RU2088867C1

RU2088867C1 - Heat-generating plant

Info

Publication number: RU2088867C1
Application number: RU94030904A
Authority: RU
Inventors: В.И. Беспалов; Н.А. Страхова; Е.В. Омельченко; П.В. Поволоцкий
Original assignee: Ростовская-на-Дону государственная академия строительства
Priority date: 1994-08-22
Filing date: 1994-08-22
Publication date: 1997-08-27
Also published as: RU94030904A

Abstract

FIELD: heat generation for public utilities and for any industry to heat liquid coolant. SUBSTANCE: plant has storage tank accommodating heating element placed along its center line, spirally wound heat absorber-evaporator around heating element, and hot-cold water separator. Heating element is cylindrical vortex tube with tangential coolant inlet and internal spiral insert. EFFECT: improved design, enlarged functional capabilities. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области генерирования тепла экологически чистым способом и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве и в любой отрасли промышленности для нагрева жидкостного теплоносителя. The invention relates to the field of heat generation in an environmentally friendly way and can be used in housing and communal services and in any industry for heating a liquid coolant.

Известна система теплоснабжения, включающая тепловой насос, испаритель, конденсатор и газоход с установленным в нем первым и вторым по ходу газа теплообменниками с входными и выходными трубопроводами, подключенными к теплосети. При этом второй теплообменник снабжен соединенными между собой оросителями и поддоном (Авт. вс. N 1449779, F 24 D 11/02, бюл.1, 1989). A known heat supply system, including a heat pump, an evaporator, a condenser and a gas duct with installed in it the first and second heat exchangers along the gas with inlet and outlet pipelines connected to the heating system. In this case, the second heat exchanger is equipped with interconnected sprinklers and a drip tray (Aut. Sun. N 1449779, F 24 D 11/02, bull. 1, 1989).

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является теплонасосная установка, содержащая теплоприемник-испаритель, сепаратор, компрессор, насос, технологический теплоприемник-конденсатор, соединительные паропроводы, водоводы, образующие контур циркуляции рабочего тела, а также технологический теплоприемник и приемник продувочный вод (Авт. св. N 1643893, F 25 B 29/00, бюл.2, 1988). The closest in technical essence and the achieved effect is a heat pump installation containing a heat receiver-evaporator, a separator, a compressor, a pump, a technological heat receiver-condenser, connecting steam pipelines, water conduits forming the circulation circuit of the working fluid, as well as a technological heat receiver and a purge water receiver (Aut. St. N 1643893, F 25 B 29/00, bull. 2, 1988).

Однако применение известных устройств не позволяет достичь относительно высокого КПД процесса генерирования тепла, так как основано на предварительном выделении внутренней энергии сжигаемого топлива, последующей передаче ее теплоносителю, а не использует сразу же непосредственно внутреннюю скрытую энергию самого теплоносителя (воды). However, the use of known devices does not allow to achieve a relatively high efficiency of the heat generation process, since it is based on preliminary allocation of the internal energy of the combusted fuel, its subsequent transfer to the heat carrier, and does not immediately use the internal latent energy of the heat carrier itself (water).

Сущность изобретения заключается в том, что установка включает бак-аккумулятор с установленными в нем по центральной оси нагревательным элементом, выполненным в виде вихревой цилиндрической трубки с тангенциальным вводом теплоносителя и внутренней центральной спиральной вставкой, спирально-навивным теплоприемником-испарителем, обрамляющим нагревательный элемент, и сепаратором горячей и холодной воды. The essence of the invention lies in the fact that the installation includes a storage tank with a heating element installed in it along the central axis, made in the form of a cylindrical vortex tube with a tangential coolant inlet and an internal central spiral insert, a spiral-wound heat receiver-evaporator framing the heating element, and hot and cold water separator.

На фиг. 1 изображен общий вид установки сбоку; на фиг.2 то же, вид сверху; на фиг.3 фрагмент спиральной вставки. In FIG. 1 shows a general view of the installation from the side; figure 2 is the same, a top view; figure 3 fragment of a spiral insert.

Установка "ТГУ-2" состоит из бака-аккумулятора 1 с установленным в нем соосно нагревательным элементом 2, выполненным в виде вихревой цилиндрической трубки с тангенциальным вводом 3 и внутренней спиральной вставкой 4, имеющей тангенциальную 5 и нормальную 6 направляющие. Между днищем бака-аккумулятора 1 и нагревательным элементом 2 размещен сепаратор 7 холодной и горячей воды. Сепаратор 7 выполнен в виде перфорированной горизонтально установленной перегородки. Тангенциальный ввод 3 нагревательного элемента 2 соединен с нагнетающим патрубком насоса 8 трубопроводом 9. Всасывающий патрубок насоса 8 соединен с выходным патрубком 10 бака-аккумулятора 1 трубопроводом 11, имеющим врезку и подпиточный трубопровод 12. При этом выходной патрубок 10 расположен на уровне между сепаратором 7 и днищем бака-аккумулятора 1. Бак-аккумулятор 1, тангенциальный ввод 3 и патрубок 10, трубопроводы 9 и 11, а также насос 8 образуют внутренний циркуляционный контур установки. На трубопроводе 12 установлен регулировочный вентиль 13. Бак-аккумулятор 1 снабжен герметично закрывающейся крышкой 14, имеющей штуцер 19, оканчивающийся вентилем 20 для выпуска воздуха из полости бака-аккумулятора 1 при заполнении установки теплоносителем. Спиральная вставка 4 закреплена по торцам цилиндрического нагревательного элемента 2. Installation "TSU-2" consists of a storage tank 1 with a coaxial heating element 2 installed in it, made in the form of a vortex cylindrical tube with tangential inlet 3 and an internal spiral insert 4, which has tangential 5 and normal 6 guides. Between the bottom of the storage tank 1 and the heating element 2 there is a separator 7 of cold and hot water. The separator 7 is made in the form of a perforated horizontally mounted partition. The tangential inlet 3 of the heating element 2 is connected to the discharge pipe of the pump 8 by a pipe 9. The suction pipe of the pump 8 is connected to the output pipe 10 of the storage tank 1 by a pipe 11 having a tie-in and make-up pipe 12. The output pipe 10 is located at a level between the separator 7 and the bottom of the storage tank 1. The storage tank 1, the tangential input 3 and the pipe 10, pipelines 9 and 11, as well as the pump 8 form an internal circulation circuit of the installation. An adjusting valve 13 is installed on the pipe 12. The storage tank 1 is equipped with a hermetically sealed cover 14 having a fitting 19 ending in a valve 20 for venting air from the cavity of the storage tank 1 when the installation is filled with coolant. The spiral insert 4 is fixed at the ends of the cylindrical heating element 2.

Нагревательный элемент 2 в нижней части имеет отверстия 21 по периметру для выпуска нагреваемого теплоносителя в полость бака-аккумулятора 1. Вокруг нагревательного элемента 2 в полости бака-аккумулятора 1 коаксиально расположен спирально-нажимной трубчатый теплоприемник-испаритель 22, свободные концы которого соединены с выходным 23 и входным 24 патрубками. Выходной патрубок 23 соединен трубопроводом 25 с конденсатором 26 (отопительным прибором), который, в свою очередь, трубопроводом 27 соединен с входным патрубком 24. На трубопроводе 25 между выходным патрубком 23 и конденсатором 26 выполнена врезка подпиточного трубопровода 28 с вентилем 29. Теплоприемник-испаритель 22, патрубки 23 и 24, трубопроводы 25 и 27, а также конденсатор 26 образуют внешний циркуляционный контур. The heating element 2 in the lower part has openings 21 around the perimeter for discharging the heated coolant into the cavity of the storage tank 1. Around the heating element 2 in the cavity of the storage tank 1 is a spiral-pressed tubular heat receiver-evaporator 22, whose free ends are connected to the outlet 23 and inlet 24 nozzles. The outlet pipe 23 is connected by a pipe 25 to a condenser 26 (heating device), which, in turn, by a pipe 27 is connected to the inlet pipe 24. On the pipe 25 between the outlet pipe 23 and the condenser 26, the make-up pipe 28 is inserted with a valve 29. The heat receiver-evaporator 22, pipes 23 and 24, pipelines 25 and 27, and also a capacitor 26 form an external circulation circuit.

Установка работает следующим образом. Installation works as follows.

Предварительно установка заполняется водой по внешнему и внутреннему циркуляционным контурам соответственно с помощью вентилей 13 и 29 через подпиточные трубопроводы 12 и 28. При заполнении бака-аккумулятора 1 водой воздух, находящийся внутри его полости, вытесняется и удаляется через штуцер 19 и вентиль 20. После заполнения установки водой подпитку прекращают закрытием вентилей 13 и 29, после чего включают насос 8. Pre-installation is filled with water through the external and internal circulation circuits, respectively, using valves 13 and 29 through make-up pipelines 12 and 28. When filling the storage tank 1 with water, the air inside its cavity is forced out and removed through the nozzle 19 and valve 20. After filling water installations stop feeding by closing valves 13 and 29, and then turn on the pump 8.

Холодная вода из нижней части бака-аккумулятора 1 через выходной патрубок 10 и трубопровод 11 насосом 8 нагнетается в трубопровод 9, из которого под давлением поступает в тангенциальный ввод 3 нагревательного элемента 2. Cold water from the bottom of the storage tank 1 through the outlet pipe 10 and the pipe 11 by the pump 8 is pumped into the pipe 9, from which under pressure it enters the tangential input 3 of the heating element 2.

Попадая в нагревательный элемент 2 под давлением тангенциально, вода выделяет тепловую энергию за счет преобразования части собственной внутренней энергии, обусловленной возникновением сил трения между внутренними молекулярными слоями потока (кинематическая и динамическая вязкости). Преобразование внутренней энергии в тепловую интенсифицируется в заявляемой установке из-за размещения во внутренней полости нагревательного элемента 2, спиральной вставки 4. Конструкция внутренней спиральной вставки 4, выполненной в виде винтовой поверхности с тангенциальной 5 и нормальной 6 составляющими поверхности, позволяет увеличить соответственно коэффициенты трения в вертикальной плоскости (коэффициент кинематической вязкости) и в горизонтальной плоскости (коэффициент динамической вязкости) за счет организации трения в полости нагревательного элемента 2 не только между слоями жидкости, но и дополнительно между слоями жидкости и твердой поверхностью спиральной вставки 4. Увеличение значений соответствующих коэффициентов трения приводит к увеличению значений самих сил трения и, следовательно, к увеличению количества выделяемой тепловой энергии. Использование такой конструкции нагревательного элемента 2 позволяет достичь повышения эффекта молекулярного разделения жидкости, интенсификации выделения тепловой энергии за счет преобразования кинетической энергии потока через внутреннюю энергию теплоносителя без использования процессов сжигания топлива с последующей передачей тепловой энергии теплоносителя (воды), а следовательно, КПД установки. Getting into the heating element 2 under pressure tangentially, water releases thermal energy due to the conversion of part of its own internal energy, due to the occurrence of friction forces between the internal molecular layers of the flow (kinematic and dynamic viscosity). The conversion of internal energy into thermal energy is intensified in the inventive installation due to the placement of a spiral insert 4 in the internal cavity of the heating element 2. The design of the internal spiral insert 4, made in the form of a helical surface with tangential 5 and normal 6 surface components, allows to increase the friction coefficients in vertical plane (kinematic viscosity coefficient) and in the horizontal plane (dynamic viscosity coefficient) due to the organization of friction in the polo minute heating element 2, not only between the layers of liquid, but also additional layers between a liquid and a solid surface a helical insert 4. Increasing values of the respective coefficients of friction results in increased values themselves friction forces and hence to increase the amount of heat released. Using this design of the heating element 2 allows to increase the effect of molecular separation of the liquid, the intensification of the release of thermal energy by converting the kinetic energy of the flow through the internal energy of the coolant without using fuel combustion processes, followed by the transfer of thermal energy of the coolant (water), and therefore, the efficiency of the installation.

Нагретый в элементе 2 теплоноситель через отверстия 21 выходит в полость бака-аккумулятора 1, где происходит расслоение более нагретых и менее нагретых потоков жидкости за счет разности их плотностей. При этом более подогретые слои жидкости поднимаются в верхнюю часть бака-аккумулятора 1, омывая снаружи поверхность спирально-навивного трубчатого теплоприемника-испарителя 22, а менее нагретые слои опускаются через сепаратор 7 в нижнюю часть бака-аккумулятора 1. Установка сепаратора 7 способствует равномерному разделению более нагретой и менее нагретой областей жидкости в баке-аккумуляторе 1, уменьшая при этом вероятность образования локальных температурных перепадов в объеме жидкости. The coolant heated in the element 2 through the openings 21 enters the cavity of the storage tank 1, where the separation of more heated and less heated fluid flows occurs due to the difference in their densities. In this case, warmer layers of liquid rise into the upper part of the storage tank 1, washing the surface of the spiral-wound tubular heat receiver-evaporator 22 from the outside, and less heated layers fall through the separator 7 into the lower part of the storage tank 1. The installation of the separator 7 promotes uniform separation of more heated and less heated regions of the liquid in the storage tank 1, while reducing the likelihood of local temperature differences in the liquid volume.

Таким образом осуществляется непрерывная циркуляция жидкости во внутреннем контуре установки при постоянной работе насоса 8 до достижения требуемой температуры теплоносителя в этом контуре. Thus, continuous circulation of the liquid in the internal circuit of the installation is carried out with the pump 8 working continuously until the required temperature of the coolant in this circuit is reached.

Требуемая температура теплоносителя во внутреннем контуре определяется, в конечном счете, требуемой температурой на поверхности конденсатора 26, выполненного в виде отопительного прибора, то есть температурой жидкости во внешнем циркуляционном контуре. The required temperature of the coolant in the internal circuit is determined, ultimately, by the required temperature on the surface of the condenser 26, made in the form of a heating device, that is, the temperature of the liquid in the external circulation circuit.

При омывании теплоприемника-испарителя 22 нагретой жидкостью в баке-аккумуляторе 1 за счет теплопередачи осуществляется нагрев жидкости внешнего циркуляционного контура, в котором по мере нагревания жидкости начинает происходить ее естественная циркуляция (за счет разности плотностей более нагретых и менее нагретых слоев жидкости) по трубопроводам 25 и 27. Наличие двух независимых замкнутых контуров в теплогенерирующей установке позволяет регулировать ее температурный режим в широком диапазоне (вплоть до получения пара во внешнем циркуляционном контуре). Высокие значения температур внешнего теплоносителя могут быть достигнуты при использовании компрессора 18. При этом сжатый воздух от компрессора 18 через нагнетающий трубопровод 17 и вентиль 16 подается в полость бака-аккумулятора 1, создавая там избыточное давление, позволяющее нагревать теплоноситель внутреннего циркуляционного контура выше 100^oC (точки кипения при атмосферном давлении) без кипения этого теплоносителя. Степень сжатия в полости бака-аккумулятора 1 обуславливает параметры перегретого теплоносителя во внутреннем, а следовательно, во внешнем циркуляционных контурах.When washing the heat receiver-evaporator 22 with heated liquid in the storage tank 1 due to heat transfer, the liquid of the external circulation circuit is heated, in which, as the liquid is heated, its natural circulation begins (due to the density difference between the more heated and less heated layers of the liquid) through pipelines 25 and 27. The presence of two independent closed circuits in the heat generating installation allows you to adjust its temperature in a wide range (up to receiving steam in an external circus decay has the loop). High temperatures of the external coolant can be achieved by using the compressor 18. In this case, the compressed air from the compressor 18 through the discharge pipe 17 and the valve 16 is fed into the cavity of the storage tank 1, creating an overpressure there, allowing heating the coolant of the internal circulation circuit above 100 ^o C (boiling points at atmospheric pressure) without boiling this coolant. The compression ratio in the cavity of the storage tank 1 determines the parameters of the superheated coolant in the internal, and therefore in the external circulation circuits.

Поскольку принцип действия установки основан на использовании только кинетической энергии потока жидкости и требует только затрат электрической энергии, то заявляемую установку можно считать экологически чистой, не выделяющей в окружающую среду загрязняющих веществ, обычно сопровождающих процесс сжигания топлива. Since the principle of operation of the installation is based on the use of only kinetic energy of the fluid flow and requires only the cost of electrical energy, the claimed installation can be considered environmentally friendly, not emitting pollutants into the environment, usually accompanying the process of burning fuel.

С целью подтверждения существенных отличительных признаков заявляемой установки на лабораторном стенде проводили ее испытания. Результаты испытаний приведены в таблице. In order to confirm the significant distinguishing features of the inventive installation on a laboratory bench conducted its tests. The test results are shown in the table.

Из таблицы видно, что повышение КПД процесса генерирования топлива достигает 80% что на 18% больше, чем у прототипа. The table shows that the increase in the efficiency of the fuel generation process reaches 80%, which is 18% more than the prototype.

Claims

A heat generating installation comprising a heat receiver-evaporator, a separator, a compressor, a pump, a condenser, connecting pipelines forming internal and external circuits, characterized in that the installation includes a storage tank with a heating element mounted on it on the central axis, made in the form of a cylindrical vortex tubes with a tangential coolant inlet and an inner central spiral insert, a spiral-wound heat sink-evaporator framing the heating element, and eparatorom hot and cold water.