздушной полости обеспечивают соударение капель воды при ее входе в корпус через два конуса распыления.

3. Установка для нагрева воды, выполненная в виде замкнутого контура, содержащем теплогенератор, в нижнем торце корпуса которого имеется выходное отверстие, соединенное с трубопроводом всасывания, а также напорный трубопровод, соединенный с ускорителем движения воды, выполненным в виде улитки, соединенной с вихревой трубой и подсоединенной к верхнему торцу корпуса, отличающаяся тем, что на входе в корпус в потоке воды образована воздушная полость, улитка имеет форму логарифмической спирали, причем истечение жидкости из улитки в вихревую трубу осуществляется через полюс логарифмической спирали, а между всасывающим и напорным трубопроводами установлен центробежный насос и запорный вентиль.

4. Установка для нагрева воды по п.3, отличающаяся тем, что на напорном трубопроводе установлен снабженный запорным вентилем с ограничителем отвод на тепловые батареи, которые соединены через сливной трубопровод и второй ускоритель движения воды с верхним торцом корпуса теплогенератора на расстоянии от первой вихревой трубы не более диаметра трубы.

5. Установка для нагрева жидкости по п.4, отличающаяся тем, что ограничитель запорного вентиля, идущий к тепловым батареям, устанавливает следующее соотношение между расходом воды через насос и через тепловые батареи: R_бат/R_нас≤1/100,
где R_бат - расход воды через тепловые батареи,
R_нас - расход воды через насос.

6. Установка для нагрева воды по пп.4 и 5, отличающаяся тем, что соотношение объема воды в тепловых батареях и в корпусе теплогенератора должно быть в следующих пределах:
С_бат/С_тп≤4.

7. Установка для нагрева воды по п.3, отличающаяся тем, что корпус теплогенератора снабжен вакуумным насосом и установлен дополнительный трубопровод, идущий от воздушной полости в корпусе к трубопроводу всасывания.

8. Установка для нагрева воды по п.7, отличающаяся тем, что диаметр дополнительного трубопровода равен диаметру трубопровода всасывания.

9. Установка для нагрева воды по п.3, отличающаяся тем, что корпус теплогенератора выполнен из внешнего и внутреннего полых цилиндров с теплоизоляцией между ними.