Спосіб гідродинамічного нагріву води і установка для нагріву води - патент України 2480682 - Зав’ялов

Винахід відноситься до теплотехніки і може бути використано для теплових установок і нагрівання рідини в промисловості, житлово-комунальної галузі, в сільському господарстві. Завданням винаходу є отримання більш енергоефективного способу і економічною установки для нагріву води. Технічний результат досягається в теплогенераторі, встановленому в замкнутому контурі, при якому формують вихровий потік води, за рахунок перетворення створюваного насосом напору, і прискорюють отриманий потік в прискорювачі руху води, з подальшим відведенням одержуваного в теплогенераторі тепла від виходить потоку води до споживача. При цьому на вході в теплогенератор потік води розривають повітряної порожниною в зоні її фазового переходу, в якій забезпечують зіткнення крапель води при її виході в конусах розпилення. На вході корпусу теплогенератора утворена повітряна порожнина, а равлик має форму логарифмічною спіралі, причому закінчення рідини з равлики в вихрову трубу здійснюється через полюс логарифмічною спіралі, а між всмоктуючим і напірним трубопроводами встановлено відцентровий насос і запірний вентиль. 2 н. і 7 з.п. ф-ли, 1 мул.

Малюнки до патенту України 2480682

Винахід відноситься до теплотехніки і може бути використано для теплових установок і нагрівання води в промисловості, житлово-комунальної галузі, в сільському господарстві, будівництві, зокрема в системах опалення будівель і споруд, підігріву води для виробничих та побутових потреб, сушки сільгосппродуктів.

Відомі різні способи гідродинамічного нагріву води і створені на їх основі конструкції різних пристроїв і теплогенераторів, що використовують для отримання теплової енергії зміни фізико-механічних властивостей середовища, наприклад, тиску і об'єму в рухомому потоці води.

Наприклад, відомий спосіб гідродинамічного нагріву рідини за патентом України № 2156412, за яким нагрів досягається підвищенням аномальної генерації тепла за рахунок ударного гідродинамічного гальмування на зустрічних струменях кавітуючій рідини, яка витікає з великою швидкістю з зустрічно-спрямованих співвісних сопел.

Відомий спосіб отримання тепла за патентом України № 2165054, прийнятий за прототип, в якому тепло, нагріває воду, отримують шляхом формування вихрового потоку води і забезпечення кавитационного режиму його перебігу при резонансному посиленні виникають звукових коливань в цьому потоці і подачі води в потік при температурі 63 -90 ° С.

Однак зазначені відомі способи недостатньо енергоефективні.

Відомий теплогенератор "Рязань" по авт. св. № 17039240, який використовується для нагріву рідини шляхом перетворення механічної енергії обертання робочого колеса спочатку в гідравлічну, а потім в теплову. З нагнітача через напірний патрубок рідина надходить в трубопровід. Потім частина її направляється в струменевий апарат і через сопло і всмоктує патрубок повертається в нагрівач. Інша частина рідини спрямовується в теплообмінник, де віддає частину тепла споживачеві, потім відсмоктується струменевим апаратом і з підвищеним тиском, що запобігає кавітацію, подається до нагнітача. Нагрівання відбувається за рахунок втрат гідравлічної енергії на вихреобразование і тертя в потоці зворотному рідини. Недоліками даної конструкції є низький ККД установки і підвищений рівень шуму.

Найбільш близьке технічне рішення до заявленої установці і прийняте за прототип, цей винахід за патентом України № 2132517 «Теплогенератор і пристрій для нагріву рідини». Згідно з цим винаходу пристрій для нагріву рідини містить теплогенератор, насос, що подає і зворотний трубопроводи з запірними вентилями, що забезпечують взаємозв'язок теплообмінника з теплогенератором, що має блок прискорювачів руху рідини у вигляді равликів, а до насоса приєднаний напірний трубопровід. Судячи з опису цього винаходу, в ньому реалізуються наступні джерела тепла для нагріву води:

- гасіння хвиль води від лопаток робочого колеса насоса;

- гідродинамічні турбулентні течії в паралельних вихрових трубах;

- ударну дію вихрового потоку води на гальмівний пристрій.

Однак дане технічне рішення занадто складно по конструкції і в той же час недостатньо ефективно.

Завданням заявленого технічного рішення є отримання більш енергоефективного способу гідродинамічного нагріву води і економічною установки для нагріву води, що використовує запропонований спосіб.

Рішення поставленого завдання забезпечується отриманням такого технічного результату як зменшення теплоємності води при її фазовий перехід в повітряній порожнині корпуса теплогенератора, тобто при переході з фази з теплоємністю 4200 Дж / кг ° С в фазу з теплоємністю 2100 Дж / кг ° С. Крім цього, додатковими джерелами тепла в заявленому способі та встановлення будуть:

- гідродинамічні турбулентні течії в вихрових трубах;

- часткове використання ефекту Ранке в вихрових трубах в фазі з теплоємністю 2100 Дж / кг ° С;

- зіткнення крапель при виході води в конусах розпилення при виході води з вихрових труб напірної і зливної магістралей.

Таким чином, сумарна енергія (теплоємність) заявленої установки становитиме:

де Qн - теплова енергія відцентрового насоса;

Qв.т. - теплова енергія дисипації в вихрових трубах;

Qизб. - надлишкова теплова енергія, пов'язана з переходом води з фази з C1 = 4200 Дж / кг ° С в фазу C2 = 2100 Дж / кг ° С;

Qp - теплова енергія ефекту Ранке в фазі C2;

Qc - теплова енергія від зіткнення крапель в корпусах розпилення води.

Зазначена сумарна енергія (теплоємність) досягається в способі гідродинамічного нагріву води, при якому в теплогенераторі, встановленому в замкнутому контурі (магістралі), формують (швидкісний) вихровий потік води за рахунок перетворення створюваного насосом напору і прискорюють отриманий потік в прискорювачі руху води, з подальшим відведенням одержуваного в теплогенераторі тепла від виходить потоку води до споживача. При цьому на вході в теплогенератор в потоці води забезпечують освіту повітряної порожнини.

В окремому випадку заявленого способу в повітряної порожнини забезпечують зіткнення крапель води при її виході через два конуса розпилення.

Заявлений технічний результат досягається в технічному рішенні установки для нагріву води, виконаної у вигляді замкнутого контуру (магістралі), що містить теплогенератор, в дні (нижньому торці) корпусу якого є вихідний отвір, поєднане з трубопроводом всмоктування, напірний трубопровід, з'єднаний з прискорювачем руху води, виконаним у вигляді равлика, з'єднаної з вихровий трубою і приєднаної до верхнього торця корпусу. Крім того, на вході в корпус теплогенератора в потоці води утворена повітряна порожнина, равлик має форму логарифмічною спіралі, причому закінчення рідини з равлики в вихрову трубу здійснюється через полюс логарифмічною спіралі, а між всмоктуючим і напірним трубопроводами встановлено відцентровий насос і запірний вентиль.

В окремому випадку заявленого рішення установки на напірному трубопроводі встановлено забезпечений запірним вентилем з обмежувачем відведення на теплові батареї, з'єднані через зливний трубопровід і другий прискорювач руху води з верхнім торцем корпусу теплогенератора на відстані від першої вихровий труби не більше діаметра труби.

В іншому окремому випадку заявленої установки обмежувач запірного вентиля, що йде до теплових батареям, встановлює наступне співвідношення між витратою води через насос і через теплові батареї:

де Rбат - витрата води через теплові батареї,

Rнас - витрата води через насос.

У третьому окремому випадку заявленої установки співвідношення обсягу води в теплових батареях і в корпусі теплогенератора повинно бути в таких межах: Сбат / Стп 4.

У четвертому окремому випадку корпус теплогенератора забезпечений вакуумним насосом і встановлений додатковий трубопровід, що йде від повітряної порожнини корпусу до трубопроводу всмоктування.

У п'ятому окремому випадку - діаметр додаткового трубопроводу дорівнює діаметру трубопроводу всмоктування.

У шостому окремому випадку - корпус теплогенератора виконаний з зовнішнього і внутрішнього порожнистих циліндрів з теплоізоляцією між ними.

Для пояснення суті пропонованого технічного рішення установки для нагріву води додається її принципова схема, зображена на одному аркуші (фігура).

Установка для нагріву води, показана на фігурі, виконана у вигляді замкнутого контуру, в якому є теплогенератор, корпус 1 якого складається з зовнішнього і внутрішнього порожнистих циліндрів з теплоізоляцією між ними, в корпусі утворені повітряна 2 і водяна 3 порожнини. На верхній кришці корпусу встановлений вакуумний насос 4 і клапан 5 скидання надлишкового тиску, а також підведені дві вихрові труби 6, що йдуть від логарифмічних равликів 8. На першій вихровий трубі 6 встановлений термоманометр 7. Потік води в равлики надходить від напірного 9 і зливного 10 трубопроводу , що йде від теплових батарей 11, на вході яких встановлено запірно-регулюючий вентиль 12. Другий запірно-регулюючий вентиль 13 встановлений на напірному трубопроводі 9 після виходу з відцентрового насоса 14, в який вода надходить по трубопроводу вСА иванія 16, що йде від корпуса теплогенератора 1. Повітряна порожнина 2 теплогенератора з'єднана з трубопроводом всмоктування 16 додатковим трубопроводом 15. Теплогенератор обладнаний рівнеміром 17.

Перед початком роботи вся замкнута магістраль, включаючи корпус теплогенератора, заповнюється водою. Потім проводиться злив води з корпусу 1 до певної позначки на рівнемірів 17 для утворення повітряної порожнини 2, вихрових трубах 6 і логарифмічних равликів 8, закривається запірно-регулюючий вентиль 12, а вентиль 13 відкритий до обмежувача. Цей ступінь відкриття вентиля відповідає заданій точці витратно-напірної характеристики відцентрового насоса 14.

Після включення насоса 14 починається циркуляція і нагрів потоку води по замкнутому контуру: вода з корпуса 1 теплогенератора по трубопроводу всмоктування 16 надходить до насоса 14 і по напірному трубопроводу 9 через логарифмічні равлики 8 і вихрові труби 6 розпорошується в повітряній порожнині 2 теплогенератора. При досягненні в першій вихровий трубі 6 температури кипіння після деякої витримки відкривається до обмежувача вентиль 12, що веде до тепловим батареям 11, і починається функціонування установки для нагріву води в штатному режимі. При цьому ступінь відкриття вентиля 12 буде відповідати заданим витраті через теплові батареї. Енергоефективність роботи установки можна визначити за формулою:

Qакк - отримана теплова енергія,

NH - енергія, споживана насосом.

Дослідні зразки установки для нагріву води успішно пройшли випробування разом з тепловими батареями водяного опалення.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Спосіб гідродинамічного нагріву води в теплогенераторі, встановленому в замкнутому контурі, при якому в контурі формують вихровий потік води, за рахунок перетворення створюваного насосом напору і прискорюють отриманий потік в прискорювачі руху води, з подальшим відведенням одержуваного в теплогенераторі тепла від виходить потоку води до споживачеві, який відрізняється тим, що на вході в теплогенератор розривають потік води повітряної порожниною.

2. Спосіб гідродинамічного нагріву води по п.1, що відрізняється тим, що в повітряній порожнині забезпечують зіткнення крапель води при її вході в корпус через два конуса розпилення.

3. Установка для нагріву води, виконана у вигляді замкнутого контуру, що містить теплогенератор, в нижньому торці корпусу якого є вихідний отвір, поєднане з трубопроводом всмоктування, а також напірний трубопровід, з'єднаний з прискорювачем руху води, виконаним у вигляді равлика, з'єднаної з вихровий трубою і приєднаної до верхнього торця корпусу, що відрізняється тим, що на вході в корпус в потоці води утворена повітряна порожнина, равлик має форму логарифмічною спіралі, причому закінчення рідини з равлики в вихрову трубу здійснюється через полюс логарифмічною спіралі, а між всмоктуючим і напірним трубопроводами встановлено відцентровий насос і запірний вентиль.

4. Установка для приготування гарячої води за п.3, що відрізняється тим, що на напірному трубопроводі встановлено забезпечений запірним вентилем з обмежувачем відведення на теплові батареї, які з'єднані через зливний трубопровід і другий прискорювач руху води з верхнім торцем корпусу теплогенератора на відстані від першої вихровий труби не більше діаметра труби.

5. Установка для нагріву рідини по п.4, що відрізняється тим, що обмежувач запірного вентиля, що йде до теплових батареям, встановлює наступне співвідношення між витратою води через насос і через теплові батареї: Rбат / Rнас 1/100,
де Rбат - витрата води через теплові батареї,
Rнас - витрата води через насос.

6. Установка для приготування гарячої води за пп.4 і 5, що відрізняється тим, що співвідношення обсягу води в теплових батареях і в корпусі теплогенератора повинно бути в таких межах:
З бат / Стп 4.

7. Установка для приготування гарячої води за п.3, що відрізняється тим, що корпус теплогенератора забезпечений вакуумним насосом і встановлений додатковий трубопровід, що йде від повітряної порожнини в корпусі до трубопроводу всмоктування.

8. Установка для приготування гарячої води за п.7, що відрізняється тим, що діаметр додаткового трубопроводу дорівнює діаметру трубопроводу всмоктування.

9. Установка для приготування гарячої води за п.3, що відрізняється тим, що корпус теплогенератора виконаний з зовнішнього і внутрішнього порожнистих циліндрів з теплоізоляцією між ними.