RU2201561C2

RU2201561C2 - Cavitation-type heat generator

Info

Publication number: RU2201561C2
Application number: RU99110396A
Authority: RU
Inventors: Л.Н. Бритвин
Original assignee: Бритвин Лев Николаевич
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2003-03-27

Abstract

FIELD: thermal engineering. SUBSTANCE: heat generator built around swirl injector actuated by booster pump may be used as mixer, homogenizer, disperser in various processes. At least one resonator made in the form of axisymmetrical chamber is mounted at nozzle exit of swirl injector and other axisymmetrical resonator communicating with injector space through central bore is installed at butt-end of swirl chamber in opposition to its nozzle. At least one resonator is designed as adjustablefrequency device and electrodes communicating with electric current supply are arranged in opposing end walls of resonators along their axes. Provision is made to control proportion of currents supplied to booster pump and to electrodes. EFFECT: enhanced efficiency, optimized heattransfer process. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится преимущественно к теплогенераторам кавитационного типа, а также может быть использовано в кавитационных смесителях, гомогенизаторах, диспергаторах и т.п. аппаратах. The invention relates primarily to cavitation-type heat generators, and can also be used in cavitation mixers, homogenizers, dispersants, etc. apparatuses.

Известны аналогичные кавитационные технологические аппараты, содержащие кавитационный генератор, вход которого подключен к источнику жидкости под давлением (Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах. Киев: Вища школа, 1984, с.12-13, 32). Данные технические решения направлены на повышение интенсивности кавитационных процессов, но не решает эту задачу окончательно и требует сложных технических решений, не исключающих износ элементом кавитационного генератора. Known similar cavitation technological devices containing a cavitation generator, the input of which is connected to a source of liquid under pressure (Fedotkin I.M., Nemchin A.F. Use of cavitation in technological processes. Kiev: Vishcha school, 1984, pp. 12-13, 32 ) These technical solutions are aimed at increasing the intensity of cavitation processes, but do not completely solve this problem and require complex technical solutions that do not exclude wear by an element of the cavitation generator.

Наиболее близким по физико-технической сущности аналогом является способ генерации тепла, использующий кавитационную вихревую форсунку с осевым выходным соплом (патент РФ 2061195, 6 F 24 J 3/00), согласно которому средствами подключенной к кавитатору системы при достаточно строго заданном расходе жидкости генерируются колебания давления для интенсификации процесса избыточного тепловыделения. The analogue closest in physical and technical essence is a heat generation method using a cavitation vortex nozzle with an axial outlet nozzle (RF patent 2061195, 6 F 24 J 3/00), according to which oscillations are generated by means of a system connected to a cavitator at a sufficiently strictly specified fluid flow rate pressure to intensify the process of excessive heat.

Задачей данного предложения является упрощение конструкции теплогенератора, повышение его ресурса в условиях действия кавитации и широком диапазоне регулирования расходов жидкости через кавитационный теплогенератор, что необходимо для регулирования выходной тепловой мощности теплогенератора в процессе его эксплуатации. The objective of this proposal is to simplify the design of the heat generator, increase its life under the conditions of cavitation and a wide range of regulation of fluid flow through the cavitation heat generator, which is necessary to control the output heat output of the heat generator during its operation.

Данная задача решается в теплогенераторе, сообщенном с насосом-побудителем, выход которого подключен к входному каналу вихревой форсунки, снабженной осевым выходным соплом, тем, что на выходе сопла вихревой форсунки расположен выполненный в виде осесимметричной камеры по меньшей мере один резонатор автоколебаний, а также дополнительно и тем, что выходное сопло форсунки расположено вокруг выходного отверстия первого резонатора, напротив которого расположен второй резонатор, а круговая полость между ними гидравлически сообщена с периферийно расположенной круговой камерой, сообщенной с выходным каналом теплогенератора. При этом по меньшей мере один выполненный в виде глухой или проточной камеры резонатор выполнен с возможностью регулирования его объема для настройки теплогенератора на режим максимального энерговыделения. This problem is solved in a heat generator in communication with a booster pump, the output of which is connected to the input channel of the vortex nozzle, equipped with an axial output nozzle, so that at least one self-oscillating resonator made in the form of an axisymmetric chamber is located at the outlet of the nozzle of the vortex nozzle, and additionally and the fact that the nozzle outlet nozzle is located around the outlet of the first resonator, opposite which the second resonator is located, and the circular cavity between them is hydraulically connected to the periphery serially disposed circular chamber communicating with the outlet passage of the heat generator. At the same time, at least one resonator made in the form of a blind or flow chamber is configured to adjust its volume to adjust the heat generator to the maximum energy release mode.

Кроме того, по оси теплогенератора в оппозитно расположенных торцах резонаторов могут быть выполнены расположенные на общей оси резонаторов выступы с плавным переходом их основания в торцовые стенки резонаторов, в которых установлены электроды, сообщенные с источником электрического напряжения. In addition, along the axis of the heat generator in the opposite ends of the resonators, protrusions located on the common axis of the resonators can be made with a smooth transition of their base into the end walls of the resonators, in which electrodes are connected to the voltage source.

Дополнительный эффект по тепловыделению достигается за счет комбинированного подвода энергии к теплогенератору, а именно за счет подведения электроэнергии к установленным по торцам резонаторов в их центральных выступах электродам, при этом соотношение энергий, подводимых по этим двум каналам, может быть выполнено регулируемым для получения максимальной эффективности теплогенератора. An additional effect on heat release is achieved due to the combined supply of energy to the heat generator, namely, by supplying electricity to the electrodes installed at the ends of the resonators in their central protrusions, while the ratio of energies supplied through these two channels can be made adjustable to obtain the maximum heat generator efficiency .

На фиг. 1-3 даны примеры реализации теплогенераторов кавитационного типа, разъясняющие техническую сущность данного предложения. In FIG. 1-3 are given examples of the implementation of cavitation-type heat generators, explaining the technical essence of this proposal.

Теплогенератор кавитационного типа состоит из вихревой форсунки 1, снабженной камерой закрутки 2 потока, входной канал 3 которой сообщен с выходом насоса-побудителя 4. Форсунка 1 снабжена осевым выходным соплом 5, на выходе которой выполнена камера торможения потока 6, сообщенная с входом насоса-побудителя 4. На выходе сопла 5 расположен выполненный в виде осесимметричной камеры резонатор 7 с расположенным по оси входным отверстием 8, диффузорно переходящим в собственно камеру резонатора 7, выполненную в данном примере реализации с регулируемым объемом посредством установочно-подвижного поршня 9. Камера резонатора 7 снабжена периферийно расположенными выходными каналами 10 и регулируемыми дросселями 11 и 12, один из которых для упрощения конструкции может отсутствовать. Дроссели 11 и/или 12 служат для изменения расхода через резонатор и регулирования рабочего режима теплогенератора. The cavitation type heat generator consists of a vortex nozzle 1 equipped with a swirl chamber 2 of the stream, the input channel 3 of which is in communication with the output of the pump-pump 4. The nozzle 1 is equipped with an axial output nozzle 5, the output of which is equipped with a flow braking chamber 6, connected with the input of the pump-pump 4. At the outlet of the nozzle 5, a resonator 7 is arranged in the form of an axisymmetric chamber with an inlet 8 located along the axis and diffusely passing into the cavity of the resonator 7 itself. volume by means of an installation-movable piston 9. The cavity chamber 7 is provided with peripherally located output channels 10 and adjustable chokes 11 and 12, one of which may be absent to simplify the design. Chokes 11 and / or 12 are used to change the flow through the resonator and regulate the operating mode of the heat generator.

Насос 4 снабжен регулируемым по оборотам двигателем 13. Повышение эффективности описываемого теплогенератора достигается за счет генерирования резонатором 7 давления с частотой, задаваемой положением поршня 9. The pump 4 is equipped with a speed-adjustable engine 13. An increase in the efficiency of the described heat generator is achieved by the generation of pressure by the resonator 7 with a frequency specified by the position of the piston 9.

Волны давления, излучаемые резонатором, распространяются по всему ядру потока в сопле 5 и камере резонатора 7, обеспечивая повышение как частоты образования и схлопывания кавитационных каверн в объеме протекающей жидкости, так и интенсивность этих процессов. The pressure waves emitted by the resonator propagate throughout the flow core in the nozzle 5 and the chamber of the resonator 7, providing an increase in both the frequency of formation and collapse of cavitation cavities in the volume of the flowing fluid, and the intensity of these processes.

При изменении подачи насоса 4 приводом 13 резонатор 7 всегда может быть настроен на режим максимально возможного при заданном расходе тепловыделения. When changing the supply of the pump 4 by the drive 13, the resonator 7 can always be set to the maximum possible mode for a given heat flow rate.

Повышение ресурса теплогенератора достигается тем, что за счет вихревого движения жидкости образование и схлопывание кавитационных каверн осуществляется в приосевом ядре потока, поэтому стенки как вихревой форсунки, так и резонатора находятся в зоне повышенного давления и поэтому защищены от разрушающего действия давления при схлопывании каверн, происходящем на удалении от стенок. An increase in the resource of the heat generator is achieved by the fact that due to the vortex motion of the liquid, the formation and collapse of cavitation cavities is carried out in the axial core of the flow, therefore the walls of both the vortex nozzle and the resonator are in the zone of increased pressure and therefore are protected from the destructive effect of pressure when the caverns collapse on away from the walls.

Торцовая стенка резонатора при этом защищается от разрушения за счет ее выполнения плавно переходящей к периферийной стенке камеры резонатора, а также и за счет наличия центрального осевого выступа 14, направляющего натекающий поток к оси резонатора и далее навстречу этому потоку по оси резонатора. In this case, the end wall of the resonator is protected from destruction due to its implementation smoothly transitioning to the peripheral wall of the cavity chamber, as well as due to the presence of a central axial protrusion 14 directing the flowing stream to the cavity axis and then towards this stream along the cavity axis.

Возможность регулирования подачи насоса 4 двигателем 13, расходов циркуляции посредством дросселей 11 и 12 и собственной частоты резонатора поршнем 9 обеспечивает широкие возможности настройки кавитационного теплогенератора на оптимальный режим работы и тем самым позволяет получать максимальное отношение выделяемого тепла к подводимой к двигателю 13 энергии, а также обеспечивать регулирование тепловой мощности теплогенератора, что существенно расширяет эксплуатационные возможности теплогенератора. The ability to control the supply of the pump 4 by the engine 13, the circulation costs by means of the chokes 11 and 12 and the natural frequency of the resonator by the piston 9 provides ample opportunity to adjust the cavitation heat generator to the optimal mode of operation and thereby allows to obtain the maximum ratio of the generated heat to the energy supplied to the engine 13, and also provide regulation of the heat capacity of the heat generator, which significantly expands the operational capabilities of the heat generator.

На фиг. 2 показан пример теплогенератора, где на выходе сопла 5 вихревой форсунки 1 установлены последовательно два резонатора, один из которых выполнен в виде окружающей выход из сопла 5 торообразной осесимметричной камеры 15, гидравлически сообщенной с выходом сопла 5 по своему меньшему диаметру, а другой - в виде расположенной напротив сопла 5 осесимметричной камеры 16 каплеобразной формы с расположенным по оси входным отверстием 8 и выходными отверстиями 10. In FIG. Figure 2 shows an example of a heat generator, where two resonators are installed in series at the outlet of nozzle 5 of the vortex nozzle 1, one of which is made in the form of a toroidal axisymmetric chamber 15 surrounding the outlet of nozzle 5, hydraulically in communication with the nozzle exit 5 in its smaller diameter, and the other in the form located opposite the nozzle 5 of the axisymmetric chamber 16 of a drop shape with an axially arranged inlet 8 and outlet openings 10.

Гидравлические камеры 15 и 16 сообщены с входом насоса 4 через регулируемые дроссели 17 и 18, позволяющие изменять соотношение расходов, протекающих через резонаторы 15 и 16. При закрытом дросселе 18 резонатор 16 работает как непроточный резонатор, при этом частота вращения торообразного вихря в резонаторе 15 возрастает. При закрытом дросселе 17 и открытом дросселе 18 рабочий процесс теплогенератора по сравнению с первым случаем существенно изменяется. The hydraulic chambers 15 and 16 are in communication with the inlet of the pump 4 through adjustable chokes 17 and 18, which allow changing the ratio of the flows flowing through the resonators 15 and 16. When the choke 18 is closed, the resonator 16 acts as a non-flowing resonator, while the frequency of rotation of the toroidal vortex in the resonator 15 increases . When the choke 17 is closed and the choke 18 is open, the working process of the heat generator changes significantly compared to the first case.

Таким образом, регулированием дросселей 17 и 18 может выбираться режим, обеспечивающий максимум тепловыделения при заданной подаче насоса 4. Для минимизации гидравлических потерь выходные патрубки резонаторов расположены навстречу натекающему потоку, т.е. тангенциально к камерам теплогенератора. Thus, by regulating the throttles 17 and 18, a mode can be selected that provides the maximum heat generation at a given pump 4. To minimize hydraulic losses, the output pipes of the resonators are arranged in front of the flowing stream, i.e. tangentially to the chambers of the heat generator.

На фиг. 3 дан вариант выполнения теплогенератора с двумя расположенными навстречу друг другу резонаторами 19 и 20. Здесь сопло 5 вихревой форсунки 1 расположено вокруг выходного отверстия 21 резонатора 19, напротив которого расположен другой резонатор 20 с входным отверстием 22, соосным с отверстием 21. Полость между отверстиями 20 и 21 гидравлически сообщена с периферийно расположенной круговой камерой 23, сообщенной с выходным каналом 24 теплогенератора. Камера 23 в варианте исполнения может быть также выполнена как торообразный резонатор, показанный на фиг. 2, а выходное отверстие 21 резонатора 19 - как конфузорное сопло, направляющее выходящий поток в центр входного отверстия 22 резонатора 20. In FIG. Figure 3 shows an embodiment of a heat generator with two resonators 19 and 20 opposite each other. Here, the nozzle 5 of the vortex nozzle 1 is located around the outlet 21 of the resonator 19, opposite which there is another resonator 20 with the inlet 22, coaxial with the hole 21. The cavity between the holes 20 and 21 are hydraulically in communication with a peripherally located circular chamber 23, in communication with the output channel 24 of the heat generator. The camera 23 in the embodiment may also be implemented as a toroidal cavity, shown in FIG. 2, and the outlet 21 of the resonator 19 is like a confuser nozzle directing the exit stream to the center of the inlet 22 of the resonator 20.

При подаче жидкости во входной канал 3 вихревой форсунки 1 закрученный поток жидкости выходит из сопла 5 в резонатор 19, где у его торцовой стенки поворачивается к оси и выбрасывается через отверстие-сопло 21 в полость резонатора 20 по его оси и далее по периферии отверстия 22 поступает в торообразную камеру 23 и по тангенциально расположенному к камере 23 патрубку 24 выходит из теплогенератора, например, в сепарационную емкость 25 со свободным уровнем жидкости и стабилизированным давлением и затем снова поступает из емкости 25 на вход насоса-побудителя 4. При указанном движении жидкости (или при открытом вентиле 26 - газожидкостной смеси) по оси теплогенератора образуется вихревой жгут, насыщенный кавитационными кавернами, которые за счет взаимодействия встречных вихревых потоков и под действием генерируемых резонаторами колебаний непрерывно по течению потока образуются и охлопываются с большой частотой, определяемой во многом резонаторами 19 и 20, что существенно интенсифицирует кавитационные процессы и тепловыделение в жидкости. When fluid is supplied to the inlet channel 3 of the vortex nozzle 1, a swirling fluid stream exits the nozzle 5 into the resonator 19, where at its end wall it turns to the axis and is ejected through the nozzle hole 21 into the cavity of the resonator 20 along its axis and then goes along the periphery of the hole 22 into the toroidal chamber 23 and along the pipe tangentially located to the chamber 23, the outlet 24 exits the heat generator, for example, into a separation vessel 25 with a free liquid level and a stabilized pressure and then again flows from the vessel 25 to the inlet of the pump 4. At the indicated fluid motion (or with the valve 26 — gas-liquid mixture open), a vortex bundle is formed along the axis of the heat generator, saturated with cavitation cavities, which, due to the interaction of counter vortex flows and under the action of oscillations generated by the resonators, continuously form and cools with the flow frequency, which is determined in many respects by resonators 19 and 20, which significantly intensifies cavitation processes and heat generation in a liquid.

Поскольку по оси вихревого жгута имеет место интенсивная электризация потока за счет взаимного трения частиц пара и газа, выделяемого из жидкости, то этот вихревой жгут имеет небольшое электрическое сопротивление, что позволяет повышать тепловыделение в циркулирующую через теплогенератор жидкость дополнительно за счет пропускания электрического тока по вихревому жгуту, располагаемому между торцовыми стенками оппозитно расположенных резонаторов 19 и 20. Since there is intense electrification of the flow along the axis of the vortex bundle due to the mutual friction of the vapor particles and the gas released from the liquid, this vortex bundle has a small electrical resistance, which makes it possible to increase the heat release into the fluid circulating through the heat generator due to the passage of electric current through the vortex bundle located between the end walls of the opposed resonators 19 and 20.

Исходя их этого кавитационный теплогенератор, показанный на фиг. 3, дополнен установленными в торцевые стенки оппозитных резонаторов электродами 27 и 28, сообщенными с источником электрического напряжения 29. Based on this, the cavitation heat generator shown in FIG. 3, is supplemented by electrodes 27 and 28 installed in the end walls of the opposite resonators, in communication with the voltage source 29.

Для снижения износа и обеспечения натекания кавитационного потока на электроды в сторону выходной камеры 23 и патрубка 24 торцовые стенки выполнены плавно переходящими в центральные, направленные навстречу друг другу выступы 30 и 31, в которых и установлены электроды 27 и 28. To reduce wear and ensure the flow of cavitation flow to the electrodes towards the outlet chamber 23 and the pipe 24, the end walls are made smoothly passing into the central protrusions 30 and 31 directed towards each other, in which the electrodes 27 and 28 are installed.

Источник напряжения 29 подключается к электродам, например, рубильниками 32, 33 после включения насоса-побудителя 4. The voltage source 29 is connected to the electrodes, for example, circuit breakers 32, 33 after turning on the pump 4.

При выполнении источника 29 регулируемым при заданной подаче насоса-побудителя, изменяя силу тока через осевой вихревой жгут, обеспечивают максимум тепловыделения из теплогенератора по отношению к суммарным затратам энергии, подводимой к теплогенератору. When the source 29 is adjustable at a given supply of the pump-inducer, changing the current through the axial vortex bundle, provide maximum heat from the heat generator in relation to the total cost of energy supplied to the heat generator.

Claims

1. The cavitation-type heat generator in communication with a pump-inducer, the output of which is connected to the input channel of the vortex nozzle equipped with an axial output nozzle, characterized in that at least one self-oscillating cavity made in the form of an axisymmetric chamber is located at the nozzle output.

2. The heat generator according to claim 1, characterized in that the output nozzle of the vortex nozzle is located around the outlet of the first resonator, opposite which the second resonator is located, and the cavity between them is hydraulically connected to a peripherally located circular chamber in communication with the output channel of the heat generator.

3. The heat generator according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that at least one resonator is made with an adjustable volume.

4. The heat generator according to claim 2, characterized in that along the axis of the heat generator in the opposite ends of the resonators are made protrusions located on the common axis of the resonators with a smooth transition of their base into the end walls of the resonators, in which electrodes are connected to the voltage source.