Вихревой циклический теплогенератор
Полезная модель относится к теплотехнике, в частности, к устройствам для получения тепла, выделяющегося при разрыве внутримолекулярных связей в жидкости при ее движении с высокими скоростями, которое может быть использовано для генерации тепла в системах с небольшим количеством потребления тепловой энергии: для разогрева отдельных агрегатов в автомобилях, авиационной, космической и бытовой технике. Предложенная полезная модель направлена на решение такой задачи, как получение тепла с наименьшими потерями энергии (как можно большем КПД) при предотвращении разрушения рабочих органов теплогенератора. Указанная задача решается тем, что в известном вихревом циклическом теплогенераторе, содержащем осесимметричный корпус, образовано две разделенные перегородкой камеры, первая из которых выполнена герметичной и заполнена рабочей жидкостью, и включает в себя центральную конусообразную полость, сообщенную с ней в ее узкой части горообразную полость и ряд выполненных симметрично относительно оси корпуса каналов, сообщающих горообразную полость с центральной конусообразной полостью в ее широкой части вблизи разделяющей камеры перегородки, вторая камера сообщена с потребителем тепла посредством входного и выходного отверстий, при этом внутри центральной конусообразной полости первой камеры симметрично относительно оси корпуса с гарантированным зазором установлен оснащенный приводом ротор, выполненный в форме полого конуса с открытым основанием, внутрь которого с гарантированным зазором помещен конусообразный статор, в районе вершины которого выполнены отверстия. В предпочтительном варианте реализации предложенного устройства с внешнего края ротора попарно выполнены малые конусообразные углубления, между каждой парой которых выполнена проточка, а в теле корпуса в его внутренней стенке напротив указанных конусообразных углублений также выполнено такое же число аналогичных конусообразных углублений, между которыми также выполнена проточка.
Предложенная полезная модель относится к теплотехнике, в частности, к устройствам для получения тепла, выделяющегося при разрыве внутримолекулярных связей в жидкости при ее движении с высокими скоростями, которое может быть использовано для генерации тепла в системах с небольшим количеством потребления тепловой энергии: для разогрева отдельных агрегатов в автомобилях, авиационной, космической и бытовой технике.
Известен тепловой насос, раскрытый в авторском свидетельстве SU 458691 А, опубликованном 30.01.1975, МПК F 25 B 29/00. Указанное устройство относится к классу теплогенераторов, использующих для получения тепловой энергии изменение физико-механических параметров воды, в частности, изменение ее давления, объема и скорости. Указанный тепловой насос содержит устройство для сжатия рабочей жидкости и теплообменники для подвода к рабочему телу тепла низкого и отвода тепла высокого потенциалов, сообщенные с указанным устройством посредством системы вентилей. В качестве подобных теплообменников выступают соответственно батарея и радиатор. Устройство для сжатия рабочей жидкости выполнено в виде герметичного сферического сосуда со змеевиком внутри и с насосом для сжатия рабочей жидкости до 1000 атмосфер. Указанный змеевик обоими своими концами подключен к радиатору. Тепло от нагретой жидкости снимают промежуточным теплоносителем.
Недостатком описанного выше устройства является необходимость создания в герметичном сферическом сосуде очень высокого давления (до 1000 атмосфер), что требует повышенной прочности уплотнительных элементов сосуда. Как следствие это приводит к существенному усложнению технологии изготовления подобного устройства и повышению его стоимости.
Известен также теплогенератор, раскрытый в описании к патенту RU 2241917 С2, опубликованном 10.12.2004, МПК-7 F 25 J 3/00. Указанный теплогенератор состоит из наружного конуса с входным, двумя кольцевыми и выходным патрубками, внутреннего конуса, закрытого крышкой и переходящего в дренажный стакан, имеющий регулятор разрежения, и кран для слива воды. При этом на внутренней поверхности наружного конуса выполнены винтовые каналы для протока воды, а внутренний конус имеет продольные сквозные, расположенные по касательной к внутренней поверхности конуса узкие щелевые отверстия, ориентация поперечного сечения которых совпадает с направлением движения воды. В основу работы данного теплогенератора положен тот принцип, что нагрев воды осуществляется вследствие адиабатических процессов, происходящих с водой при ее прохождения с большой скоростью и под давлением через упомянутые узкие щелевые отверстия.
Недостатком описанного устройства является то, что процесс нагрева воды полностью зависит от качественных параметров подачи ее из системы водопровода, то есть, возможны скачки давления как вверх, так и вниз до полного отсутствия в часы интенсивного разбора воды. Следовательно, эффективность этого устройства полностью зависит от системы водопровода. Также минусом является постоянный расход воды, который в большинстве случаев является существенным фактором.
В качестве прототипа предложенного технического решения может быть принято устройство, реализующее способ получения тепла, раскрытое в описании к патенту RU 2242684 С1, опубликованном 10.12.2004, МПК-7 F 24 J 3/00. В качестве данного устройства выступает вихревой роторный циклический теплогенератор, содержащий герметичную емкость, заполненную жидким теплоносителем, в которой размещены оппозитно неподвижные тарельчатые рабочие органы и расположенный между ними с гарантированным зазором S закрепленный на приводном валу подвижный
дискообразный рабочий орган, имеющий на своих торцевых поверхностях равномерно расположенные по окружности наклонные относительно друг друга завихрители, и патрубки подачи и отбора жидкого теплоносителя. Данный теплогенератор снабжен закрепленным на конце приводного вала подвижного дискообразного рабочего органа торовым завихрителем, емкость выполнена в виде звуко- и термоизолирующего кожуха из соединенных по периметру замкнутой кольцевой обечайкой передней центральной частью с выпуклой полусферической соосной с осью вращения торового завихрителя и задней с центральным на ее внутренней поверхности дискообразным выступом крышек, неподвижные тарельчатые рабочие органы - в виде образующих корпус и связанных по наружным торцам кольцевой замкнутой по периметру перемычкой, передней с охватывающим концентрично торовый завихритель центральным в виде усеченного конуса проемом и задней стенок, завихрители - в виде замкнутых в плане канавок, патрубки подачи и отбора жидкого теплоносителя установлены соответственно на задней крышке звуко- и теплоизолирующего кожуха и задней стенки корпуса, при этом заполненное жидким теплоносителем пространство между внутренней поверхностью звуко- и термоизолирующего кожуха и корпусом разделено на ограниченную внутренней поверхностью выпуклой центральной полусферической передней частью звуко- и термоизолирующего кожуха активную зону и переходящую в нее пассивную зону смешения части нагретого до заданной температуры жидкого теплоносителя с вновь подаваемым холодным жидким теплоносителем.
Недостатком описанного устройства является очень низкая скорость раскрутки жидкости на первом этапе, так как тангенциальные скорости в районе вала не велики, что требует дополнительных устройств для увеличения скорости вращения вала. А на втором этапе работы устройства сильные завихрения, образованные наклонными относительно друг друга завихрителями в виде канавок, приводят к быстрому разрушению последних. Кроме того возрастает крутящий момент на рабочий орган, и соответственно
на вал приводного ротора двигателя, так как при начальном разогреве воды до температуры 63°С, присутствует нежелательный кавитационный процесс.
Таким образом предложенная полезная модель направлена на решение такой задачи, как получение тепла с наименьшими потерями энергии (как можно большем КПД) при предотвращении разрушения рабочих органов теплогенератора.
Указанная задача решается тем, что в известном вихревом циклическом теплогенераторе, содержащем осесимметричный корпус, образовано две разделенные перегородкой камеры, первая из которых выполнена герметичной и заполнена рабочей жидкостью, и включает в себя центральную конусообразную полость, сообщенную с ней в ее узкой части торообразную полость и ряд выполненных симметрично относительно оси корпуса каналов, сообщающих торообразную полость с центральной конусообразной полостью в ее широкой части вблизи разделяющей камеры перегородки, вторая камера сообщена с потребителем тепла посредством входного и выходного отверстий, при этом внутри центральной конусообразной полости первой камеры симметрично относительно оси корпуса с гарантированным зазором установлен оснащенный приводом ротор, выполненный в форме полого конуса с открытым основанием, внутрь которого с гарантированным зазором помещен конусообразный статор, в районе вершины которого выполнены отверстия.
В предпочтительном варианте реализации предложенного устройства с внешнего края ротора попарно выполнены малые конусообразные углубления, между каждой парой которых выполнена проточка, а в теле корпуса в его внутренней стенке напротив указанных конусообразных углублений также выполнено такое же число аналогичных конусообразных углублений, между которыми также выполнена проточка.
Предложенное техническое решение поясняется следующими графическими материалами:
На фиг.1 приведен чертеж предложенного вихревого циклического теплогенератора.
На фиг.2 показана общая схема процесса формирования завихрений в жидкости между ротором и статором.
Предложенный теплогенератор содержит осесимметричный корпус 1, в котором выполнены две разделенные перегородкой 2 камеры 3 и 4. Первая из указанных камер 3 заполнена рабочей жидкостью. Она выполнена герметичной и включает в себя центральную конусообразную полость 5, сообщенную с ней в ее узкой части торообразную полость 6 и ряд выполненных симметрично относительно оси корпуса каналов 7, сообщающих торообразную полость 6 с центральной конусообразной полостью 5 в ее широкой части вблизи разделяющей камеры перегородки 2. Что касается второй камеры 4, то она сообщена с потребителем тепла, например радиатором системы отопления (на фиг.1 не показан), посредством входного 8 и выходного отверстий, в которые установлены штуцера 9.
Внутри первой камеры 3 симметрично относительно оси корпуса 1 в подшипниках 10 установлен конусообразный пустотелый ротор 11 с открытым основанием, механически сопряженный с задающим его вращение приводом 12. Ротор 11 установлен по отношению к соответствующему участку внутренней стенки корпуса 1 с гарантированным зазором S1. Это необходимо для того, чтобы через указанный зазор могла проходить рабочая жидкость. Диаметр и высота ротора 11, направление его вращения и скорость подбираются в зависимости от требуемой мощности теплогенератора. Внутри ротора 11 расположен конусообразный статор 13, который отделен от внутренней поверхности ротора 11 гарантированным зазором S 2. В области вершины конуса статора 13 выполнен ряд сквозных отверстий 14 с диаметром d, для обеспечения возможности выхода части рабочей жидкости в область зазора S2 .
Для обеспечения дополнительного завихрения жидкости на наружной стенке ротора 11 расположены пары конуснообразных углублений 15, количество которых подбирается в зависимости от требуемой мощности теплогенератора, обычно их количество варьируется от трех до десяти пар. И они выполняются равномерно по периметру ротора 11. Аналогичные по форме и размерам углубления 15 выполнены на внутренней стенке корпуса 1. Углубления 15 в теле ротора 11 и корпуса 1 расположены прямо друг напротив друга. Между каждой парой указанных углублений 15 в теле ротора 11 и корпуса 1 выполнены проточки 16, увеличивающие точность образования геометрии завихрения внутри конусообразных углублений 15 при вращении. Завихрение жидкости в этом случае происходит относительно оси конусообразных углублений 15.
Предложенное устройство работает следующим образом:
Перед сборкой теплогенератора его первую камеру 3 заполняют рабочей жидкостью. После чего герметизируют ее. Посредством привода 12 приводят ротор 11 во вращение с частотой порядка 12000 об/мин. Вначале рабочая жидкость будет неподвижна. Однако при вращении ротора 11 рабочая жидкость начнет закручиваться по стенке торообразной полости 6 (т.е. относительно оси поперечного сечения тора) с угловой скоростью 
х, а затем под действием центробежных сил она начинает подниматься вверх по зазору S 1 между внутренней стенкой корпуса 1 и внешней стенкой ротора 11. При этом рабочая жидкость закручивается (завихряется) также и относительно оси корпуса 1 с угловой скоростью у. Для той конструктивной модификации предложенного устройства, когда с внешнего края ротора 11 выполнено несколько малых конусообразных углублений 15, а в теле корпуса 1 в его внутренней стенке напротив указанных углублений также выполнены аналогичные конусообразные углубления 15 с проточкой 16 между ними будет происходить закрутка жидкости относительно оси указанных конусообразных углублений 15 с угловой скоростью z.
Таким образом на каждом из трех этапов закрутки рабочая жидкость получает дополнительную угловую скорость вращения, которая добавляется к предыдущей, и в результате результирующую угловую скорость можно описать в векторной форме следующим выражением: 
, a модуль результирующей угловой скорости рабочей жидкости соответственно будет примерно равен |раб.жид.|=
|x|2+|y|2+|z|2. Из указанного выражения видно, что модуль угловой скорости рабочей жидкости увеличивается где-то в 1,5÷1,7 раза. Если же предложенное устройство будет выполнено без конусообразных углублений 15 во внешней стенке ротора 11 и внутренней стенке корпуса 1, то в этом случае угловая скорость будет определяться как 
, а модуль результирующей угловой скорости рабочей жидкости соответственно будет примерно равен |раб.жид.|=|x|2+|y|2. При таких скоростях вдоль внешней стенки ротора 11 и примыкающей к ней внутренней стенки корпуса 1, как показано на фиг.2, возникнет пограничный слой, образованный самой жидкостью, в примерно 1/3 толщины зазора около каждой стенки, а основной поток проходит в центре закручиваясь от вращающегося ротора 11 в дополнительные микро завихрения центрального слоя, расположенные по всей высоте и длине ротора 11. Таким образом атомы жидкости получив огромную скорость трехмерного вращения, хаотически сталкиваются между собой в районе границы более медленного слоя внутренней стенки корпуса 1, что вызывает разрушение внутримолекулярных (межатомарных) связей в рабочей жидкости. А поскольку указанный процесс является экзотермическим выделяется большое количество тепла.
В это же самое время во вторую камеру 4 через входное отверстие и соответствующий штуцер 8 подается аналогичная рабочая жидкость. Поскольку отделяющая первую 3 и вторую 4 камеры перегородка 2 сильно нагревается, от нее тепло также передается к рабочей жидкости во второй камере 4. Нагретая таким образом рабочая жидкость через выходное отверстие
и соответствующий штуцер 9 подается к потребителю тепла, например радиатору системы отопления (на фиг.1 не показан).
После того как заключенная в первую камеру 3 рабочая жидкость отдала тепло, она под давлением нагретой рабочей жидкости поступающей снизу, по зазору S 1, опускается вниз по каналам 7, забирая тепло передающееся стенкам корпуса 1. Поскольку данная рабочая жидкость поступает в нижнюю часть первой камеры 3 уже нагретой, то меньше требуется энергозатрат на ее нагрев до требуемой температуры, что способствует повышению производительности предложенного теплогенератора. Попав из каналов 7 в торообразную полость 6 первой камеры 3, описанный выше процесс генерации тепла повторяется с начала.
Часть нагретой жидкости из первой камеры 3 перетекает ее в центральную часть и затем под давлением от новой порции рабочей жидкости поступающей в верхнюю часть первой камеры 3 опускается вниз во внутреннюю полость статора 13. А затем через отверстия 14 в области вершины конуса, положенного в основу формообразования статора 13 рабочая жидкость попадает в область зазора S 2 между внешней стенкой статора 13 и внутренней стенкой ротора 11. Данная рабочая жидкость раскручивается, получая дополнительную энергию вращения от ротора 11, и при этом она нагревает ротор 11, а он в свою очередь передает это тепло со своей другой стороны (обращенной к корпусу 1) вновь нагреваемой жидкости поднимающейся снизу по зазору S1. Описанный конструктивный прием дает возможность быстрого прогрева всего теплогенератора.
Таким образом, как было показано выше, движение рабочей жидкости внутри первой камеры 3, осуществляется согласно некому циклу по замкнутому контуру, и скорость перетока рабочей жидкости возрастает по мере увеличения ее нагрева в первой камере 3.
Подобное исполнение теплогенератора повышает эффективность нагрева жидкости без применения специального циркуляционного насоса, увеличивает скорость прогрева всего теплогенератора, что в свою очередь
значительно экономит количество энергии, затрачиваемой в процессе работы, увеличивает износостойкость без применения дорогостоящих материалов, а следовательно увеличивает надежность и долговечность предложенной конструкции теплогенератора.
Преимуществами предлагаемого вихревого циклического теплогенератора является простота его конструкции, возможность миниатюрного исполнения под конкретные задачи и требуемые мощности конечного потребителя, минимальные потери тепла, низкий расход электроэнергии на вращение ротора, возможность подключения низкого напряжения, не опасного жизни людей, возможность изготовления деталей не только из металла (как правило, нержавеющей стали), но и из композитных и пластмассовых материалов. Благодаря указанным особенностям подобного теплогенератора он легко может быть использован в загородных жилых домах и малых производственных помещениях, оснащенных собственными автономными источниками питания.
1. Вихревой циклический теплогенератор, содержащий осесимметричный корпус, образующий две разделенные перегородкой камеры, первая из которых выполнена герметичной, заполнена рабочей жидкостью и включает в себя центральную конусообразную полость, сообщенную с ней в ее узкой части торообразную полость и ряд выполненных симметрично относительно оси корпуса каналов, сообщающих торообразную полость с центральной конусообразной полостью в ее широкой части вблизи разделяющей камеры перегородки, вторая камера сообщена с потребителем тепла посредством входного и выходного отверстий, при этом внутри центральной конусообразной полости первой камеры симметрично относительно оси корпуса с гарантированным зазором установлен оснащенный приводом ротор, выполненный в форме полого конуса с открытым основанием, внутрь которого с гарантированным зазором помещен конусообразный статор, в районе вершины которого выполнены отверстия.
2. Вихревой циклический теплогенератор по п.2, отличающийся тем, что с внешнего края ротора попарно выполнены малые конусообразные углубления, между каждой парой которых выполнена проточка, а в теле корпуса в его внутренней стенке напротив указанных конусообразных углублений также выполнено такое же число аналогичных конусообразных углублений, между которыми также выполнена проточка.
