Устройство для нагрева жидкости

Полезная модель относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также может быть использовано в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей. В предложенном устройстве для нагрева жидкости повышен к.п.д. за счет того, что венец рабочего колеса выполнен в виде кольца 11 с лопастями 9, 10 и закреплен шарнирно через упругий элемент 15 к ступице 16, а очертание начальной по ходу вращения рабочего колеса границы вихреобразующей канавки 13 совпадает с профилем тыльной стороны лопасти 9, 10, причем контур вихреобразующей канавки 13 в поперечном сечении на входе выполнен с большой крутизной, а на выходе с пологим уклоном, при этом торцовые окончания лопастей 19 рабочего колеса могут быть выполнены эластичными, а сами лопасти 9, 10 рабочего колеса могут быть установлены с шагом отличным от шага расположения канавок 13, в том числе переменным. Устройство для нагрева жидкости также содержит по меньшей мере одну цилиндрическую вихревую камеру, на выходе из которой установлена камера торможения, гидравлически сообщенная с выходным каналом теплогенератора 1, ускоритель жидкости, выполненный в виде приводного лопастного насоса 2 с полуоткрытым или открытым рабочим колесом и корпусными стенками, снабженными вихреобразующими канавками 13. 4 п.ф.; 8 илл..

Полезная модель относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также может быть использована в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей

Известен теплогенератор (патент RU 2045715, кл. F25B 29/00), выполненный в виде цилиндрической камеры, закрутка потока в которой осуществляется ускорителем жидкости, обеспечивающим тангенциальный подвод подаваемой центробежным насосом жидкости в эту камеру со стороны ее торцевого входа. На выходе с другого торца вихревой камеры установлена камера торможения потока.

Недостатком этого технического решения является то, что в предложенной конструктивной схеме положительную функцию выполняет только генератор и не используются дополнительные возможности насоса по созданию звуковых колебаний для образования кавитации.

Известно устройство для нагрева жидкости (патент RU 2247906, кл. F25B 29/00, прототип), содержащее по меньшей мере одну цилиндрическую вихревую камеру, на выходе из которой установлена камера торможения, гидравлически сообщенная с выходным каналом теплогенератора, ускоритель жидкости, выполненный в виде приводного лопастного насоса с полуоткрытым или открытым рабочим колесом и корпусными стенками, снабженными вихреобразующими канавками.

В этой конструктивной схеме теплогенератор размещен внутри приводного насоса в виде периодичных функциональных элементов вокруг рабочего колеса, что позволило сократить габаритные размеры всей установки до размеров насоса, однако, сам активный элемент этого насоса, рабочее колесо, не участвует в создании звукового поля.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы насоса-теплогенератора, а также снижение энергопотребления привода насоса.

Поставленная задача решается следующим образом. В известном устройстве для нагрева жидкостей, содержащем по меньшей мере одну цилиндрическую вихревую камеру, на выходе из которой установлена камера торможения, гидравлически сообщенная с выходным каналом теплогенератора, ускоритель жидкости, выполненный в виде приводного лопастного насоса с полуоткрытым или открытым рабочим колесом и корпусными стенками, снабженными вихреобразующими канавками, рабочее колесо выполнено в виде диска с лопастями шарнирно закрепленного через упругий элемент на ступице, а очертание начальной по ходу вращения рабочего колеса границы вихреобразующей канавки совпадает с профилем тыльной стороны лопасти, причем контур вихреобразующей канавки в поперечном сечении на входе выполнен с большой крутизной, а на выходе с пологим уклоном, при этом торцовые окончания лопастей рабочего колеса могут быть выполнены эластичными, а сами лопасти рабочего колеса могут быть установлены с шагом отличным от шага расположения канавок, в том числе переменным.

Выполнение рабочего колеса в виде диска с лопастями, шарнирно закрепленного через упругий элемент на ступице позволяет использовать его, как преобразовательно-излучающую систему. При ударном воздействии на такое колесо оно начинает колебаться с собственной частотой колебаний (=1÷10 кГц) и излучать их в проходящий поток жидкости. Последовательные удары по венцу обеспечивают непрерывность процесса облучения жидкости звуковым полем, и кроме того, оно происходит от всей поверхности венца и воздействует на весь проходящий поток. При этом, во время прохождения отрицательного полупериода звуковой волны через каждую точку-зародыш (Фиг. 1), содержащейся в жидкости, вокруг него давление уменьшается до давления насыщенных паров и жидкость рвется с образованием парогазовой каверны. Последующее нарастание давления положительного полупериода приводит к схлопыванию такой каверны и получению в точке схлопывания очень высокой плотности энергии, которая и является источником тепла, а так же аномальным микрообъемом, в котором могут протекать различные технологические процессы (дегазация, диспергация, коагуляция, дезинфекция, и т.д.).

Ударное воздействие на рабочее колесо производится за счет выполнения очертания начальной по ходу вращения рабочего колеса границы вихреобразующей канавки в виде линии, совпадающей с профилем тыльной стороны лопасти, а также профилирование контура вихреобразующей канавки в поперечном сечении на входе с большой крутизной, а на выходе с пологим уклоном обеспечивает гидроударное импульсное воздействие жидкости на лопасть с ее тыльной стороны и передаче этого воздействия на диск рабочего колеса с последующим его колебательным процессом. Это происходит за счет того, что пока в насосе лопасть движется при вращении с диском вдоль ровной корпусной стенки с минимальным торцевым зазором, за ней создается разрежение, вплоть до образования кавитационной парогазовой макрополости (Фиг. 2).

В момент прохождения лопастью канавки в области ее торца внезапно по всей длине образуется канал для перетока части жидкости с рабочей стороны на тыльную, что влечет за собой резкое нарастание давления и схлопывание кавитационной полости с передачей на тыльную сторону лопасти импульса силы и ее наклон по ходу вращения (Фиг. 3). Пологий уклон на выходе при этом позволяет относительно плавно стабилизировать структуру потоков для входа в следующую канавку.

Выполнение торцовых окончаний каждой лопасти эластичными позволяет, путем вовлечения в рабочий процесс дополнительного источника энергии перетекающего через зазор потока, увеличить размеры парогазовой макрополости на тыльной стороне лопасти и, следовательно, повысить степень гидроимпульсного воздействия. В этом случае эластичное торцовое окончание поверхности лопасти повторяет плавную конфигурацию линий тока объемных утечек через торцовый зазор, сводя к минимуму гидравлические потери и увеличивая значение скоростной составляющей потока. Это обстоятельство перераспределяет параметры потока при незначительном расходе на уменьшение давления за лопастью с образованием дополнительного объема кавитационной макрополости.

То есть, схлопывание кавитационных макрополостей в момент прохождения лопастью канавки производит по ней удар, с передачей импульса силы всему колесу. Каждый такой удар вызывает вибрацию поверхности колеса, а вибрация образует по всему протекающему через него объему жидкости микрокаверны, схлопывание которых обуславливает выработку тепла и которые являются очагами протекания технологических процессов.

Вихревая камера, при этом, может быть выполнена и, как у прототипа (патент RU 2247906, кл. F25B 29/00), в совмещенном с насосом виде (Фиг. 4а), или в виде отдельного элемента (Фиг. 4б), как у аналога (патент RU 2045715, кл. F25B 29/00).

Полученная динамическая система управляема:

- для получения узкого диапазона частот и калиброванных амплитуд колебаний каждая из лопастей может быть закреплена на диске через упругую связь. В этом случае диск рабочего колеса исключается из колебательного процесса, а каждая лопасть будет участвовать в самой простой форме колебаний - относительно упругой заделки;

- для увеличения площади излучающей поверхности - лопасти устанавливаются на диске рабочего колеса жестко, а сам диск сопоставим по толщине и упругости с лопастями, при этом:

- для получения больших амплитуд при меньших частотах канавки располагаются с равномерным шагом, равным шагу лопастей;

- для получения больших частот при меньших амплитудах шаги этих подвижных и неподвижных элементов не совпадают;

- для получения большего многообразия частот шаги подвижных и неподвижных элементов могут быть переменными;

- для каждой жесткости венца можно инициировать первую, вторую и последующие собственные частоты.

Набор указанных возможностей по регулировке частоты рабочего процесса наряду с возможностью изменения скорости вращения рабочего колеса позволяет производить глубокое изменение акустических характеристик при работе устройства.

Другой важной особенностью этого процесса является то, что каждый такой гидроударный импульс на лопасть направлен в сторону ее вращения и, тем самым ускоряет ее движение, снижая момент на вращение всего рабочего колеса, а значит и потребляемую насосом мощность.

Предлагаемое изобретение пояснено чертежами:

Фиг. 1. Механизм процесса акустической кавитации;

Фиг. 2. Визуализация макрополости на тыльной стороне лопасти полуоткрытого рабочего колеса (фото рабочего процесса через оптически прозрачную переднюю крышку);

Фиг. 3. Демонстрация проявления ударного кавитационного импульса на лопастях, выполненных из пластичного материала.

Фиг. 4. Варианты структурной схемы устройства для нагрева жидкостей по размещению вихревой камеры;;

Фиг. 5. Разрез лопастного насоса;

Фиг. 6. Стадии образования гидродинамического импульса от схлопывания кавитационной полости;

Фиг. 7. Характер упругой волны венца рабочего колеса лопастного насоса;

Фиг. 8. Увеличение кавитационной полости за счет формирования перетока через торцовый зазор.

Устройство для нагрева жидкостей содержит по крайней мере одну вихревую камеру 1, которая может быть выполнена либо совмещенной с периферийной частью приводного лопастного насоса 2 (Фиг. 4а), либо в виде отдельного элемента (Фиг. 4б), соединенных трубопроводом 3, имеющим входной 4 и выходной 5 патрубки для подключения обслуживаемого устройства (на фиг. не показан). Приводной лопастной насос 2 состоит из корпуса 6, в котором размещен вал 7 с уплотнением 8 и полуоткрытое, или открытое рабочее колесо с одно или с двухсторонним входом.

При исполнении рабочего колеса открытым с двухсторонним входом (Фиг. 5), лопасти 9 и 10 установлены по обе стороны на его диске 11 с минимальными торцовыми зазорами 12 по отношению к корпусу 6, а на внутренних стенках корпуса имеются канавки 13, причем очертание начальной по ходу вращения рабочего колеса границы вихреобразующей канавки совпадает с профилем тыльной стороны лопастей 9 и 10 на соответствующих стенках корпуса 6. Контур вихреобразующей канавки 13 в поперечном сечении на входе выполнен с большой крутизной (Фиг. 6), а на выходе с пологим уклоном.

Само рабочее колесо выполнено в виде диска 11, шарнирно соединенного со спицами 14 через упругий элемент 15 и далее через ступицу 16 с валом 7. Выходное отверстие 17 корпуса 6 соединено с входным соплом вихревой камеры 1, а вход приводного лопастного насоса 2 с трубопроводом 3. Лопасти 9 и 10 могут быть закреплены на диске 11 или через упругую связь, или быть установлеными на нем жестко (Фиг. 7), причем, они могут иметь вблизи внутренних поверхностей корпуса 6 эластичное торцовое окончание 18 (Фиг. 8).

Шаг установки лопастей 9 и 10 может совпадать с шагом расположения соответствующих канавок 13, в особых конструктивных вариантах может не совпадать, а также быть переменным.

Цилиндрическая вихревая камера соединена с камерой торможения, которая при совмещенной конструкции с приводным лопастным насосом 6 выполняется в виде его отливного канала 19, а в раздельном варианте в виде цилиндрической камеры 20. Далее камера торможения или 19, или 20 сообщается с выходным каналом.

Работает устройство для нагрева жидкостей следующим образом. При вращении от механического привода (электродвигатель или ЛВС) вала 7, загерметизированного уплотнением 8, движение передается на ступицу 16 и далее через спицы 14 и упругий элемент 15 на венец, состоящий из кольца 11 и лопастей 9 и 10. (Фиг. 2). Лопасти 9 и 10 воздействуют на жидкость, разгоняя ее в окружное движение. За счет центробежного ускорения от вращения жидкость устремляется на большие радиусы, в результате чего, во-первых, она покидает пространство венца рабочего колеса и уходит через нагнетательный патрубок 17 во входное отверстие вихревой камеры 1. Во-вторых, за счет того, что в центральной части 16 насоса 2 из-за ушедшего объема образовалось разрежение, обусловившее разность давлений по отношению к трубопроводу, 3 из последнего жидкость движется в насос 2. Особенностью полуоткрытого или открытого рабочего колеса является то, что у него отсутствует покрывной диск и один из двух продольных краев лопастей 9 и 10 сопрягается с неподвижной внутренней поверхностью корпуса 6 насоса 2 и движется вдоль нее с минимальным торцовым зазором 12. Во время движения лопасти 9 в корпусе 6, заполненном перекачиваемой жидкостью, на лопасти создается разность давлений, обуславливающая крутящий момент на валу. Неподвижная стенка корпуса 6, ограничивающая с одной стороны межлопастной объем жидкости, за счет сил трения о<о нее увеличивает падение давления позади лопасти. А отрыв входного потока от горловины всасывающего патрубка (особенно на форсированных режимах работы) в еще большей степени снижает давление за входной кромкой на тыльной стороне лопасти (Иванов Е.Г., Структура течений в лопастном насосе с полуоткрытым рабочим колесом. Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития: Труды Международной научно-технической конференции. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008, с. 65-71.) В результате за входной кромкой лопасти в районе торцового зазора давление становится меньше давления насыщенных паров и образуется кавитационная каверна (Фиг. 2, Фиг. 6, положение 1). Кроме того, в зазоре 12 за счет высокой турбулизации потока имеет место щелевая кавитация, проходящая пузырьковую, зональную, отрывную фазы (Иванов Е.Г., Кавитация в полуоткрытом рабочем колесе центробежного насоса. Сборник докладов 6 съезда гидромеханизаторов России. - М.: МИЦ «ГИДРОМЕХАНИЗАЦИЯ)), 2012. с. 300-306).

В момент прохождения лопастью (9 или 10) канавки 13 зазор 12 увеличивается, гидравлические сопротивления через него уменьшаются, что вызывает мгновенный и интенсивный переток жидкости с рабочей стороны лопасти на тыльную в направлении кавитационной макрополости (Фиг. 6, положение 11). Это приводит к мгновенному их схлопыванию и образованию гидродинамического импульса на лопасть в направлении ее вращения (Фиг. 3, Фиг. 6, положение 111). Это обстоятельство предполагает возможность снижения крутящего момента на валу привода, а значит и мощности двигателя, что соответствует одной из поставленных целей в данной полезной модели - снижение энергопотребления привода насоса. Кроме того удар по лопастям 9 и 10 передается на диск 11 и по нему распространяется упругая волна с частотой, определяемой геометрическими параметрами и упругими свойствами диска 11 (Фиг. 7).

Совершая колебательные движения диск 11 и лопасти 9 (и 10) непрерывно передают упругие волны в проходящий поток жидкости. Жидкость всегда содержит особые частички - зародыши, в качестве которых могут выступать микропузырьки нерастворенного газа, твердые пылеватые включения, некоторые виды кластеров и т.д. При прохождении через каждую точку-зародыш отрицательного (Фиг. 1), вакуумметрического, полупериода звуковой волны жидкость в ней, как на концентраторе, разрывается с образованием парогазовой микрокаверны. Приход положительного, манометрического, полупериода упругой волны заставляет ранее образовавшиеся каверны схлопываться со скоростью встречного движения стенок, сопоставимой со скоростью звука в жидкости. В результате в течение короткого отрезка времени в локальной области пространства достигается высокая плотность энергии, что является причиной выделения тепла и стимуляции различных технологических процессов.

В этом случае, в фазе отрицательного полупериода происходит накопление некоторого запаса упругой энергии, а с приходом положительного полупериода (в виде дополнительной порции все той же упругой энергии) происходит их сложение и мгновенная концентрация.

При этом, оптимальные частоты звукового поля, следовательно, и размеры кавитационных каверн находятся в узких диапазонах значений. Так при малой частоте каждая микрокаверна вырастает в течение отрицательного полупериода до таких размеров, что за время положительного полупериода не успевает схлопнуться и поэтому только пульсирует, не создавая высокой плотности энергии (1. Назаренко А.Ф. Струйные излучатели. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М., МИХМ, 1982., 2. Эскин. Г.И. Ультразвук в металлургии. М., «Металлургия», 1970.)

При слишком высокой частоте звукового поля микрокаверны не достигнув должных размеров, не могут запасти достаточного количества энергии. Поэтому венец рабочего колеса должен: во-первых, быть настроенным на определенный диапазон частот, во-вторых, отделен от опоры упругой связью.

Для более точной настройки на заданные частоты лопасти могут быть установлены на массивном диске с помощью нормированных упругих связей, В этом случае диск исключается из процесса передачи жидкости колебаний, а искомые частоты будут определяться параметрами жесткости только этих упругих связей.

При этом, если число лопастей 9 (и 10) кратно числу канавок 13, то диск 11 одновременно будет получать удар от нескольких лопастей 9 или 10, и амплитуда колебаний будет максимальна. Если условие кратности нарушено, то в следующий момент напротив одной из канавок 13 оказывается другая лопасть и от нее возникает следующий импульс, который необходимо либо синхронно передать на диск 11 (в этот момент волна пришедшая от предыдущего удара должна отклонить лопасть в том же направлении, что и действующий импульс), либо передать его, когда волна от предыдущего импульса затухнет (за время между импульсами диск совершит около десяти колебаний).

По мере дальнейшего похождения лопастью 9 или 10 канавки 13 зазор 13 постепенно сокращается, течение в нем упорядочивается, переток сокращается и вновь за лопастью образуется область отрыва и кавитационная макрополость. Цикл повторяется.

Выполнение торцовой части лопасти 9 (и 10) эластичной 18 позволяет вход в зазор выполнить, повторяя плавную конфигурацию линий тока, т.е. с минимальными гидравлическими потерями (Фиг 8). Сокращение потерь и высокая разность давлений перед зазором и в зазоре (расчетные сечения 1-1 и 2-2) обеспечивают значительную величину скорости перетока (при минимальных поперечных размерах течения) в плоскости 2-2, что вызывает за счет возрастания скоростной составляющей снижение пьезометрической, вплоть до давления насыщенных паров. Образуется дополнительное кавитационное пространство, которое в совокупности с имеющейся областью кавитационной каверны при схлопывании увеличивает гидродинамический импульс на лопасть.

В итоге возникает автоколебательная система:

- движение лопасти 9 (и 10) относительно внутренней поверхности неподвижной стенки корпуса 6 лопастного насоса 2 порождает кавитационные макрополости, которые благодаря канавкам на внутренних стенках корпуса 6 схлопываются по заданной закономерности;

- гидроударные импульсы, частота которых определяется частотой вращения рабочего колеса, числом лопастей, числом канавок передаются синхронно на рабочее колесо, которое за счет своих упругих свойств колеблется с собственной частотой и обширной поверхностью излучает акустические волны по всей проточной части насоса. В этом случае импульсными воздействиями от схлопывания макрокавитационных полостей происходит накачка энергии в упругую механическую систему рабочего колеса, преобразование ее на нем под требуемую частоту и далее излучение в необходимой форме и по всему объему на проходящий поток;

- при акустическом облучении проходящего потока жидкости на его точках-зародышах в течение вакуумметрической фазы звуковой волны происходит накопление упругой энергии. В момент схлопывания микрокаверны этот запас упругой энергии локализуется в сверхмалых объемах и концентрируется в узком интервале времени, доводя плотность энергии до значений, сопоставимых с энергией взрыва;

- достигнутая плотность энергии достаточна для получения тепла, а так же для развития и протекания различных технологических процессов.

После прохождения проточной части рабочего колеса насоса 2 жидкость через выходное отверстие 17 корпуса 6 (напорный патрубок) попадает в вихревую камеру 1 (Фиг. 5), или в несколько вихревых камер 1, расположенных по наружному диаметру рабочего колеса (Фиг. 4а), в зависимости от исполнения устройства (соответственно по схеме аналога или прототипа). Войдя в вихревую камеру 1 по тангенциальному входу, жидкость совершает в ее улиткообразном корпусе почти полный оборот и взаимодействует с последующими своими же входными компонентами. При взаимодействии двух разнонаправленных компонентов одного и того же потока имеет место их конкуренция с периодическим характером, что и является источником звукообразования.

Таким образом, жидкость сама вырабатывает акустический сигнал и сама себя, один раз в лопастной системе насоса 2, а второй в улитке облучает звуковым полем. То есть за один цикл производится двукратная ее обработка, и, следовательно, нагрев - что способствует достижению второй поставленной в данной полезной модели цели - повышает эффективность работы устройства для нагрева жидкостей.

После выхода жидкости из вихревой камеры 1 через осевое отверстие она попадает в камеру торможения, выполненную либо в виде отливного канала 19 (при совмещенной конструкции вихревой камеры с приводным лопастным насосом - прототип), либо в виде цилиндрической камеры 20 (при раздельном варианте исполнения - аналог) тормозится в ней, переходя из вихревого режима течения в поступательное, и попадает сначала в трубопровод 3, а далее из него во входное отверстие насоса 2 и цикл повторяется.

Для включения устройства в отопительные системы в трубопроводе 3 предусмотрены входная 4 и выходная 5 врезки. Причем, на патрубке врезки 4 имеет место вакуум, а на патрубке врезки 5 избыточное давление, что обеспечивает циркуляцию теплоносителя по контуру отопительной системы. В данном случае образован параллельный трубопровод, в ветвях которого скорости циркуляции жидкости определяются по условию равных гидравлических сопротивлений, следовательно, по трубопроводу 3 н нциркуляция жидкости будет происходить более интенсивно, а по отопительной системе менее интенсивно по причине ее большей протяженности и наличия в ней большого количества местных сопротивлений. Опыт эксплуатации таких систем показывает целесообразность применения в отопительных контурах дополнительных циркуляционных насосов.

Аналогичные устройства в виде гидравлических свистков и гидравлических сирен широко использовались в 60-е годы 20 столетия в химических производствах, в металлургической и горнодобывающей отраслях, в пищевой промышленности, например при производстве вин, в нефтехимии и т.д., и показали очень высокую эффективность. В 90-е годы 21 века они начали использоваться в качестве нагревательных устройств. Однако, предлагаемая конструкция устройства для нагрева жидкости имеет ряд преимуществ перед известными техническими решениями:

- обработка жидкости происходит наиболее полно, в две стадии, в самом насосе «плюс в вихревой камере;

- нагнетательная часть нагревательного устройства по сложности не превышает уровень обычных центробежных насосов;

- в качестве нагнетательных элементов в устройствах для нагрева жидкости возможно использование с незначительными переделками известных серийно выпускаемых центробежных насосов;

- любому центробежному насосу, используемому только в качестве перекачивающего устройства, возможно обеспечить одновременную дополнительную функцию для обработки перекачиваемой среды: нагрева, дезинфекции, дегазации, диспергирования и т.д.

1. Устройство для нагрева жидкости, содержащее по меньшей мере одну цилиндрическую вихревую камеру, на выходе из которой установлена камера торможения, гидравлически сообщенная с выходным каналом теплогенератора, ускоритель жидкости, выполненный в виде приводного лопастного насоса с полуоткрытым или открытым рабочим колесом и корпусными стенками, снабженными вихреобразующими канавками, отличающееся тем, что рабочее колесо выполнено в виде диска с лопастями, шарнирно закрепленного через упругий элемент на ступице, а очертание начальной по ходу вращения рабочего колеса границы вихреобразующей канавки совпадает с профилем тыльной стороны лопасти, причем контур вихреобразующей канавки в поперечном сечении на входе выполнен с большой крутизной, а на выходе с пологим уклоном.

2. Устройство для нагрева жидкости по п. 1, отличающееся тем, что торцовые окончания лопастей рабочего колеса выполнены эластичными.

3. Устройство для нагрева жидкости по п. 1, отличающееся тем, что лопасти закреплены на диске через упругую связь.

4. Устройство для нагрева жидкости по п. 1, отличающееся тем, что лопасти рабочего колеса установлены с шагом, отличным от шага расположения канавок, в том числе переменным.

РИСУНКИ