Теплогенератор для нагревания жидкостей (варианты)

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения, а также может быть использовано для подогрева вязких жидкостей при их перекачке по трубопроводам. Теплогенератор включает в себя расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости и, по меньшей мере, одно средство для торможения движения жидкости, выполненные в виде лопастных колес. Одно лопастное колесо установлено с возможностью вращения под действием привода соосно с другим, установленным неподвижно с образованием зазора между лопастями лопастных колес. При этом согласно первому варианту исполнения в пазах между лопастями неподвижного лопастного колеса установлена перегородка с возможностью ее перемещения по высоте лопасти. Согласно второму варианту исполнения ступица вращающегося лопастного колеса выполнена так, что расстояние между ее торцом и торцом лопастного колеса равно 1/4 высоты лопасти. Технический результат состоит в повышении эффективности, стабильности процесса нагрева жидкости, а также повышении КПД и коэффициента использования мощности привода. 3 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения зданий, сооружений, транспортных средств, в частности при ликвидации аварийных ситуаций, вызванных отказами в работе устройств систем центрального отопления и горячего водоснабжения, изобретение также может быть использовано для подогрева вязких жидкостей при их перекачке по трубопроводам и для обеспечения других хозяйственных нужд, связанных с подачей горячей жидкости.

Известно устройство для преобразования механической энергии в тепловую за счет изменения физико-механических параметров рабочей среды, например давления и объема (см. авторское свидетельство СССР №458591, F 25 B 29/00, 1972 г.), которое включает в себя корпус в виде сферического сосуда, наполненного водой, с расположенным в нем теплообменником, насос с электроприводом, обеспечивающий сжатие рабочей среды внутри корпуса, подающий и обратный трубопроводы, оснащенные запорными вентилями, и потребитель тепла.

Основным недостатком описанного аналога является высокое рабочее давление в корпусе, достигающее 100 МПа, что усложняет конструкцию и ухудшает безопасность эксплуатации.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является теплогенератор, описанный в патенте РФ №2045715, F 25 B 29/00, 1995 г. и включающий в себя корпус с цилиндрической частью, ускоритель движения потока жидкости, содержащий насос для жидкости, а также инжекционный входной патрубок, соединенный с циклоном, установленным на одном из торцов цилиндрической части корпуса. Противоположный торец цилиндрической части корпуса имеет дно с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком корпуса. Внутри цилиндрической части корпуса установлено тормозное устройство с радиально расположенными ребрами. При этом выходной патрубок соединен посредством перепускного трубопровода с циклоном, а в зоне их соединения установлено дополнительное тормозное устройство. При включении насоса жидкость под давлением 0,4-0,6 МПа подается в инжекционный патрубок, ускоряется в нем, закручивается в спиральном циклоне и тормозится на стенках цилиндрической части корпуса и ребрах тормозного устройства. В результате изменений давления и скорости потока жидкость нагревается и поступает в теплообменники.

Основным недостатком прототипа является его нестабильная теплопроизводительность (то есть количество тепловой энергии, получаемое нагреваемой жидкостью в единицу времени), которая определяется величиной полезной механической мощности на валу электродвигателя. Отклонения теплопроизводительности могут достигать 1,5-2 раза как в сторону ее увеличения, так и в сторону уменьшения, при этом фактическая величина нагружающего момента электродвигателя насоса самоустанавливается в зависимости от параметров высокоскоростного потока жидкости в канале теплогенератора. Указанные параметры воспроизводятся в результате взаимодействия трех нерегулируемых элементов конструкции: проточного канала, насоса и электродвигателя. В этих условиях даже небольшие отклонения рабочих характеристик приводят к значительным отклонениям величины нагружающего момента и теплопроизводительности. В случае увеличения теплопроизводительности электродвигатель работает с перегрузкой, что недопустимо из-за возможности перегрева его обмоток и выхода из строя. В случае снижения теплопроизводительности электродвигатель работает с недогрузкой и теплогенератор не производит требуемого количества тепла. Как при недогрузке электродвигателя, так и при его перегрузке нагружающим моментом, отличающимся от номинального, снижаются коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя и коэффициент использования мощности.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в обеспечении стабильного и предсказуемого характера движения жидкости в устройстве. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в повышении эффективности, стабильности и регулируемости процесса нагрева жидкости, а также повышении КПД и коэффициента использования мощности привода.

Конструкция теплогенератора, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем испрашиваемый правовой охраны, может быть охарактеризована следующей совокупностью существенных признаков.

Теплогенератор включает в себя расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости и, по меньшей мере, одно средство для торможения движения жидкости, выполненые в виде лопастных колес, и средство для подачи жидкости. Лопастные колеса расположены соосно с образованием зазора между ними. Одно лопастное колесо установлено с возможностью вращения под действием привода. Другое лопастное колесо установлено неподвижно. На нем в пазу между лопастями установлена перегородка с возможностью ее перемещения по высоте лопасти.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения лопасти на первом и/или втором лопастном колесе могут быть выполнены на торцевой поверхности лопастного элемента под углом к его радиусу.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения первое лопастное колесо и/или второе лопастное колесо могут быть установлены с возможностью регулирования зазора между их торцевыми поверхностями.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство может включать в себя средство для подачи жидкости в полость между лопастными колесами.

При этом средство для подачи жидкости может представлять собой шнековый элемент.

Во втором варианте выполнения теплогенератор включает в себя расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости и, по меньшей мере, одно средство для торможения движения жидкости, выполненные в виде лопастных колес. Лопастные колеса расположены соосно с образованием зазора между ними. Одно лопастное колесо установлено с возможностью вращения под действием привода. Другое лопастное колесо установлено неподвижно. Ступица лопастного колеса, которое установлено с возможностью вращения под действием привода, выполнена так, что расстояние между ее торцом и торцом лопастного колеса равно 1/4 высоты его лопасти.

Фактически в устройстве могут быть использованы рабочие колеса гидродинамической муфты, подобные применяемым для передачи крутящего момента между двумя валами (Гавриленко Б.А., Семичастнов И.Ф. Гидродинамические передачи: Проектирование, изготовление и эксплуатация. - М.: Машиностроение, 1980). В обычной гидродинамической муфте соосное и турбинное колеса вращаются с некоторым проскальзыванием относительно друг друга. В связи с этим рабочая жидкость нагревается, однако количество выделяемой тепловой энергии невелико по сравнению с величиной передаваемой муфтой мощности. Неподвижное закрепление турбинного колеса (становящегося в этом случае реактивным) позволяет превратить всю механическую энергию электродвигателя в тепловую энергию нагреваемой жидкости.

Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенными выше совокупностями признаков, а также возможность реализации назначений изобретения может быть подтверждена описанием конструкции теплогенератора для нагревания жидкости, выполненного в соответствии с заявленным изобретением. Описание конструкции поясняется графическими материалами, на которых изображено следующее:

Фиг.1 - принципиальная схема теплогенератора (вариант 1).

Фиг.2 - принципиальная схема теплогенератора (вариант 2).

Фиг.3 - схема образования лопастей.

В первом варианте исполнения теплогенератор 1 для нагревания жидкостей содержит корпус 2, представляющий собой теплоизолированный бак с жидкостью, разделенный перегородкой 3 на сливной 4 и напорный 5 отсеки. В сливном отсеке 4 выполнено входное отверстие 6, а в напорном - выходное отверстие 7. Отверстия соединены с помощью соответственно сливного и напорного патрубков с, по меньшей мере, одним теплообменником (на чертеже не показаны). В корпусе 2 размещены средства для ускорения и торможения движения жидкости, выполненные в виде лопастных колес 8 и 9 и представляющие собой два колеса гидродинамической передачи с лопастями 10. Лопасти представляют собой выполненные на соответствующих торцах лопастного колеса 8 (реактивного колеса гидродинамической передачи) и лопастного колеса 9 (насосного колеса гидродинамической передачи) ребра с пазами 11 между ними. Между лопастями лопастного колеса 9 установлена перегородка 15. Причем эта перегородка установлена с возможностью ее перемещения по высоте паза. При этом продольные оси O₁O₂ лопастей (ребер) расположены под углом ==0 к радиусу соответствующего колеса, но могут быть расположены под углом, отличным от 0, в том числе могут быть выполнены таким образом, что лопасти 10 лопастного колеса 8 и лопастного колеса 9 будут направлены навстречу друг другу. Лопастное колесо 9 неподвижно закреплено в корпусе 2, а лопастное колесо 8 установлено соосно ему на валу 12 приводного электродвигателя 13 с возможностью его вращения. В частном случае лопастные колеса установлены с возможностью регулирования зазора А между торцами лопастных колес за счет перемещения лопастного колеса 8 и/или 9 вдоль вала 12. На валу 12 установлено средство для подачи жидкости 14, которое выполнено в виде шнека, размещенного во внутреннем отверстии лопастного элемента 8 с образованием щели В для прохода жидкости из сливного отсека 4 корпуса в полость С между лопастными колесами 8 и 9. При этом диаметр d окружности, ограничивающей внутренние концы пазов лопастного колеса, меньше соответствующего диаметра D лопастного элемента, что облегчает поступление жидкости от шнека 14 через щель В в полость С между лопастным элементом и лопастным колесом.

Во втором варианте выполнения теплогенератор 1 для нагревания жидкостей содержит корпус 2, представляющий собой теплоизолированный бак с жидкостью, разделенный перегородкой 3 на сливной 4 и напорный 5 отсеки. В сливном отсеке 4 выполнено входное отверстие 6, а в напорном - выходное отверстие 7. Отверстия соединены с помощью соответственно сливного и напорного патрубков с, по меньшей мере, одним теплообменником (на чертеже не показаны). В корпусе 2 размещены средства для ускорения и торможения движения жидкости, выполненные в виде лопастных колес 8 и 9 и представляющие собой два колеса гидродинамической передачи с лопастями 10. Лопасти представляют собой выполненные на соответствующих торцах лопастного колеса 8 (реактивного колеса гидродинамической передачи) и лопастного колеса 9 (насосного колеса гидродинамической передачи) ребра 11 с пазами между ними. При этом продольные оси O₁О₂ лопастей (ребер) 10 расположены под углом ==0 к радиусу соответствующего колеса, но могут быть расположены под углом, отличным от 0, в том числе могут быть выполнены таким образом, что лопасти 10 лопастного колеса и лопастного элемента будут направлены навстречу друг другу. Лопастной элемент 9 неподвижно закреплен в корпусе 2, а лопастное колесо 8 установлено соосно ему на валу 12 приводного электродвигателя 13 с возможностью его вращения. В частном случае реализации лопастные колеса установлены с возможностью регулирования зазора А между торцами лопастных колес за счет перемещения лопастного колеса вдоль вала 12. При этом расстояние между торцевой поверхностью ступицы лопастного колеса 8 и его торцевой поверхностью равно 1/4 высоты лопастей колеса 8.

Устройство работает следующим образом

При включении электродвигателя 13 жидкость из теплообменников поступает в сливной отсек 4 корпуса через отверстие 6. В первом варианте исполнения из отсека 4 жидкость подается шнеком 14 в пазы лопастного колеса и, ускоряясь под действием центробежных сил, перемещается от его центра к периферии, где поток закручивается и, попадая в пазы лопастного элемента, тормозится, перемещаясь к его центру, а затем снова попадает в пазы лопастного колеса. В результате жидкость нагревается и через зазор А под давлением поступает в напорный отсек 5 корпуса и далее через отверстие 7 и напорный патрубок к теплообменникам.

Расход жидкости через проточный канал теплогенератора и перепад давлений между напорным и сливным отсеками корпуса зависят от геометрических размеров шнека 14. При работе теплогенератора полезная механическая энергия, затрачиваемая на вращение лопастного колеса 8, практически полностью переходит в тепловую энергию нагреваемой жидкости. Поэтому теплопроизводительность устройства может быть определена произведением нагружающего крутящего момента лопастного колеса на частоту вращения вала. При этом величина нагружающего момента стабильна, т.к. зависит, главным образом, от активного диаметра рабочих колес и может быть рассчитана по известным формулам для гидродинамических передач. Фактическую величину нагружающего момента можно регулировать, перемещая перегородку между лопастями вдоль лопастей. Это позволяет использовать один и тот же теплогенератор с приводными двигателями разной мощности.

Кроме того, в небольших пределах фактическую величину нагружающего момента можно регулировать за счет изменения величины зазора А с целью ее приближения к номинальному моменту электродвигателя. Во втором варианте исполнения шнек отсутствует, однако выполнение укороченной ступицы лопастного колеса позволяет обеспечить подачу воды в пространство между лопастным колесом и лопастным элементом. Поскольку отсутствует специальное средство для подачи жидкости, то упрощается конструкция теплогенератора.

Таким образом, предложенные варианты конструкции теплогенератора позволяют воспроизводить нагружение электродвигателя номинальным моментом, что обеспечивает стабильную теплопроизводительность, соответствующую номинальной мощности электродвигателя, с максимальным КПД и обеспечивает его универсальность.

Описанные выше варианты конструкции теплогенератора для нагревания жидкости, выполненного в соответствии с заявленным изобретением, доказывают возможность реализации назначения изобретения и достижения указанного выше технического результата, но при этом не исчерпывает всех возможностей осуществления изобретения, охарактеризованного совокупностью признаков, приведенной в формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Теплогенератор, включающий в себя расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости и, по меньшей мере, одно средство для торможения движения жидкости, выполненные в виде лопастных колес, расположенных соосно с образованием зазора между их торцевыми поверхностями с лопастями, и средство для подачи жидкости в полость между лопастными колесами, при этом первое лопастное колесо установлено с возможностью вращения под действием привода, отличающийся тем, что второе лопастное колесо неподвижно установлено в корпусе, а в пазах между его лопастями установлена перегородка с возможностью перемещения по высоте лопастей.

2. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что лопасти на первом и/или втором лопастном колесе выполнены под углом к его радиусу.

3. Теплогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что первое лопастное колесо и/или второе лопастное колесо установлены с возможностью регулирования зазора между их торцевыми поверхностями.

4. Теплогенератор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что средство для подачи жидкости представляет собой шнековый элемент.

5. Теплогенератор, включающий в себя расположенные в корпусе, по меньшей мере, одно средство для ускорения движения жидкости и, по меньшей мере, одно средство для торможения движения жидкости, выполненные в виде лопастных колес, расположенных соосно с образованием зазора между их торцевыми поверхностями с лопастями, при этом первое лопастное колесо установлено с возможностью вращения под действием привода, отличающийся тем, что второе лопастное колесо неподвижно установлено в корпусе, и его ступица выполнена так, что расстояние от ее торцевой поверхности до торцевой поверхности указанного лопастного колеса равно 1/4 высоты лопастей.

6. Теплогенератор по п.5, отличающийся тем, что лопасти на первом и/или втором лопастном колесе выполнены под углом к его радиусу.

7. Теплогенератор по п.5 или 6, отличающийся тем, что первое лопастное колесо и/или второе лопастное колесо установлены с возможностью регулирования зазора между их торцевыми поверхностями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3