Устройство для получения тепловой энергии
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для нагрева жидких сред в системах жидкостного отопления помещений. Устройство для получения тепловой энергии содержит корпус с двумя боковыми крышками, подключенный к электродвигателю вал и установленные на валу рабочие колеса, в которых выполнены сквозные отверстия, сообщающиеся с щелевыми пазами, выполненными на поверхности обода рабочих колес. Устройство имеет по меньшей мере одно выходное отверстие. Входное отверстие выполнено на оси симметрии боковой крышки корпуса, противоположной месту установки электродвигателя. Вал выполнен полым с открытым торцом с возможностью протекания через него рабочей жидкости, поступающей в вал через входное отверстие, и механически сопряжен с боковой крышкой корпуса, противоположной месту установки электродвигателя, так, что открытый торец вала расположен напротив входного отверстия, а в центральной по длине зоне вала выполнены дополнительные отверстия для сообщения внутренней полости вала с рабочей камерой корпуса. В устройстве значительно снижен вес, исключены потери энергии в подшипниках и соединительной муфте, исключена необходимость использования мощного электродвигателя, что обеспечивает повышение КПД. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Предложенное устройство относится к теплоэнергетике и может быть использовано для нагрева жидкости, например воды, антифризов и других подобных жидких сред, используемых в системах жидкостного отопления различных жилых и служебных помещений.
Известно устройство для получения тепловой энергии, раскрытое в патенте РФ №2375648 от 10.12.2009. Указанное устройство содержит полый цилиндрический корпус, в полости которого на валу установлено по крайней мере одно рабочее колесо, кинематически связанное с подключенным к блоку управления приводом вращения, входной и выходной патрубки, которые включены в соответствующие входную и выходную магистрали, сообщенные с полостью корпуса с противоположных сторон диска, расположенные с равным диаметрально противоположным эксцентриситетом от его оси на величину 0,30÷0,35 мм от диаметра диска. Выходная магистраль сообщена с входной магистралью посредством потребителя тепловой энергии и насоса. При этом применительно к указанному устройству наложены достаточно строгие требования на соотношение размеров между отдельными конструктивными элементами данного устройства.
Несмотря на свою относительную простоту, указанная конструкция имеет невысокий КПД, достаточно высокий уровень шума при работе, необходимость наличия прокачивающего через нее рабочую жидкость насоса, постоянное одностороннее давление на подшипники по оси рабочего вала, вызываемое подпором давления прокачивающего насоса на одну из боковых поверхностей рабочего колеса.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для получения тепловой энергии, раскрытое в патенте РФ №2457407 от 23.07.2012. Указанное устройство для получения тепловой энергии содержит корпус, в котором на валу установлено по крайней мере одно рабочее колесо, кинематически связанное с подключенным к блоку управления электродвигателем. В корпусе выполнено два входных и по крайней мере одно выходное отверстие в виде соответствующих патрубков. В диске колеса выполнены сквозные отверстия, которые сообщаются со щелевыми пазами, выполненными на поверхности обода колеса, а по краям обода колеса дополнительно выполнено два ряда сквозных отверстий. Корпус данного устройства дополнительно может содержать рабочий барабан, разделяющий корпус на две части, одна из которых содержит упомянутое по крайней мере одно рабочее колесо, напротив которого выполнены упомянутые щелевые пазы со сквозными отверстиями. Также в указанном барабане могут быть выполнены отверстия для внутренней кавитационной очистки поверхностей колеса и корпуса.
Описанное выше устройство является более эффективным, чем первый из указанных аналогов изобретения, однако все равно имеет недостаточно высокий КПД из-за трения в подшипниках генератора, имеет достаточно большой вес и, как следствие, требует использования достаточно мощного электродвигателя.
В связи с этим техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является снижение веса конструкции, исключение таких потерь энергии, как потери в подшипниках и соединительной муфте, исключение необходимости использования мощного электродвигателя и вследствие этого повышение КПД устройства для получения тепловой энергии.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве для получения тепловой энергии, содержащем корпус с двумя боковыми крышками, размещенный в корпусе вал, кинематически связанный с подключенным к блоку управления электродвигателем, и установленное на валу по меньшей мере одно рабочее колесо, в котором выполнены сквозные отверстия, сообщающиеся с щелевыми пазами, выполненными на поверхности обода рабочего колеса, при этом одна из упомянутых боковых крышек расположена со стороны установки электродвигателя, а вторая - со стороны, противоположной месту установки электродвигателя, устройство для получения тепловой энергии имеет одно входное и по меньшей мере одно выходное отверстие, которое выполнено непосредственно в корпусе данного устройства, согласно предложенному изобретению упомянутое входное отверстие выполнено на оси симметрии боковой крышки корпуса, противоположной месту установки электродвигателя, вал выполнен полым с по меньшей мере одним открытым торцом с возможностью протекания через него рабочей жидкости, поступающей в вал через упомянутое входное отверстие, причем вал механически сопряжен с той боковой крышкой корпуса, которая противоположна месту установки электродвигателя, так, что открытый торец вала расположен напротив упомянутого входного отверстия, а в центральной по длине зоне вала выполнены дополнительные отверстия для сообщения внутренней полости вала с рабочей камерой корпуса, в которой расположено по меньшей мере одно рабочее колесо.
В частном случае своего конструктивного исполнения боковые крышки корпуса механически могут быть сопряжены с валом посредством сальникового уплотнения. В предпочтительном варианте корпус предложенного устройства может быть выполнен из капролона.
Так же, как и в устройстве-прототипе, по краям по меньшей мере одного обода колеса при необходимости могут быть дополнительно выполнены два ряда сквозных отверстий. Корпус может содержать внутренний рабочий барабан, установленный так, чтобы разделить корпус на две части, одна из которых содержит по крайней мере одно рабочее колесо. При этом в указанном барабане напротив рабочего колеса выполнены щелевые пазы и сквозные отверстия.
Конструкция предложенного устройства для получения тепловой энергии пояснена фиг. 1, на которой показано данное устройство со всеми своими характерными особенностями, отраженными в пунктах 1-5 формулы.
Предложенное устройство для получения тепловой энергии, показанное на фиг. 1, содержит корпус в форме цилиндра, включающий в себя рабочий барабан 1 и боковые стенки 2, скрепленные между собой при помощи стяжных крепежных шпилек 19. Указанные детали корпуса в предпочтительном варианте своего конструктивного исполнения выполнены из капролона, например капролона-6Б. На оси симметрии указанного корпуса его боковые стенки 2 закрыты боковыми крышками 3 и 4. Рабочий барабан 1, боковые стенки 2 и боковые крышки 3 и 4 образуют рабочую камеру, в которой происходит нагрев рабочей жидкости. По оси симметрии корпуса, через боковые крышки 3, 4 проходит вал 5, который выполнен полым и открытым хотя бы с одного своего торца. Указанный вал 5 механически сопряжен с боковыми крышками 3 и 4, например, посредством сальникового уплотнения 6. Показанный на фиг. 1 вал выполнен полым с обоих концов. С одного из своих торцов вал 5 кинематически сопряжен с валом 20 электродвигателя, связанного с блоком управления (указанные электродвигатель и блок управления не показаны). При этом одна из упомянутых боковых крышек, например 3, размещена со стороны установки электродвигателя, а вторая боковая крышка 4 размещена со стороны, противоположной месту установки электродвигателя. В указанной боковой крышке 4 по оси ее симметрии выполнено входное отверстие 7, через которое рабочая жидкость поступает внутрь корпуса в рабочую камеру устройства для получения тепловой энергии. Данное входное отверстие 7 в боковой крышке 4 выполнено точно напротив открытого торца вала 5 так, чтобы рабочая жидкость могла из входного отверстия 7 перетекать во внутреннюю полость вала 5. В свою очередь, в центральной по длине зоне вала 5 выполнены дополнительные отверстия 8 для сообщения внутренней полости вала с рабочей камерой корпуса.
На валу 5 жестко крепятся рабочие колеса 9. При этом в зависимости от мощности двигателя и габаритных размеров устройства для получения тепловой энергии в целом может быть использовано разное количество таких рабочих колес 9. Минимально может использоваться только одно рабочее колесо 9, однако при необходимости таких рабочих колес 9 может быть и больше. На фиг. 1 показана схема устройства с двумя рабочими колесами 9. В каждом из указанных рабочих колес 9 имеются сквозные отверстия 10, сообщающиеся с радиальными отверстиями 18 и щелевым пазом 11, выполненным на поверхности обода рабочего колеса 9. Непосредственно в теле корпусе, например его рабочем барабане 1, выполнено выходное отверстие 12.
За счет того, что вал 5 выполнен полым, существенно уменьшается его вес по сравнению с устройством-прототипом, в котором вал выполнен сплошным. Соответственно из конструкции устройства-прототипа могут быть исключены тяжелые и громоздкие подшипники, на которые опирался вал, создающие дополнительные трения, а также значительно уменьшается вес всего устройства в целом. Следовательно, требуется гораздо менее мощный электродвигатель для того, чтобы раскрутить вал 5 и закрепленные на нем рабочие колеса 9 до заданного числа оборотов. В свою очередь, менее мощный электродвигатель также имеет меньший вес и потребляет гораздо меньше электроэнергии. Тем самым значительно повышается КПД предложенного устройства по сравнению с известным устройством-прототипом. Кроме того, предложенная схема подачи рабочей жидкости непосредственно через внутреннюю полость вала позволяет улучшить переток холодной рабочей жидкости в рабочую камеру устройства. Эксперимент показал, что, вращаясь вместе с валом, рабочая жидкость гораздо лучше засасывается в рабочую камеру за счет действующей на нее центробежной силы стенки вала, чем в устройстве-прототипе, где во входную магистраль требуется поставить мощный насос. Указанный факт также позволяет повысить КПД вышеописанного устройства.
По краям обода 13 рабочего колеса 9 дополнительно может быть выполнено два ряда сквозных отверстий 14. Это сделано для улучшения кавитации рабочей жидкости в процессе функционирования предложенного устройства. Количество таких сквозных отверстий в ряду может быть порядка 36 (на фиг. 1 для наглядности схематично показано только по два сквозных отверстия 14 на каждом рабочем колесе 9). Ряды отверстий относительно друг друга смещены на размер в половину расстояния между отверстиями. Края отверстий выполнены острыми.
Кроме того, корпус дополнительно может содержать еще один внутренний рабочий барабан 15, установленный таким образом, чтобы разделить корпус на две части: центральную и периферийную. Рабочие колеса 9 установлены в центральной части корпуса. Для того чтобы обеспечить переток рабочей жидкости из центральной части корпуса, где расположены рабочие колеса 9, в периферийную часть корпуса, где на рабочем барабане 1 (т.е. внешнем барабане) расположено выходное отверстие 12, во внутреннем рабочем барабане 15 напротив рабочих колес 9 выполнены соответствующие им щелевые пазы 16. В указанных щелевых пазах 16 выполнены сквозные отверстия 17.
Предложенное устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии холодная рабочая жидкость поступает в корпус через входное отверстие 7 в боковой крышке 4, которая противоположна месту установки электродвигателя. Затем данная рабочая жидкость через открытый торец вала 5 попадает во внутреннюю полость вала 5. При работающем электродвигателе, вал 20 которого кинематически сопряжен с валом 5, за счет центробежных сил рабочая жидкость через дополнительные отверстия 8, выполненные в центральной по длине зоне вала 5, перетекает из внутренней полости вала 5 в рабочую камеру корпуса, образованную рабочим барабаном 1 и боковыми стенками 2, где размещены рабочие колеса 9. Вращаясь вместе с валом 5 на больших оборотах, рабочие колеса 9 разгоняют рабочую жидкость, приводя ее во вращение относительно корпуса. Рабочая жидкость трется о боковые внутренние стенки 2 корпуса и рабочий барабан 1. Если в конструкцию устройства входит внутренний рабочий барабан 15, то рабочая жидкость испытывает вязкое трение о его внутреннюю поверхность.
Кроме того, дополнительно происходит периодическое сжатие и расширение кавитационных парогазовых пузырьков, что в соответствии с законами термодинамики трансформирует механическую энергию в тепловую. Также происходит постоянное схлопывание кавитационных пузырьков, ведущее к локальному нагреву их парогазовой смеси. Образующиеся кавитационные пузырьки в множественных вихрях на краях отверстий рабочих колес 9 отрываются и уносятся потоком откачиваемой жидкости к периферийной части корпуса. В результате такого вязкого трения рабочая жидкость нагревается примерно до 90°С.
Далее рабочая жидкость за счет всасывающего эффекта, полученного при отбрасывании к периферийным зонам основного потока рабочей жидкости с ободов 13 вращающихся рабочих колес 9, через сквозные отверстия 10, затем радиальные отверстия 18 и соответствующие им щелевые пазы 11 поступает в периферийную часть корпуса к рабочему барабану 1. Если в конструкцию устройства входит внутренний барабан 15, то нагретая таким образом рабочая жидкость поступает из центральной части корпуса в периферийную часть через щелевые пазы 16 и сквозные отверстия 17, которые выполнены в указанных щелевых пазах 16 внутреннего барабана 15 напротив рабочих колес 9. Далее нагретая рабочая жидкость через по меньшей мере одно выходное отверстие 12, выполненное в рабочем барабане 1, поступает в магистраль. Из магистрали теплоноситель может подаваться либо напрямую к потребителям тепла, либо, если рабочую жидкость требуется нагреть сильнее, еще на один рабочий круг в полость корпуса через входное отверстие 7, выполненное в боковой крышке 4.
Для второго частного варианта предложенного устройства, согласно которому по краям обода 13 рабочего колеса 9 дополнительно выполнено два ряда сквозных отверстий 14 ( по п.4 формулы), на наружных краях отверстий 14, в зазоре 0.5-1.5 мм между рабочей поверхностью колеса 3 и рабочим барабаном 1, возникают устойчивые кавитационные «вихри». Устойчивость кавитационных вихрей поддерживается за счет отрицательного давления внутри сквозных отверстий 14, создаваемого вращательным движением рабочих колес 9. В силу левого и правого расположения рядов отверстий на ободе рабочего колеса при его вращении кавитационные вихри одного ряда закручиваются влево, а другого - вправо. На плоскости ободов 13 рабочих колес 9 вихри двух рядов выглядят как попарно «сцепленные шестеренки», захватывающие внутрь обоюдонаправленного вращения и проталкивающие через себя порции жидкости, создавая при этом дополнительную «насосную тягу» при быстром вращении рабочих колес 9. В периферийной части корпуса, образованной поверхностями рабочего барабана 1 и боковыми стенками 2, происходит основное схлопывание кавитационных парогазовых пузырьков, гидравлическое выравнивание давления потока. В третьем частном варианте предложенного устройства (по п.5 формулы) указанный процесс проходит более интенсивно, поскольку указанная периферийная часть корпуса четко разграничена относительно центральной части при помощи стенки внутреннего рабочего барабана 15.
Предлагаемое устройство может быть использовано, в частности, для автономного жидкостного отопления взамен централизованного.
1. Устройство для получения тепловой энергии, содержащее корпус с двумя боковыми крышками, размещенный в корпусе вал, кинематически связанный с подключенным к блоку управления электродвигателем, и установленное на валу по меньшей мере одно рабочее колесо, в котором выполнены сквозные отверстия, сообщающиеся с щелевыми пазами, выполненными на поверхности обода рабочего колеса, при этом одна из упомянутых боковых крышек расположена со стороны установки электродвигателя, а вторая - со стороны, противоположной месту установки электродвигателя, устройство для получения тепловой энергии имеет одно входное и по меньшей мере одно выходное отверстие, которое выполнено непосредственно в корпусе данного устройства, отличающееся тем, что упомянутое входное отверстие выполнено на оси симметрии боковой крышки корпуса, противоположной месту установки электродвигателя, вал выполнен полым с по меньшей мере одним открытым торцом с возможностью протекания через него рабочей жидкости, поступающей в вал через упомянутое входное отверстие, причем вал механически сопряжен с той боковой крышкой корпуса, которая противоположна месту установки электродвигателя, так, что открытый торец вала расположен напротив упомянутого входного отверстия, а в центральной по длине зоне вала выполнены дополнительные отверстия для сообщения внутренней полости вала с рабочей камерой корпуса, в которой расположено по меньшей мере одно рабочее колесо.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что боковые крышки корпуса механически сопряжены с валом посредством сальникового уплотнения.
3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что корпус выполнен из капролона.
4. Устройство по любому из пп. 1 или 2, отличающееся тем, что по краям обода по меньшей мере одного рабочего колеса дополнительно выполнено два ряда сквозных отверстий.
5. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что корпус дополнительно содержит внутренний рабочий барабан, установленный таким образом, чтобы разделить корпус на две части, причем одна из указанных частей содержит по крайней мере одно рабочее колесо, при этом в указанном внутреннем рабочем барабане напротив колеса выполнены щелевые пазы со сквозными отверстиями.
