Теплогенератор

 

Изобретение относится к устройствам преобразования механической энергии движения жидкости в тепловую посредством кавитации в потоке жидкости. Теплогенератор кавитационного типа с насосом-побудителем, подающим жидкость в центробежную форсунку, содержит осесимметричную камеру торможения с диаметром, большим сопла форсунки, и с торцевой стенкой и периферийно расположенное на ее выходе кольцевое сопло, переменного по радиусу сечения, выходящее в расположенную вокруг отводную камеру, сообщенную с насосом-побудителем. При таком выполнении теплогенератора существенно повышается интенсивность кавитационных процессов и тепловыделение в жидкость при возможности управлять процессом тепловыделения, обеспечивая безкавитационную работу насоса-побудителя. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к устройствам преобразования механической энергии движения жидкости в тепловую посредством кавитации в потоке жидкости, а также может использоваться для кавитационной обработки жидкости или их смесей с другими жидкостями и газами.

Известны теплогенераторы кавитационного типа, состоящие из включенного в замкнутый контур насоса и пульсатора давления, который, однако, имеет сложную конструкцию как насоса, так и механизма генерирования кавитации - см. патент РФ 2054604, кл. 6 F 24 J 3/00 - аналог.

Более близким по технической сущности является техническое решение теплогенератора по патенту РФ 2061195, кл. 6 F 24 J, 3/00 (прототип), где используется насос обычного типа, а в качестве генератора кавитации используется центробежная форсунка, вход которой подключен к выходу насоса-побудителя, а ее выход - с каналами торможения выходящего из него потока, сообщенным с выходом насоса-побудителя. В данном техническом решении канал торможения не снабжен какими-либо устройствами, интенсифицирующими процессы образования и схлопывания кавитационных каверн за счет организации гидродинамических процессов и движения жидкости в канале торможения на участке, непосредственно примыкающем к выходному соплу центробежной форсунки, что существенно ограничивает возможность интенсификации тепловыделения за счет процесса кавитации.

Цель данного предложения - интенсификация процесса тепловыделения при заданной насосом-побудителем механической энергии потока жидкости, поступающей в теплогенератор.

Данная задача решается тем, что канал торможения выполнен в виде ограниченной по длине осесимметричной соплу форсунки камеры торможения с рабочим диаметром, большим диаметра сопла, снабженной расположенной напротив сопла торцевой стенкой и периферийно расположенного на ее выходе кольцевого сопла, переменного по радиусу сечения, выходящего в расположенную вокруг него отводную камеру преимущественно в плоскости ее симметрии на одинаковом удалении от ее торцевых стенок, сообщенную с насосом побудителем.

Для дополнительной интенсификации процесса тепловыделения в центробежной форсунке по ее оси выполнен дополнительный канал, гидравлически сообщенный с источником давления, например, насосом-побудителем, посредством дросселирующего канала или дополнительным насосом.

Для этих же целей торцевая стенка камеры торможения снабжена осесимметричной камерой поворота натекающего потока навстречу потоку из центробежной форсунки, а в зоне входа в периферийное сопло выполнен осесимметричный выступ, расположенный от периферийной стенки камеры торможения с зазором переменного сечения, образующим перед периферийным соплом дополнительный конфузорный канал.

Для различных рабочих параметров теплогенератора рационально камеру торможения выполнять различной формы, преимущественно конической или цилиндрической, или составной, состоящей из этих форм-участков, разделенных, по меньшей мере, одной перемычкой с зауженным рабочим сечением.

Для дополнительной интенсификации процесса тепловыделения торцевая стенка канала торможения выполнена с возможностью колебательного движения вдоль оси камеры торможения, при этом торцевая стенка для дополнительной активизации пульсаций давления может быть жестко связана с одной торцевой стенкой кольцевого сопла.

Для минимизации гидравлических потерь в теплогенераторе отводную периферийную камеру рационально выполнять в виде спирального отвода переменного сечения, аналогично спиральным отводам центробежных насосов.

На фиг.1-4 даны примеры выполнения, раскрывающие возможности построения описываемого теплогенератора.

Теплогенератор кавитационного типа состоит из центробежной форсунки 1, см. фиг.1, вход которой сообщен с выходом насоса-побудителя 2, а ее выходное сопло 3 с каналом торможения потока 4, сообщенным с входом насоса-побудителя 2. Канал торможения 4 выполнен в виде ограниченной по длине осесимметричной соплу форсунки 1 камеры торможения 5 с рабочим диаметром, большим диаметра сопла 3 форсунки, и снабженной расположенной напротив сопла 3 торцевой стенкой 6 и периферийно расположенного на выходе камеры 5 кольцевого сопла 7, переменного по радиусу сечения, которое выходит в расположенную вокруг сопла 7 отводную камеру 8, сообщенную с входом насоса-побудителя 2.

Давление на входе насоса 2 в контуре циркуляции между насосом 2 форсункой 1 и камерой торможения 5 задается посредством источника давления, например выполненного в виде диафрагменного гидроаккумулятора, например, по температуре в контуре циркуляции, замеряемой посредством термодатчика 10, который также может быть связан с приводным двигателем насоса 2 для его включения-выключения или регулирования оборотов, для поддержания в контуре циркуляции необходимого уровня температуры посредством широко известных устройств автоматики.

Кольцевое сопло 7 преимущественно устанавливается в плоскости симметрии отводной камеры 8 на одинаковом удалении от ее торцевых стенок 11. Торцевая стенка 6 камеры торможения 5 снабжена осесимметричной камерой 12 поворота натекающего потока навстречу потоку из центробежной форсунки 1.

Отводная камера 11 выполнена в виде спирального отвода переменным по углу сечением, аналогично спиральным отводам центробежных насосов.

В контур циркуляции включен теплообменник 13 для отвода тепла.

Работает теплогенератор следующим образом.

При включении насоса-побудителя 2, например, по сигналу датчика 10, поток жидкости поступает в форсунку 1 и вращаясь относительно оси форсунки выходит из сопла 3 в камеру торможения 5, где по оси образуется зона низкого давления и происходит образование кавитационных каверн. Далее поток поступает к камере 12 и поворачивается в сторону сопла 3 и затем к периферии камеры 5. За счет циркуляции потока в камере 5 между зонами пониженного и повышенного давления происходит в потоке интенсивное схлопывание кавитационных каверн, что приводит к тепловыделению и разогреву потока жидкости. Указанная циркуляция поддерживается за счет вытекания жидкости из кольцевого сопла с торцевым зазором в отводную камеру 8. За счет выполнения сопла с переменным по радиусу конфузорно-диффузорным сечением в выходной зоне сопла также образуются кавитационные каверны, которые потоком переносятся в камеру 8 в зону повышенного давления, где происходит схлопывание кавитационных каверн, которое интенсифицируется как за счет циркуляции потока в каждом поперечном сечении камеры 8, так и за счет вращения потока жидкости при его движении вдоль камеры 8 и выхода потока в выходной диффузор 14 этой камеры, который сообщен с входом насоса-побудителя 2, где посредством гидроаккумулятора 9 поддерживается давление, достаточное для безкавитационной работы насоса 2.

Вырабатываемое тепло отводится посредством теплообменника 13, конструкция которого зависит от назначения теплогенератора.

Заданный уровень температуры в контуре циркуляции регулируется в зависимости от отбора тепла из теплообменника 13 посредством или непрерывного регулирования подачи насоса-побудителя 2 по сигналу датчика 10 или релейно - путем остановки насоса 2 при максимальной заданной температуре и включения насоса 2 при минимальной заданной температуре посредством датчика 10.

Система дополнительно может снабжаться датчиком давления 15 для резервирования системы управления теплогенератором, повышения безопасности его эксплуатации, например, за счет остановки насоса 2 при достижении в контуре циркуляции заданного максимально допустимого давления, а также регулятором 16 для обеспечения в контуре давления до уровня требуемого для безкавитационной работы насоса при имеющей место в контуре температуре.

На фиг. 1 над осью теплогенератора показан вариант камеры торможения 4, выполненной в виде диффузора, а под осью - в виде цилиндра. Конкретный выбор формы зависит от требований к параметрам теплогенератора.

На фиг. 2 камера торможения 4, 5 выполнена по длине переменной формы, в данном примере выполнения состоящей из цилиндрического и диффузорного участков и в своей средней части снабженной перемычкой с зауженным проходным рабочим сечением.

Кроме того, на торцевой стенке 6 по периферии камеры поворота 12 в зоне входа в периферийное кольцевое сопло 7 выполнен осесимметричный выступ 18, расположенный от периферийной стенки камеры торможения 5 с зазором переменного сечения, образующим перед соплом 7 дополнительный конфузорный кольцевой канал 19, стабилизирующий поток на входе сопла 7, улучшающий гидродинамику и работу камеры 12, а также позволяющий на входе в сопла 7 создавать импульсы давления за счет срыва вихрей на выступе 18 и/или выполненном на входе в канал 19 резонатора 20.

Данный теплогенератор выполнен в варианте, где по оси центробежной форсунки установлен выходящий в камеру торможения дополнительный канал 21, сообщенный с источником давления, например, через дроссель 22 с выходом диффузора 14, или выходом насоса-побудителя 2, или выходом дополнительного насоса 23, см. фиг.3.

Для дополнительной интенсификации кавитационных процессов стенка 6 камеры торможения 5 выполнена с возможностью совершения колебательных движений вдоль оси сопла 3 и камеры торможения 5, что обеспечивает пульсации давления в камере 5 и сопле 7 и, следовательно, повышает энерговыделение в рабочую жидкость.

В варианте выполнения по фиг.3 периодические колебания стенки 6 обеспечиваются за счет автоколебательного процесса, где вынуждающая колебания переменная по времени и величине сила образуется за счет срыва вихрей на перемычке 17 при воздействии их на стенку 6, расположенную на упругом подвесе 24. Для настройки автоколебательного процесса с торца стенки 6 выполнена камера сжатия 25, заполняемая упругой средой, например, воздухом под давлением или упругой жидкостью.

Для увеличения пульсаций давления сопло 7 выполнено с периодически переменным рабочим зазором за счет выполнения одной торцевой поверхности кольцевого сопла непосредственно на торцевой стенке 6, совершающей колебательное движение.

На фиг. 4а и 4б (соответственно над и под осью) показаны варианты выполнения теплогенератора, где колебание стенки 6 осуществлено за счет ее кинетической связи с приводным механизмом 26 возвратно-переменного движения. Механизм 26 может быть кривошипно-шатунным, магнитострикционным, ударным и т.п.

На фиг.4б также показан пример выполнения несимметричной отводной камеры 8, которая в ряде случаев упрощает конструктивное выполнение теплогенератора.

На фиг. 1, 2, 4б схематически показано движение жидкости в теплогенераторе без учета закрутки потока центробежной форсункой и влияния взаимодействия и перестройки линий тока при интенсивной кавитации и наложении пульсаций давлений.

Данный теплогенератор позволяет существенно интенсифицировать процессы кавитационного тепловыделения, имеет малые внутренние гидравлические потери, не связанные с процессом кавитации, позволяет легко настраивать конструкцию на различные приводные мощности и рабочие характеристики насоса-побудителя.

Формула изобретения

1. Теплогенератор кавитационного типа, состоящий из центробежной форсунки, вход которой сообщен с выходом насоса-побудителя, а ее выходное сопло - с каналом торможения потока, сообщенным с входом насоса-побудителя, отличающийся тем, что канал торможения выполнен в виде ограниченной по длине, осесимметричной соплу форсунки камеры торможения с рабочим диаметром, большим диаметра сопла форсунки, снабженной расположенной напротив сопла торцевой стенкой и периферийно расположенного на ее выходе кольцевого сопла переменного по радиусу сечения, выходящего в расположенную вокруг него отводную камеру, сообщенную с входом насоса-побудителя.

2. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что кольцевое сопло расположено в плоскости симметрии отводной камеры.

3. Теплогенератор по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что торцевая стенка камеры торможения снабжена осесимметричной камерой поворота натекающего потока навстречу потоку из центробежной форсунки.

4. Теплогенератор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что по оси центробежной форсунки выполнен выходящий в камеру торможения дополнительный канал, сообщенный с источником давления, например, дополнительным насосом.

5. Теплогенератор по п. 4, отличающийся тем, что на торцевой стенке по периферии камеры поворота в зоне входа в периферийное сопло выполнен осесимметричный выступ, расположенный от периферийной стенки камеры торможения с зазором переменного сечения, образующим перед периферийным соплом дополнительный конфузорный кольцевой канал.

6. Теплогенератор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что камера торможения выполнена в форме диффузора.

7. Теплогенератор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что камера торможения выполнена в форме цилиндра.

8. Теплогенератор по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что камера торможения выполнена по длине переменной формы, имеющей в своей средней части перемычку с зауженным рабочим сечением.

9. Теплогенератор по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что торцевая стенка канала торможения выполнена с возможностью колебательного движения вдоль оси камеры торможения.

10. Теплогенератор по п. 9, отличающийся тем, что торцевая стенка жестко связана с одной торцевой поверхностью кольцевого сопла.

11. Теплогенератор по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что периферийная отводная камера выполнена в виде спирального отвода переменного сечения, аналогично спиральным отводам центробежных насосов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3