формула изобретения
1. гидродинамический нагреватель текучих сред, содержащий по существу цилиндрический полый корпус с
5 перегородкой, имеющей сквозные круглые отверстия и разделяющей полость корпуса на первую камеру и вторую камеру, со входом для текучей среды во вторую камеру и выходом для текучей среды из первой камеры, рабочее колесо насоса, установленное в первой камере, всасывающее ю отверстие которого расположено соосно с корпусом, и привод, связанный с валом рабочего колеса насоса, отличающийся тем, что одно из отверстий выполнено в центральной части перегородки соосно со всасывающим отверстием рабочего
15 колеса насоса, при этом всасывающее отверстие рабочего колеса обращено к указанному центральному отверстию, и по меньшей мере два отверстия в перегородке имеют одинаковые диаметры, которые меньше диаметра центрального отверстия, и выполнены центрально симметрично по отношению к центру
20 перегородки и вход для текучей среды во вторую камеру выполнен в торцевой стенке корпуса соосно с центральным отверстием.
2. гидродинамический нагреватель по п. 1, отличающийся 25 тем, что отверстия меньшего диаметра имеют форму сопел.
3. гидродинамический нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что проходное сечение центрального отверстия по существу равно проходному сечению всасывающего отверстия рабочего колеса насоса.
5
4. гидродинамический нагреватель по п . 1, отличающийся тем, что всасывающее отверстие рабочего колеса насоса расположено в плоскости перегородки.
ю 5. гидродинамический нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что вход для текучей среды во вторую камеру снабжен патрубком, продолжающимся в направлении центрального отверстия, и предназначенным для соединения с трубопроводом системы потребителя тепла.
15 б. гидродинамический нагреватель по п. 5, отличающийся тем, что указанный патрубок заканчивается вблизи всасывающего отверстия рабочего колеса насоса.
20 7. гидродинамический нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что привод выполнен в виде электродвигателя и установлен в первой камере .
8. гидродинамический нагреватель по п. 1, отличающийся 25 тем, что привод установлен за пределами цилиндрического полого корпуса . |
гидродинамический нагреватель текучих сред
изобретение относиться к гидродинамическим нагревателям текучих сред, которые могут быть использованы как источники тепла, преимущественно в замкнутых автономных системах теплоснабжения, горячего водоснабжения в оборотных системах типа автомоек, очистных сооружений, а также для нагрева пищевых жидкостей и нефтепродуктов.
здесь и далее применительно к изобретению под термином «тeкyчaя cpeдa» - следует понимать такие ньютоновские и неньютоновские жидкие теплоносители, как вода и водные растворы веществ, или иные подходящие жидкости с высокими удельными теплоемкостью и теплотой парообразования; под термином «гидpoдинaмичecкий нaгpeв» - преобразо- вание кинетической энергии турбулентного потока текучей среды в теплоту вследствие трения жидкости о жидкость,
вследствие трения жидкости о стенки каналов при ее протекании в пределах устройства и вследствие образования и схлопывания кавитационных пузырьков преимущественно в специально спрофилированных соплах и насадках. известно, что традиционная система теплоснабжения здания включает устройство нагрева и устройство подачи нагретой среды, выполненное в виде циркуляционного насоса. при этом его мощность составляет 3-7% от мощности устройства нагрева. учитывая, что циркуляционный насос работает практически непрерывно, а устройство нагрева в среднем в течение отопительного сезона используется на 50-60% от своей номинальной мощности, можно считать, что около 10% всей затрачиваемой энергии расходуется на работу насоса для циркуляции жидкости по тепловой системе. естественное желание использовать энергию самого насоса для получения дополнительного тепла, а также непритязательность к качеству нагреваемой жидкости привели к созданию класса нагревателей, в основе которых лежит идея преобразования кинетической энергии жидкости, производи- мой насосом, в тепловую. подобные нагреватели, названные гидродинамическими, не содержат традиционных конвективных поверхностей нагрева и в последнее время получают всё большее распространение, в частности, в автономных системах теплоснабжения. в составе таких систем используют гидродинамические нагреватели текучих сред, которые содержат электродвигатель, насос, по меньшей мере одно средство преобразования
кинетической энергии потока текучей среды в теплоту и средства для подключения насоса к входу в систему теплоснабжения и выходу из нее .
например, из публикации WO 98/42987 международной за- явки рст/Uа 97/00003 (в частности фигур 8 и 9) известен нагреватель, имеющий отдельно стоящие насос с приводом вращения и вертикальный проточный резервуар-аккумулятор тепла, который подключен питающим и отводящим патрубками - соответственно к источнику холодной и к потребителям горячей воды, придонной частью - к всасывающему патрубку насоса, а верхней частью, через средство возбуждения гидродинамической кавитации - к выходу из насоса. указанным средством служит напорный патрубок сравнительно большого диаметра с двумя существенно меньшими по диаметру симмет- ричными байпасными патрубками для отбора части текучей среды из нагнетательного патрубка насоса и ее возврата в основной поток этой же среды в виде возмущающих струй.
это устройство достаточно быстро выходит на рабочий тепловой режим и весьма эффективно при отоплении и/или горячем водоснабжении многоквартирных жилых домов или крупных общественных зданий. однако оно сложно по конструкции, громоздко и не приспособлено для систем отопления коттеджей. следует также отметить, что тепло, генерируе- мое работающим электродвигателем насоса и самим насосом, безвозвратно теряется.
поэтому желательно, чтобы устройство было более компактным, по меньшей мере, один из этих узлов был погружен в жидкий теплоноситель внутри аккумулятора тепла.
из числа гидродинамических нагревателей такого типа к предлагаемому далее устройству по технической сути наиболее близко устройство для нагрева жидкостей согласно рст/Uа 02/00010/ (WO 03/025474 Al) . устройство имеет проточный корпус-аккумулятор тепла с патрубками для подключения к напорной (горячей) и возвратной (холодной) ветвям системы теплоснабжения, одноступенчатый центробежный насос для нагнетания нагреваемой текучей среды, установленный внутри корпуса- аккумулятора тепла, и электродвигатель, жестко закрепленный относительно корпуса-аккумулятора тепла, кинематически связанный с валом рабочего колеса насоса, при этом полный корпус-аккумулятор тепла разделен поперечной перегородкой на две камеры, которые сообщаются между со- бой либо п-образным байпасным трубопроводом, либо перфорационными отверстиями, насос расположен в той камере корпуса-аккумулятора тепла, которая оснащена патрубком для подключения к напорной (горячей) ветви системы теплоснабжения, электродвигатель расположен внутри второй камеры корпуса-аккумулятора тепла и его рабочий вал свободно пропу-
щен через указанную поперечную перегородку и жестко связан с валом рабочего колеса насоса.
в таком гидродинамическом нагревателе кинетическая энергия текучей среды преобразуется в тепловую энергию вследствие срыва ее турбулизированного потока с рабочего колеса насоса (в том числе с эффектом регулируемой кавитации) , трения жидкости о жидкость внутри камеры, где установлен насос, и трения жидкости о стенки тракта рециркуляции между камерами . недостатком указанного нагревателя является его неустойчивая работа при повышенной температуре из-за неустойчивой работы насоса, связанной со значительным сопротивлением п-образного трубопровода, соединяющего первую камеру со второй. особенно этот эффект, вплоть до срыва ра- боты насоса, проявляется при температурах близких к температуре кипения жидкости. для воды эта температуры более 88 0 C.
к тому же наличие внешней трубопроводной обвязки увеличивает внешние габариты нагревателя. в основу изобретения положена задача усовершенствованием конструкции теплогенератора создать такой гидродинамический нагреватель текучих сред, который обладал бы как можно меньшей теплоизлучающей поверхностью и как можно более высокой надежностью. поставленная задача решена тем, что в гидродинамическом нагревателе текучих сред, включающем:
по существу цилиндрический полый корпус с перегородкой, имеющей сквозные круглые отверстия и разделяющей полость корпуса на первую камеру и вторую камеру, со входом для текучей среды во вторую камеру и выходом для текучей среды из первой камеры, рабочее колесо насоса, установленное в первой камере, всасывающее отверстие которого расположено соосно с корпусом, и привод, связанный с валом рабочего колеса насоса, согласно изобретательскому замыслу одно из отверстий выполнено в центральной части перегородки соосно со всасывающим отверстием рабочего колеса насоса, при этом всасывающее отверстие рабочего колеса обращено к указанному центральному отверстию, и по меньшей мере два отверстия в перегородке имеют одинаковые диаметры, которые меньше диаметра центрального отверстия, и выполнены центрально симметрично по отношению центру перегородки, и вход для текучей среды во вторую камеру выполнен в торцевой стенке корпуса соосно с центральным отверстием. в таком гидродинамическом нагревателе кинетическая энергия текучей среды преобразуется в тепловую энергию вследствие срыва ее турбулизованного потока с рабочего колеса (в том числе с эффектом регулируемой кавитации) , трения жидкости о жидкость внутри камеры, где установлен насос, пульсаций давления при перетекании жидкости между камерами. указанные форма выполнения корпуса-аккумулятора тепла, взаиморасположение и взаимосвязь рабочего колеса и
всасывающего отверстия, первой и второй камер не только сокращают общую теплоизлучающую поверхность и, соответственно, потери тепла в окружающую среду, но и существенно повышают надежность нагревателя в целом. замена внешней связи между камерами в виде п-образного трубопровода на внутреннюю в виде отверстий в перегородке снижает вибрацию системы и улучшает подвод нагреваемой среды к рабочему колесу насоса, увеличивая тем самым ее надежность и долговечность в работе. первое дополнительное отличие состоит в том, что отверстия меньшего диаметра имеют форму сопел. это существенно уменьшает условие перетекания жидкости между камерами и, в частности, шумность гидродинамического нагревателя. второе дополнительное отличие состоит в том, что площадь проходного сечения центрального отверстия по существу равна площади проходного сечения рабочего колеса насоса. это улучшает режим работы насоса.
третье дополнительное отличие состоит в том, что вса- сывающее отверстие рабочего колеса насоса лежит в плоскости перегородки. это обеспечивает оптимальный режим работы насоса.
четвертое дополнительное отличие состоит в том, что вход текучей охлажденной среды во вторую камеру снабжен патрубком, продолжающимся в направлении центрального отверстия и предназначенным для соединения с трубопроводом
системы потребления тепла. это улучшает циркуляцию теплоносителя в системе потребления тепла.
пятое дополнительное отличие состоит в том, что этот патрубок заканчивается вблизи всасывающего отверстия ра- бочего колеса насоса. это обеспечивает максимальную циркуляцию теплоносителя в системе потребления тепла и увеличивает кавитационный запас рабочего колеса насоса.
шестое дополнительное отличие состоит в том, что рабочее колесо связано с электродвигателем, установленным в первой камере. это обеспечивает максимальную эффективность т.к. потери тепла от электродвигателя идут на нагрев текучей среды в нагревателе .
седьмое дополнительное отличие состоит в том, что рабочее колесо насоса связано с приводом, установленным за пределами корпуса нагревателя. это позволяет использовать в качестве двигателя дизельный агрегат, ветродвигатель и т.д., не исключая и использование электродвигателя.
далее сущность изобретения поясняется описанием конструкции и работы предлагаемого нагревателя со ссылками на приложенные чертежи, где изображены на: фиг .1 - гидродинамический нагреватель текучих сред (продольный разрез) ; фиг .2 - перегородка с отверстиями; фиг .3 - схема установки сопел; фиг .4 - схема потоков жидкости.
гидродинамический нагреватель текучих сред может быть изготовлен в широком наборе частных конструктивных вари-
антов, различных по выходной мощностью, габаритам и количеству вспомогательных узлов и деталей. однако независимо от конструктивного выполнения все нагреватели согласно изобретению имеют следующие части (см. фиг.l): полный корпус 1 с патрубками 2 и 3 для подключения соответственно к напорной (горячей) и возвратной (холодной) ветвям системы теплоснабжения, который разделен поперечной перегородкой 4 на две камеры 5 и б, камеры сообщаются между собой; центральное отверстие 7 в перегородке 4 и, по меньшей мере, два отверстия 8 меньшего диаметра; отверстия 8 снабжены соплами 9; рабочее колесо насоса 10 для нагнетания нагреваемой текучей среды, установлено внутри первой камеры 5 корпуса 1, которая оснащена, по меньшей мере, одним патрубком 2 для подключения к напорной ветви системы теплоснабжения, и привод (на чертеже не показан) связанный валом 11 с рабочим колесом насоса 9. для удобства изготовления, монтажа и эксплуатации целесообразно, чтобы полный корпус 1 имел круглое поперечное сечение и " чтобы его геометрическая ось совпадала с геометрическими осями рабочего колеса насоса 10 и перегородки 4 и входом для текучей среды 3. на фиг.2 изображена перегородка 4, разделяющая корпус на первую и вторую камеру с центральным отверстием 7 и отверстиями 8 одинакового диаметра.
отверстия 8 располагаются центрально симметрично относительно оси нагревателя.
на фиг .3 изображено сечение перегородки 4 в районе отверстий малого диаметра 8 с установленными гидродинами- 5 ческими соплами 9 соосно с отверстием.
на фиг .4 показано течение 12, формируемое струями во второй камере б. в районе всасывающего отверстия рабочего колеса насоса 9 показаны линии тока характерного течения 13. часть линий тока жидкости этого течения, изображенных ю на фиг.4 стрелками, образовано продолжением линий тока «oбpaтнoгo» течения 14.
описанный гидродинамический нагреватель текучих сред работает таким образом.
после монтажа, подключения к системе отопления и/или 15 горячего водоснабжения и заполнения всех полостей гидравлической системы выбранной текучей средой, включают привод (обычно приводом является электромотор) . рабочее колесо насоса 9 при вращении создает повышенное давление на периферии и пониженное давление в центральной части в 20 районе всасывающего отверстия 7 (см. соответствующие стрелки на фиг.4) . соответственно, текучая среда с относительно низким напором входит через центральное отверстие 7 в полость рабочего колеса насоса 10 ускоряется им и покидает эту полость через сопла 9 установленные в от- 25 верстиях 8.
в режиме запуска, когда весь заполненный текучей средой объем гидродинамического нагревателя обычно отключен
от системы отопления, турбулизованная (и, в частности, кавитирующая) текучая среда циркулирует «в малом конту- pe», переходя из «нacocнoй» камеры 1 сквозь отверстия 8 и входя в нее через центральное отверстие 7 в перегородке 4 в зону всасывания рабочего колеса насоса 10.
после достижения заданной исходной температуры, нагреваемая среда через патрубки 2 и 3, снабженные запорно- регулирующей арматурой (на чертеже не показана) , поступает в систему отопления. в этом основном рабочем режиме большая часть текучей среды циркулирует в описанном малом контуре, а меньшая ее часть вытесняется рабочим колесом 10 через напорный патрубок 2 в систему отопления и, охладившись, возвращается через патрубок 3 во вторую камеру 6 в зону всасывающего отверстия колеса 10. для выключения нагревателя достаточно отключить двигатель (привод) .
согласно фигуре 4, поток жидкости из второй камеры б попадает через всасывающее отверстие рабочего колеса насоса 10 и ускоряется им. на периферии рабочего колеса возникает давление, под действием которого большая часть потока направляется в отверстия меньшего диаметра 8, формируя струйные течения 12. часть потока попадает в напорный патрубок 2 для подачи в систему теплоснабжения. относительно небольшое количество жидкости попадает вновь в область 13 всасывающего колеса насоса и захватывается им. струи 12, достигнув торцевой поверхности корпуса, тормозятся ею и формируют обратное течение 14, которое эжекти-
рует жидкость из всасывающего патрубка 3 и направляет ее в область всасывающего отверстия рабочего колеса насоса.
расположение всасывающего отверстия рабочего колеса в полости перегородки уменьшает гидравлическое сопротивле- ние при всасывании жидкости. при этом с целью уменьшения перетекания жидкости между первой и второй камерой через кольцеобразную щель между входом в рабочее колесо и центральным отверстием, целесообразно минимизировать площадь этой щели. по этой причине оптимальным является вариант выполнения нагревателя, у которого диаметры всасывающего отверстия рабочего колеса насоса и центрального отверстия совпадают, как это изображено на фиг .4.
гидравлические сопла 9, установленные в отверстиях 8 могут иметь различную геометрическую форму. важно чтобы при их работе реализовывалась безкавитационная форма истечения жидкости. наличие кавитации, особенно при температурах близких к температуре кипения жидкости, может повлечь к вибрации нагревателя и нежелательному шумовому эффекту. подача дополнительного количества жидкости к всасывающему отверстию рабочего колеса насоса через патрубок (на фиг .1 не обозначен) продолжающийся в направлении центрального отверстия и в оптимальном случае, заканчивающийся вблизи него, обеспечивает его устойчивую работу, особенно при высоких температурах, близких к температуре кипения жидкости, увеличивая кавитационный запас насоса. соответственно эффективность нагрева жидкостей увеличива-
ется. при этом циркуляция жидкости во внешней системе теплоснабжения улучшается за счет эффекта дополнительного разряжения на входе в нагреватель .
в описанном гидродинамическом нагревателе кинетиче- екая энергия движущейся жидкости интенсивно нагревается за счет турбулизации на рабочем колесе насоса, о стенки первой и второй камер, за счет пульсаций давления при переходе из первой камеры во вторую. активное перемешивание прочей жидкой среды способствует интенсификации нагрева жидкости в полости гидродинамического нагревателя.
приведенные примеры осуществления изобретения и типовое описание работы не исчерпывают все конкретные конструкции и все возможные аспекты применения гидродинамического нагревателя и не ограничивают объем прав заявителя. действительно:
- все контактирующие с окружающей средой части нагревателя должны иметь подходящую теплоизоляцию, которая не показана и не обозначена на фиг.l;
- поперечные размеры «пepвoй и втopoй» камер могут быть неодинаковыми по сечениям и зависеть от конкретных поперечных размеров рабочего колеса насоса 9 и от желаемой суммарной теплоемкости нагревателя;
- на патрубках 2 и 3 могут быть установлены собственные краны и/или вентили, которые, ради упрощения, не показа- ны и не обозначены на фигурах;
- патрубки 2 и 3 могут иметь произвольные подходящие средства для соединения с соответствующими ветвями системы отопления;
- в блоке с нагревателем может быть поставлен (с соот- ветствующей трубопроводной обвязкой) дополнительный бак- аккумулятор нагретого теплоносителя, который используют в ночное время для накопления тепла, а в дневное - для его отдачи.
- форма отверстий меньшего диаметра 8 может быть близка по форме к окружности, например эллиптической. при этом важно, чтобы их расположение оставалось центрально симметричным относительно оси нагревателя.
Next Patent: METHOD FOR TINTING A DOUBLE GLASS PANE