ТЕПЛОГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также может быть использовано в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей.

Известен теплогенератор для нагрева жидкостей (патент Российской Федерации RU 2173432, 2000 г.), имеющий цилиндрический корпус с циклоном - ускорителем потока жидкости в его нижней части, тормозное устройство в верхней части корпуса, выпускной патрубок, соединенный с циклоном с помощью перепускного патрубка, причем соединение выполнено на торце циклона соосно ему, торец циклона установлен под углом 10° к его радиальному сечению, а внешняя стенка инжекционного патрубка на входе в корпус снабжена направляющей лопастью, прикрепленной к торцу циклона. При этом внешняя стенка инжекционного патрубка и направляющая лопасть выполнены по логарифмической спирали с длиной направляющей лопасти более πR/2, где R - внутренний радиус корпуса, а циклон и цилиндрический корпус выполнены с одинаковым радиусом.

Теплогенераторы рассматриваемого класса являются жидкостными свистками, которые создают звуковое поле в своем внутреннем объеме, через который проходит жидкость. При этом в фазе разрежения звуковой волны в жидкости на зародышах образуются и растут кавитационные полости, а в фазе избыточного давления они мгновенно схлопываются осуществляя уплотнение энергии, как в пространстве, так и во времени с ростом температуры в точке схлопывания до 6000°K.

Механизм образования звуковых волн в таких устройствах сводится к проявлению действия совокупности нескольких процессов. Во-первых, сам процесс истечения затопленной струи из инжекционного патрубка в циклон является источником звука. Так выход струи в затопленное пространство является местным сопротивлением, обуславливающим на конечном участке подводящего канала избыточное по отношению к этому пространству давление, пропорциональное скоростному напору. Следовательно, при выходе потока из отверстия с него снимается экранирующее действие стенок подводящей трубы, и он за счет упругих сил расширяется. Далее, по мере продвижения потока, сначала также за счет действия упругих сил, внешнего давления и позднее инерционных сил, он обжимается, а позже, за счет упругих сил, снова расширяется и т.д.. Таким образом, струя представляет собой свободный поток с чередующимися по его длине областями сжатий и разрежений (Иванов, Е.Г. О радиальной составляющей струйного течения в затопленном пространстве / Сборник научных трудов 6-й Международной научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» / СПб.: Изд-во Политехи, ун-та. - 2010. - С. 76-83.). Поэтому, все затопленные струи шумят с основной частотой, определяемой скоростью потока и диаметром сопла.

Вторым источником звукообразования является взаимодействие в циклоне входной части потока с другой его частью, совершившей полный оборот вдоль цилиндрической обечайки циклона (Фиг. 2). В этом случае вторая, т.е. совершившая полный оборот, часть потока за счет скоростной составляющей напора обжимает входящую часть, уменьшая проходное сечение и увеличивая тем самым гидравлическое сопротивление на входе в улитку циклона. Увеличенное гидравлическое сопротивление вызывает уменьшение скорости входного потока, что приводит к возрастанию пьезометрической составляющей напора потока перед сопротивлением. Повышенное давление перед сопротивлением обеспечивает отжим второй, то есть окружной части потока, снижение гидравлического сопротивления для входного компонента и далее увеличенный его расход, причем, как за счет увеличенного сечения, так и за счет прибавки скорости. Произошедший переход энергии в кинетическую форму уменьшает пьезометрическую часть входного потока, что вновь приводит к его обжиму окружным потоком и т.д.

Для второй части потока имеют место аналогичные периодические переходы, но в противофазе переходам на входной части, а в качестве гидравлического сопротивления выступает поворот потока от касательного направления в месте взаимодействия внутрь циклона. Таким образом, периодическое изменение давления в зонах обжатия является источником упругих колебаний, т.е. звуковых волн (Фиг. 3).

Целесообразно, чтобы длина цилиндрической части корпуса была кратна целому числу полу длин звуковых волн. В этом случае волны расчетных частот, вошедшие в корпус, будут отражаться от жесткого противоположного конца корпуса и, поэтому начало и конец цилиндрической части корпуса станут узлами, а середина - пучностью стоячей волны. Стоячая же волна предполагает удвоенную амплитуду колебаний, следовательно, и больший уровень энергии, запасенный кавитационной каверной перед схлопыванием, и большее тепловыделение в акте схлопывания.

В рассматриваемом техническом решении оригинальным элементом является то, что внешняя стенка инжекционного патрубка на входе в корпус снабжена направляющей лопастью, прикрепленной к торцу циклона. Ее присутствие в устройстве обеспечивает дополнительный источник звукообразования. В этом случае входной поток движется вдоль лопасти и равномерно стекает с нее, образуя срывы. Сама пластина при этом совершает колебания, передает их всему протекающему потоку, образуя автоколебательную систему.

Однако каждый из источников звукообразования издает сигналы со своими отличными друг от друга параметрами и, более того, каждый из источников звука издает широкий спектр звуковых частот, что исключает образование резонанса в цилиндрическом корпусе.

Кроме того, другой оригинальный элемент, а именно, выполнение корпуса и циклона с одинаковым радиусом обуславливает то, что в этом случае окружное течение в улитке циклона является неупорядоченным, поскольку в поперечном сечении оно ограничено только с двух сторон, а не с трех, как у классического варианта (нижеприведенного прототипа). Поэтому по мере совершения оборота, оно произвольно в сторону корпуса растекается, теряет интенсивность. В результате акустический сигнал от взаимодействия входной части тангенциального потока и окружной его части, совершившей полный оборот в улитке, получается с малой амплитудой, не выразительным.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является теплогенератор, содержащий цилиндрический корпус, циклон в его нижней части, выполненный в виде улитки с тангенциальным входом и языком на слиянии входного и вращающегося потоком, тормозное устройство в верхней части, за которым установлено дно с выходным отверстием (Патент России на изобретение №2045715, 1993 г.).

Рассматриваемое устройство частично лишено вышеуказанных недостатков, оно не содержит лопасти, которая расширяет диапазон генерируемых частот, одновременно уменьшая их амплитуды. В циклоне поток вращается в ограниченном с трех сторон русле, что также исключает переход вращающегося потока из целостного сосредоточенного состояния в растекающееся по общей обечайке циклона и корпуса. Поэтому взаимодействие входного и окружного компонента на секторе корпуса, охватываемом входным патрубком, будет происходить более дискретно, что сократит диапазон воспроизводимых частот и повысит их амплитуду.

Входная гидравлическая мощность в этом случае будет преобразовываться в звуковую (акустическую) более упорядоченно.

Однако и в этом случае переход кинетической энергии движения жидкости в энергию колебаний происходит также далеко не в полной мере.

Так при входе жидкости в циклон течение переходит из прямолинейного русла в окружное, вследствие чего линии тока меняют свою конфигурацию. Они переходят из осевой, относительно входного патрубка, ориентации в два сопряженных вихревых жгута с осями вращения эквидистантными обечайке циклона (Фиг. 4, 5). Причина этого обстоятельства заключается во влиянии трения поверхностей, ограничивающих поток на прямолинейном и окружном (круговом) участках.

Во-первых, при встрече условно однородного потока с начальным участком окружного этапа периферийные линии тока раньше встречаются с ограждающей поверхностью обечайки циклона (Фиг. 4) и входят в поворот. Эта фаза течения сопровождается появлением местных гидравлических потерь на поворот потока и гидравлических потерь на трение об ограничивающие поверхности. Удельная энергия этих линий тока снижается.

Линии тока из слоев далее отстоящих (на dr) от периферийной границы прямолинейного участка встречаются с криволинейной поверхностью позже на величину пути dl или позже на время

.

За это время энергия периферийной линии тока снижается на величину

,

где

dl - участок пути сравниваемых положений;

λ - коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности циклона;

R_г - гидравлический радиус элемента dr;

ξ_пов. - коэффициент местных гидравлических сопротивлений при повороте потока;

V_вх. - средняя скорость входного потока на срезе сопла;

g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

Следует также отметить, что еще на прямолинейных участках в пристенном пограничном слое энергия течения была уже меньше, чем в ядре потока (Фиг. 6).

При встрече такого более энергетического слоя (отстоящего от границы на расстоянии dr) с криволинейной обечайкой происходит замещение менее энергетических течений, которые отжимаются в пристенных торцовых областях на меньшие радиусы.

Следующие, еще более энергетические течения слои, отстоящие от плоского периферийного участка обечайки на большие расстояния (Δr>dr) вплоть до высоты сопла А еще более усиливают это течение в области торцов циклона и далее на меньшие радиусы.

Таким образом, возникают два сопряженных вихревых течения с осями, отстоящими от ограничивающих поверхностей на расстояние (Фиг. 5)

.

Такое вихревое течение рабочей жидкости имеет место по всему окружному участку циклона. При этом особенным является то, что за счет потерь трения об ограждающие поверхности при вращении сопряженных вихревых жгутов, потерь от возвратных течений в областях отрыва (в углах коробчатых объемов) их периферийные участки теряют энергию. Приосевые области этих жгутов это делают в меньшей степени.

Следовательно, в поперечном сечении окружной части потока имеет место энергетическая неравномерность. На удалении

от ограничивающих поверхностей имеет место присутствие двух локальных (m, n) высокоэнергетических областей по отношению к другим линиям тока (Фиг. 5).

Структура входного потока так же неоднородна. Во входном потоке на прямолинейном участке циклона более энергетической является центральная часть сечения потока (Фиг. 7), то есть удаленная от граничных поверхностей на расстояниях А/2, В/2.

То есть каждая из высокоэнергетических частей взаимодействующих входного и окружного потоков находятся в разных, в параллельных радиальных плоскостях.

При слиянии потоков с такими структурами имеет место взаимодействие высокоэнергетической части первого потока с низкоэнергетической частью второго потока, а низкоэнергетической части первого потока с высокоэнергетической частью второго потока. То есть происходит не полное периодическое блокирование одного потока другим, а постоянное взаимное пронизывание обоих потоков высокоэнергетическими зонами каждого из них.

Поэтому при каждом цикле обжатия потоков отсутствует полная блокада обжимаемого в данный момент потока, в результате чего сокращается амплитуда вырабатываемого звукового сигнала, а при поперечном взаимодействии вращающегося (то есть вихревого потока) с потенциальным образуется много шумов и подводимая энергия расходуется на весь расширенный диапазон воспроизводимых частот.

В этом случае:

- чрезмерно высокая частота колебаний (более 10 кГц) не позволяет кавитационному пузырьку приобрести необходимый запас упругой энергии, и в результате процесс схлопывания недостаточно повышает температуру жидкости;

- при низкой частоте увеличенная в размерах кавитационная каверна (пузырек) в короткую фазу схлопывания не успевает полностью исчезнуть, а только пульсирует. Отсутствие же удара при схлопывании также исключает следствия, в результате которых вода должна нагреваться.

То есть, согласно амплитудно-частотной характеристике рассматриваемого устройства (Фиг. 8) слишком малая доля энергии реализуется в полезные частоты (1-3 кГц), и его эффективность очень низка.

Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы устройства для нагрева жидкостей путем увеличения амплитуд колебаний полезных частот (от 1 до 3 кГц).

Для достижения поставленной цели в теплогенераторе, содержащем цилиндрический корпус, циклон в его нижней части с тангенциальным входом и языком на слиянии входного и вращающегося потоков, тормозное устройство в верхней части, за которым установлено дно с выходным отверстием - на языке консольно в виде его продолжения перпендикулярно и с минимальными зазорами к торцам циклона установлена прокладка.

При этом прокладка может быть выполнена:

- из нежесткого материала;

- из материала с повышенной поперечной жесткостью;

- жесткой и закрепленной на языке посредством цилиндрического шарнира;

- из упругого материала;

- не плоской, например, в виде дуги в продольном сечении;

- в виде дуги в поперечном сечении;

- частично перекрывающей сечение тангенциального входного отверстия циклона.

Установка прокладки консольно на языке в виде его продолжения перпендикулярно и с минимальными зазорами к торцам циклона частично перекрывающей сечение тангенциального входного отверстия циклона исключает взаимопроникновение высокоэнергетических областей взаимодействующих в районе языка улитки входного и окружного потоков. В этом случае все линии тока, и высокоэнергетические, и низкоэнергетические (высоко-, и низкоскоростные) воздействуют на прокладку, а прокладка всей своей поверхностью равномерно воздействует на пассивный (например входной) в данный момент поток, перекрывая его сечение. При переходе от состояния движения к неподвижному состоянию кинетическая энергия движения жидкости входного, пассивного в данный момент потока преобразуется в потенциальную форму, то есть в давление, которое перемещает прокладку из запирающего входное отверстие, или частично запирающего положения в открытое. Снятие, таким образом, гидравлического сопротивления дает возможность саккумулированной перед ним пьезометрической энергии рабочей жидкости перейти в энергию движения (кинетическую), что обусловит ее переток в циклон, а это в свою очередь, вызовет падение давления в движущейся струе в виде волны разрежения, движущейся навстречу входному потоку. Окружной поток в районе языка имеет меньшую удельную энергию, чем входной, на величину гидравлических потерь от его поворота, от вихревой составляющей течения, от энергопоглощения спутными вихрями в области отрыва и т.д. Однако его активные зоны тип при действии в поперечном направлении способны обжать входной поток. Максимальная степень обжатия будет достигнута при выполнении условия, чтобы точки воздействия активных зон (m и n) окружного потока не выходили за пределы прокладки. Прокладка и в этом случае предотвратит пронизывающее действие от активных зон, и вновь равномерно и по всей ширине циклона перегородит входной поток. Далее цикл будет повторяться.

При этом прокладка может быть выполнена из нежесткого материала. В этом случае ее функция сводится только к частичному устранению пронизывающего действия наиболее активных частей взаимодействующих струй.

Выполнение прокладки из мягкого материала с повышенной поперечной жесткостью обеспечит более полное устранение взаимного пронизывающего действия струй.

Повышенная поперечная жесткость (например, гофрированная поверхность) при этом обеспечит минимизацию протечек через зазоры у торцев циклона и получение равномерного воздействия на струи.

Закрепление прокладки, выполненной в виде жесткой пластины, на выступе посредством цилиндрического шарнира устранит продольные и в еще большей степени исключит поперечные деформации прокладки и снизит до минимума протечки через торцовые зазоры.

Выполнение прокладки из упругого материала в виде дуги в продольном сечении обеспечит возможность корректировать отличие энергетических уровней входного и окружного потоков. Поскольку окружной поток имеет меньшую скорость, чем входной, то изгиб упругой прокладки навстречу окружному, обеспечит условие более продолжительного воздействия его активных зон (m и n) на прокладку, значит и большую степень перекрытия входного потока.

Выполнение прокладки из упругого материала в виде дуги в поперечном сечении обеспечит неравенство упругих свойств прокладки по направлениям, перпендикулярным плоскости прокладки. Следовательно, появляется возможность менять соотношение акустической мощности между вакууметрической и манометрической фазами, что позволит производить подналадку устройства при различных уровнях среднего давления в нем. Возможность совместного регулирования номинала давления в устройстве и энергетики фаз колебаний позволит достичь наилучших размеров квитационных каверн для получения максимальной теплотворной способности.

Так же с учетом сниженной по отношению к входному потоку интенсивности окружного потока прокладка может частично перекрывать сечение тангенциального входного отверстия циклона.

Предлагаемое техническое решение пояснено чертежами:

Фиг. 1. Вид общий устройства для нагрева жидкостей;

Фиг. 2. Схема образования колебаний в улитке. Изображение разреза А-А фиг. 1;

Фиг. 3. Визуализация образования колебаний при слиянии поперечных потоков (на примере слияния рек Ока и Волга);

Фиг. 4. Схема потоков в улитке, в радиальном сечении;

Фиг. 5. Структура окружного потока в поперечном сечении. Разрез С-С Фиг. 4;

Фиг. 6. Эпюра распределения скоростей потока на входе в циклон;

Фиг. 7. Структура входного потока в поперечном сечении;

Фиг. 8. Амплитудно-частотная характеристика теплогенератора;

Фиг. 9. Вариант установки прокладки на языке циклона из нежесткого материала;

Фиг. 10. Вариант установки прокладки на языке циклона из жесткого материала, закрепленной посредством цилиндрического шарнира;

Фиг. 11. Вариант установки прокладки на языке циклона из упругого материала;

Фиг. 12. Вариант установки прокладки на языке циклона, выполненной из упругого материала в виде дуги в продольном сечении;

Фиг. 13. Вариант установки прокладки на языке циклона, выполненной из упругого материала в виде дуги в поперечном сечении.

Теплогенератор состоит из корпуса, имеющего цилиндрическую часть 1 и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона 2, на входе в который установлен инжекционный патрубок 3. Кроме того, в состав теплогенератора входит тормозная система 4, установленная в выходном участке цилиндрической части корпуса, а также выходной патрубок 5. Ускоритель движения жидкости (циклон) 2 имеет по контуру 6 вид спирали или окружности, который вместе с входным тангенциальным патрубком 7 на слиянии входного 8 и окружного 9 потоков образует язык 10. На языке 10 консольно в виде его продолжения перпендикулярно и с минимальными зазорами к торцам циклона 2 установлена прокладка 11, частично перекрывающая сечение отверстие тангенциального входного патрубка 7 циклона 2. В рабочем положении циклон 2 и инжекционный патрубок 3 закрываются общей крышкой 12.

Теплогенератор входит в состав устройства для нагрева жидкостей вместе с насосом 13, присоединенным напорным патрубком 14 к инжекционному патрубку 3, а всасывающим патрубком 15 через циркуляционный трубопровод 16 к выходному патрубку 5 теплогенератора. В районе выходного патрубка 5 в циркуляционный трубопровод 16 врезан выходной транзитный патрубок 17, а в районе всасывающего патрубка 15 насоса 13 в тот же циркуляционный трубопровод 16 врезан входной транзитный патрубок 18.

Транзитные патрубки 17 и 18 могут быть подключены либо к системе теплообмена (на фигурах не показана), либо к другой технологической нагрузке.

Прокладка 11 может быть выполнена:

- из нежесткого материала - фиг. 9;

- из мягкого материала с повышенной поперечной жесткостью;

- из жесткого материала закрепленной на языке посредством цилиндрического шарнира - фиг. 10;

- из упругого материала - фиг. 11, при этом:

- не плоской, на пример в виде дуги в продольном сечении - фиг. 12;

- в виде дуги в поперечном сечении - фиг. 13.

Устройство для нагрева жидкостей, включающее теплогенератор, работает следующим образом.

Насос 13 под избыточным давлением (4-6 атмосфер) нагнетает воду в инжекционный патрубок 3 теплогенератора (фиг. 1). По мере прохождения инжекционного патрубка поток воды или другой рабочей жидкости обжимается и поэтому ускоряется и ускоренным до скорости 30-35 м/с попадает во входной патрубок 7 циклона 2 (Фиг. 2). По мере прохождения прямолинейного тангенциального патрубка 7 поток 8 движется в турбулентном режиме и, следовательно, распределение скоростей в нем соответствует почти трапециидальному закону (фиг. 6). В центре он имеет максимальную скорость, а вблизи ограничивающих его с трех сторон поверхностей пограничный слой толщиной δ_л.с..

При входе в окружной участок слои, находящиеся вне пограничного слоя, имеют большую энергию и при утыкании в окружную часть обечайки 6 он растекается и вперед, и по боковым направлениям (Фиг. 4). Слои, отстоящие от обечайки 6 на большие расстояния (Δr>dr), имеют еще более высокую энергию, и при утыкании в поднимающийся криволинейный участок уже на длине Δl замещают с еще большей интенсивностью жидкость в утолщенном пограничном слое, усиливая боковые течения, которые продолжаются вдоль торцовых стенок на меньшие радиусы (Фиг. 5).

Слои входного потока, отстоящие от внешней стенки входного патрубка 7 на величину его высоты А, имеют наибольшую энергию и они окончательно интенсифицируют поперечную компоненту входного потока 8, переходящего в окружное течение.

Эти поперечные течения, двигающиеся вдоль торцовых стенок, на малых радиусах смыкаются и образуют два сопряженных вихревых жгута (фиг. 5), оси вращения которых отстоят от обечайки 6 на расстоянии В/4. В зависимости от соотношения геометрических параметров элементов циклона, чистоты поверхности внутреннего объема циклона, скорости окружного потока 9 каждый из указанных жгутов так же может распадаться на свои пары вихревых течений. Однако в этом окружном течении 9 имеют место разные зоны с разной интенсивностью, зоны m, n имеют максимальные скорости.

При достижении потоком 9 языка 10 он взаимодействует с прокладкой 11. В этом случае все элементы окружного потока 9 участвуют в равной степени в гидродинамическом воздействии на, пассивный в данный момент, входной поток 8 через прокладку 11. Кроме того, поперечная компонента вращающегося в двух плоскостях потока 9, имеющая в каждой точке свою величину и направление через прокладку одинаково взаимодействует с входным потоком 8 через прокладку 11, отжимая ее и перекрывая сечение входному потоку 8. Входной поток 8 за счет увеличившихся гидравлических сопротивлений притормаживается перед прокладкой, повышая гидростатическое давление, которое ее, прокладку 11, в следующий момент отжимает и поворачивает относительно точки закрепления, освобождая проход для входного потока 8. Снятие гидравлических сопротивлений приводит к ускорению входного потока, что обуславливает уменьшение давления в области взаимодействия и последующее частичное закрытие прокладкой 11 сечение входного отверстия.

В этом случае перекрытие входного отверстия происходит по всей ширине канала более синхронно, чем при отсутствии прокладки 11, что исключает образование паразитных частот (Фиг. 9).

Для большей синхронности закрытия и открытия прокладка 11 может быть выполнена с повышенной поперечной жесткостью, или в виде жесткой пластины, качающейся на цилиндрическом шарнире (Фиг. 10). В этом случае сокращаются перетоки через торцовые зазоры, что в еще большей степени делает сигнал дискретным. Однако в последнем случае, она будет иметь инерцию и ее использование ограничится диапазоном низких частот.

Выполнение прокладки 11 из упругого материала в виде дуги в продольном сечении (Фиг. 12) обеспечит возможность корректировать отличие энергетических уровней входного и окружного потоков. Поскольку окружной поток имеет меньшую скорость, чем входной, то изгиб упругой прокладки навстречу окружному, обеспечит условие более продолжительного воздействия его активных зон (m и n) на прокладку, значит и большую степень перекрытия входного потока.

Выполнение прокладки 11 из упругого материала в виде дуги в поперечном сечении (Фиг. 13) обеспечит неравенство упругих свойств прокладки по направлениям, перпендикулярным плоскости прокладки. Следовательно, появляется возможность менять соотношение акустической мощности между вакууметрической и манометрической фазами, что позволит производить подналадку устройства при различных уровнях среднего давления в нем. Возможность совместного регулирования номинала давления в устройстве и энергетики фаз колебаний позволит достичь наилучших размеров кавитационных каверн для получения максимальной теплотворной способности.

Таким образом, будут сведены к минимуму локальные взаимодействия элементов струй с разным соотношением энергий, будет генерироваться узкий диапазон частот упругих колебаний, увеличится их амплитуда. Достигнутый характер взаимодействия потоков в значительной мере повысит КПД преобразования гидравлической мощности в акустическую (на сегодня он составляет 5-10%), следовательно, в достигнутой пропорции увеличится и выработка тепловой энергии.