Вихревой деаэратор
Вихревой деаэратор относится к теплотехнике, в частности к системам охлаждения, возможно ДВС, и предназначен для механической активации жидкого теплоносителя в вихревой трубе и удаления из него газов, без подвода к нему нагревающей среды. В трубчатом корпусе 1, рядом с крышкой 2 тангенциально установлен патрубок 6, ближе к противоположному патрубку 5, расположенному около крышки 3, выполнена перегородка 7. Кольцевая щель, или отверстия 8 в перегородке, рядом с боковой поверхностью цилиндра сохраняют вращательное движение жидкости вдоль стенки после ее нагрева до выхода через патрубок 5. Газы собираются в осевой части с пониженным давлением и удаляются через центральный патрубок 4 в крышке 3. Эффективная деаэрация увеличивает теплообмен и повышает надежность систем охлаждения.
Устройство относится к теплотехнике, в частности к замкнутым системам охлаждения, возможно ДВС, предназначено для механической активации жидкого теплоносителя и удаления из него газов. Одной из проблем, препятствующих уменьшению габаритов остовов радиаторов охлаждения, является снижение коэффициента внутренней теплоотдачи при повышении температуры охлаждающей среды и при попадании газов в жидкий теплоноситель, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи.
За прототип принят центробежно-вихревой деаэратор, имеющий цилиндрический корпус с торцевыми крышками, тангенциально присоединенные входной и выходной патрубки на боковой поверхности, кольцевую шайбу между ними и трубу для выхода выпара в верхней крышке. См. а.с. СССР №1134842, основной индекс МПК C02F 1/20, патент РФ №200513111.
Недостатком устройства является необходимость подвода к нему пара, или перегретой воды, при температуре теплоносителя ниже температуры насыщения, соответствующей давлению в деаэраторе, и, при установке его в системах охлаждения, последующего отведения дополнительного тепла.
Предлагаемый вихревой деаэратор решает задачу по удалению газов из теплоносителя без подвода к нему нагревающей среды, что повышает надежность систем охлаждения, уменьшая возможность возникновения кавитации в насосе. Увеличение температуры теплоносителя и теплопередачи радиатора даже при повышенной температуре охлаждающего воздуха позволяет уменьшить габариты его остова - наиболее трудоемкой в изготовлении части радиатора, сократить расход цветных металлов.
Технический эффект достигается механической активацией жидкого теплоносителя в вихревой трубе, перед подачей его во впускной коллектор рекуперативного теплообменника. Закрученный поток жидкости нагревается в процессе движения и торможения, а вскипает при продавливании через периферийные отверстия (кольцевое щелевое отверстие), площадь которых гораздо меньше площади трубы, в перегородке между вихревой частью трубчатого корпуса, внутри которой давление повышено, и сепарирующей. Сохраняющий вращение поток в ней, двигаясь за счет центробежных сил вдоль боковой стенки, к выходному отверстию рядом с крышкой, образует в середине трубы зону с пониженным давлением, где собирается выпар и вместе с агрессивными газами удаляется через центральное отверстие (патрубок) в крышке.
Задача выполняется благодаря тому, что в предлагаемом вихревом деаэраторе, включающем: цилиндрический корпус с торцевыми крышками, одна из которых имеет осевое отверстие и/или патрубок для выпара, новым является то, что рядом с ней, на боковой поверхности расположено выходное отверстие (отверстия) и/или патрубок, в противоположной стороне, рядом с основанием тангенциально установлен входной патрубок, а между ними, внутри корпуса, ближе к выходному отверстию размещена перегородка, содержащая, как минимум, одно отверстие, выполненное рядом с боковой поверхностью цилиндрического корпуса.
Техническим результатом решения является отказ от дополнительного разогрева жидкости в деаэраторе за счет внешних источников тепла - механическая активация воды в вихревой трубе, сопровождаемая кавитацией, сопровождается аномально высоким выделением тепла, при малых затратах энергии, за счет этого эффекта работают вихревые теплогенераторы. Поток теплоносителя закручивается при тангенциальном вводе через входной патрубок на периферию цилиндрической части вихревой трубы, ускоряется и, вращаясь, движется вдоль трубы по спирали к перегородке, где тормозится и нагревается при выходе. Но в замкнутой системе КПД гидродинамического теплогенератора не может быть больше единицы и по истечении времени релаксации эта часть теплоты вновь поглощается водой, в аккумуляторном баке или нижнем бачке, даже после понижения ее температуры при прохождении через радиатор. Это свойство воды позволяет применить механическую активацию теплоносителя в вихревой трубе, для нагрева его перед подачей в радиатор, без значительного увеличения тепловой энергии в системе охлаждения.
Возможность повышения температуры жидкого теплоносителя перед подачей в рекуперативный теплообменник выше пределов, допустимых условиями эксплуатации охлаждаемых объектов, позволяет уменьшить габариты радиатора, т.к. при теплообмене количество передаваемого тепла пропорционально разнице температур. Теплопередача увеличивается с увеличением разности средних температур воды и воздуха, что позволяет снимать с единицы охлаждаемой поверхности радиатора достаточно тепла, чтобы не увеличивать размеры его охлаждаемой поверхности даже при высокой температуре окружающей среды.
При продавливании сквозь возможно щелевое отверстие (отверстия), площадь которых гораздо меньше площади диаметра цилиндра, в часть деаэратора с меньшим давлением, жидкость вскипает, а расположение отверстий рядом с боковой поверхностью цилиндра позволяет сохранить вращательное движение потока теплоносителя вдоль стенки до выходного отверстия. Теплоноситель выходит через патрубок или отверстие в
боковой стенке цилиндрического корпуса за счет центробежной силы, в осевой зоне образуется область пониженного давления, собирается выпар и вместе с газами удаляется через центральное отверстие в крышке. Использование деаэрированного теплоносителя повышает внутреннюю теплоотдачу в радиаторе, уменьшает опасность возникновения кавитации в циркуляционном насосе.
На фиг.1 в разрезе схематично изображен вихревой деаэратор, содержащий цилиндрический корпус 1 с торцевой крышкой 2 и торцевой крышкой 3, имеющий осевой патрубок 4 для выхода выпара, выходной патрубок 5 на боковой поверхности, тангенциально расположенный входной патрубок 6 и перегородку 7, имеющую щелевые отверстия 8 рядом с боковой поверхностью цилиндра.
На фиг.2 в разрезе изображена схема возможного выполнения регулируемого кольцевого отверстия 8 по п.1.2, на которой показаны: часть цилиндрического корпуса 1, с фланцем и штампованная сепарирующая часть, между которыми располагается кольцевая шайба 9. Сепарирующая часть деаэратора содержит: прикрепленную к основанию корпуса торцевую крышку 3, имеющую в центре патрубок 4, выходные щелевые отверстия 5 на боковой поверхности рядом с крышкой, втулку 10, закрепленную в осевой части патрубка 4 при помощи радиально расположенных параллельных оси втулки пластин 11, стержень 12, установленный во втулке 10 подвижно, с возможностью осевого перемещения, имеющий на одном конце конус 7, направленный острой частью к кольцевой шайбе 9, на другом его конце выполнен шлиц 13, имеется резьба 14 и установлены гайки 15,16, пружина 17, расположенная между крышкой и конусом.
На фиг.3 схематично изображен вихревой деаэратор, имеющий входную улитку по п.п.1.3 и фланец 19, корпус 1 которого выполнен в виде изогнутой трубы, а размещен он внутри расширительного бачка, совмещенного с впускным коллектором радиатора, имеющего вертикально расположенные трубки. Улитка состоит из двух штампованных боковых частей, причем часть 17 имеет отверстие для крепления к вихревой трубе 1 деаэратора, а боковая поверхность части 18 закрыта крышкой 2, соединенных между собой по периметру сваркой, пайкой, или болтами, фланец 19 также приваривается или припаивается к входной части улитки. Вокруг отверстия в боковой части улитки 17 имеется отбортовка, на которую надевается вихревой участок 1 трубчатого корпуса перед сваркой, входной участок улитки не имеет выступающих частей, имея диаметр меньше, чем у части отверстия с увеличенным диаметром во фланце 19. Сепарирующая часть, см. фиг.2, корпуса данного деаэратора отштампована одной деталью, содержащей также фланец крепления, торцевую крышку 3 и выпарной патрубок 4, щелевые выходные
отверстия 5 располагаются по окружности рядом с крышкой. Радиально прикрепленные к втулке 10, в данном случае три, пластины 11 имеют размер нижней части, позволяющий им в сборе располагаться в выпарном патрубке, касаясь его стенок и удерживая втулку в центре, при этом их верхние части большего размера, опираются на торец патрубка и зафиксированы сваркой. Выпарной патрубок 4 с регулировочными гайками 15,16 располагается под заливной горловиной. Деаэратор установлен на опорной пластине радиатора 23 с помощью плоских стоек, не мешающих проходу теплоносителя, одна из которых 21 прикреплена болтами к фланцам, крепящим кольцевую шайбу 9, роль второй 22 играет соединение боковых частей улитки между собой. Часть боковины улитки, отогнутая по периметру, для соединения половинок между собой, снизу имеет большую длину и выполнена фигурной для прохода охлаждающей жидкости, образуя стойку 22. К боковой поверхности бачка деаэратор присоединяется болтами при помощи фланца улитки 19 с резьбовыми отверстиями и входного патрубка 6, имеющего фланец с аналогично расположенными отверстиями. Конус 7, являясь дросселем, может быть изготовлен из металла или пластических материалов, гайки 15,16 и стержень 12 из цветного металла или никелированный, диаметр его не препятствует свободному движению во втулке при появлении накипи, стальная никелированная пружина 17 фиксируется на конусе кольцевой выборкой. Металлическая кольцевая шайба 9, имеющая отверстия по периметру, расположена между фланцами с аналогичными отверстиями, соединяющими разгонную и деаэрирующую части корпуса 1. Фланец вихревой части механоактиватора отштампован, одет на трубу 1 и зафиксирован сваркой, к нему крепится также горизонтальная часть штампованной опорной пластины 21. Требования к герметичности невысоки, в данном случае деаэратор расположен внутри расширительного бачка, сварка и пайка могут быть точечными, корпус может быть изготовлен из цветных металлов, нержавеющей стали, либо луженой, эмалированной, или защищенной от коррозии иным способом. При больших размерах части улитки 17,18 изготавливаются методом литья, крепятся между собой и к фланцу трубы 1 на резьбовых соединениях.
Корпус деаэратора может быть изогнутым, как в описанном случае, прямым, установленным отдельно, вертикально, выпарным патрубком вверх, U образным, с верхним входным и выходным отверстиями, даже располагаться горизонтально. Вертикальное расположение сепарирующей части трубчатого корпуса желательно, но необязательно, желательно соединение отверстия (патрубка) для выхода газов с паровоздушной полостью расширительного бачка и сокращение расстояния между выходным патрубком и входным коллектором теплообменника. Соотношение диаметра
вихревой части корпуса к длине 1 к 10 не обязательно, длина рассчитывается в зависимости от диаметра входного патрубка. В стационарных условиях, при высоких температурах окружающей среды, возможна установка нескольких аккумуляторных баков небольшой емкости, для релаксации, могущей длиться несколько минут и охлаждения жидкости после выхода из теплообменника, с поочередным забором воды из них. При тангенциальном вводе теплоносителя через входной патрубок 19 и улитку на периферию цилиндрической части вихревой трубы 1, поток закручивается, ускоряется и, вращаясь, движется вдоль трубы по спирали к перегородке 7, имеющей кольцевое щелевое отверстие 8, где тормозится и нагревается. Вихревые трубы, как гидродинамический аналог трубы Ранке-Хельша, патент США №1958281, используются в теплогенераторах различных конструкций, см. «Теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей». Потапов Ю.С.Патент РФ №2045715 С 1, и успешно работают. Отмечается нагрев проточной жидкости на выходе из вихревой трубы при аномально малом расходе механической энергии - см. Потапов Ю.С., Фоминский Л. П., Потапов С.Ю. гл. 15, Энергия вращения - Кишинев; Молдавский центр «Ноосферные технологии» РАЕН, 2001 г. В докладе «Результаты испытаний вихревого теплогенератора тпм-5,5-1». Халатов А.А., Коваленко А.С., Шевцов С.В. Институт технической теплофизики НАН Украины, г.Киев, содержится вывод о том, что, несмотря на повышение температуры на выходе, коэффициент преобразования энергии в теплогенераторе не превышает единицы. (Доклад на научно-технической конференции «Аномальные физические явления в энергетике и перспективы создания нетрадиционных источников энергии», 15-16 июня 2005, г.Киев, Украина) сайт Рос. Тепло, ru.
Результаты опытов и указание на то, что механическая обработка воды в вихревой трубе, сопровождаемая кавитацией, может приводить к выделению и поглощению, по истечении времени релаксации, теплоты механоактивированной водой, приводятся в части 2 статьи «Могут ли гидродинамические теплогенераторы работать сверхэффективно?», опубликованной на сайте сторонников и противников вихревой энергетики. Фурмаков Е.Ф., 2004, ОАО «Техприбор», Варшавская, д. 5, Санкт-Петербург, 196084. Там же указывается, что поглощение теплоты жидкостью продолжается и после охлаждения ее в радиаторе, выделившаяся теплота в замкнутом контуре недоступна потребителю. Вышеназванные источники отмечают, что при температуре исходной воды t - 66,5 С, затраты энергии на нагрев ее до точки кипения минимальны. Если повысить ее температуру в вихревой трубе, возможно даже выше критической для охлаждаемого объекта, перед подачей в рекуперативный теплообменник, можно увеличить количество
тепла, снимаемого с единицы поверхности, следовательно, уменьшить его размеры, не увеличивая количества тепла в системе. Количество тепла, передаваемого от воды к воздуху в единицу времени, выражается формулой:
Q=R(tж-tв)F ккал/час
Где Q - количество тепла, передаваемого от воды к воздуху ккал/час;
R - коэффициент теплопередачи ккал/м2 час град;
tж - температура горячей воды в град;
tв - температура воздуха в град;
F - площадь м2.
(См. В.З.Бабичев «Производство автотракторных радиаторов», Машгиз, Москва, 19958 г., стр.31). Из этой формулы следует, «что для сокращения поверхности охлаждения необходимо работать на режиме возможно большей разности температур между водой и воздухом, т.е. при возможно более высокой температуре охлаждающей воды» - (см. стр.33). Коэффициент теплоотдачи зависит от интенсивности теплового потока, пропорциональной градиенту температуры (закон Фурье), увеличение коэффициента внутренней теплоотдачи увеличивает коэффициент теплопередачи (см. выше, стр.32, таблица 1), где показано, что при увеличении коэффициента теплоотдачи с 400 до 3000 ккл/м2.час.град, коэффициент теплопередачи увеличивается на 21%. Там же на стр.23 рекомендуется «повышать температуру в радиаторах с вертикальными трубками для увеличения естественной конвекции в трубках радиатора». К тому же теплопроводность воды, например, возрастает при повышении ее температуры от 0 до 127°С, ее кипение можно предотвратить установкой соответствующего парового клапана.
Нагрев жидкости в вихревой трубе сопровождается кавитацией, снижение давления на выходе из вихревого участка парообразованием, при этом выделяются также растворенные в воде газы, удаление их также повышает теплоотдачу. С ростом воздухосодержания В относительная теплоотдача радиатора значительно уменьшается, эта зависимость выражается приближенной формулой
Qв=Qw(1-В 0,843);
Где Qв - теплоотдача радиатора на двухфазном потоке;
Qw - теплоотдача на однофазном (водяном) потоке.
См. стр.157, В.В.Бурков, А.И.Индейкин. «Автотракторные радиаторы». Справочное пособие, Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1958 г., зависимость показана на рис.3.13, стр. 158, там же нанесена зависимость производительности водяного
насоса от воздухосодержания потока, где видно, что снижение расхода воды в системе достигает 50% при воздухосодержании 0,045.
В предлагаемом деаэраторе по п.п.1, 2, жидкость, проходя сквозь кольцевое отверстие 8 рядом с боковой поверхностью, сохраняет вращение, двигаясь к выходным отверстиям 5 по стенке, в средней части цилиндра образуется разрежение, там собираются пар и газы, удаляются через центральное выпарное отверстие или патрубок 4. Регулируемое кольцевое отверстие 8 образованно кольцевой шайбой 9 и конусом 7, поджимаемым пружиной 17 с усилием, достаточным для поддержания в вихревой части трубы давления, необходимого для нагрева и вскипания жидкости при попадании в сепарирующую часть. Теплоноситель вскипает при попадании через узкую щель в часть корпуса с пониженным давлением, хотя оно и выше атмосферного благодаря регулировке парового клапана. При увеличении количества теплоносителя в деаэраторе, пружина отожмется, пропуская поток, но сохраняя повышенное давление в вихревой его части. Регулировка возможна через заливную горловину, к стержню может быть присоединен трос или иное приспособление для дистанционного, снаружи бачка, поднятия конуса и отключения деаэратора, кромка конуса также соединена с кольцевой шайбой 9 тросом, либо иным способом, для исключения вращения (в разрезе на фиг.2 не показано).
Вихревой деаэратор позволяет повышать температуру теплоносителя без подвода нагревающей среды и эффективно удалять из него газы, не намного повышая количество тепловой энергии в системе охлаждения, увеличивая надежность систем охлаждения, теплоотдачу и теплообмен, тем самым, позволяя уменьшать габариты радиаторов, рассчитываемых с запасом, для работы при высокой температуре окружающей среды. Расчет радиаторов производится исходя из температуры воздуха t +35, +45С, в России при таких условиях трактор, к примеру, работает 0,04% времени за год. Недорогие, изготовленные из недефицитных материалов вихревые деаэраторы, подключаемые только при высоких температурах к радиаторам меньших габаритов, могут сэкономить цветные металлы, затраты труда на изготовление остовов. При работе со штатными радиаторами, деаэратор повышает надежность и эффективность системы охлаждения, в т.ч. уменьшая возможность возникновения кавитации в циркуляционном насосе. Таким образом, задача по эффективной деаэрации без подвода дополнительной тепловой энергии и увеличению надежности систем охлаждения может считаться выполненной.
1. Вихревой деаэратор, включающий цилиндрический корпус с торцевыми крышками, одна из которых имеет осевое отверстие и/или патрубок, отличающийся тем, что на боковой поверхности корпуса рядом с крышкой, имеющей осевое отверстие, расположено выходное отверстие (отверстия) и/или патрубок, около противоположной крышки, к боковой поверхности корпуса тангенциально присоединен входной патрубок, а между ними, ближе к выходному отверстию расположена перегородка, содержащая, как минимум, одно отверстие, выполненное рядом с боковой поверхностью цилиндрического корпуса.
2. Вихревой деаэратор по п.1, отличающийся тем, что перегородка выполнена в виде кольцевой шайбы, внутренний диаметр которой несколько меньше внутреннего диаметра корпуса и конуса, диаметр которого меньше диаметра корпуса, но больше внутреннего диаметра шайбы, расположенного между шайбой и крышкой с патрубком и направленного острой частью к кольцевой шайбе, а противоположной стороной прикрепленного к стержню, установленному подвижно, с возможностью осевого перемещения во втулке, прикрепленной в центральной части выпарного патрубка к двум и более радиально расположенным вдоль оси пластинам, другая сторона которых присоединена к патрубку, причем на противоположном от конуса конце стержня имеется резьба и ее длина позволяет установить не менее двух гаек, или одной самоконтрящейся при полностью поднятом или отпущенном конусе, в торце выполнена прорезь, а между крышкой и конусом имеется пружина.
3. Вихревой деаэратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что входной патрубок прикреплен к завихрителю потока, выполненному в виде улитки, одна из боковых сторон которой закрыта крышкой, а вторая присоединена к основанию вихревой части цилиндрического корпуса деаэратора.
