RU2202743C2

RU2202743C2 - Rotary hydraulic-hammer heat-generating pump

Info

Publication number: RU2202743C2
Application number: RU2001115428A
Authority: RU
Inventors: А.Д. Петраков; С.М. Радченко; О.П. Яковлев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Радекс"
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2003-04-20

Abstract

FIELD: off-line closed-circuit heat and hot-water supply and liquid- heating systems. SUBSTANCE: rotary heat-generating pump designed for heat and hot-water supply to apartment houses, public and industrial buildings, and also for hot water supply and liquid heating in process systems has hollow housing with suction and delivery pipes that accommodates rotor and stator concentrically arranged therein with channel formed between them that communicates with holes made in the form of contracting nozzles; annular channel on rotor and stator side has perforated depressions receiving flexible hollow balls and rings provided with holes in the form of contracting nozzles facing annular channel interior; bases of heated liquid inlet and outlet pipes are disposed in annular channel. EFFECT: enhanced economic efficiency of liquid heating process. 4 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям насосов-теплогенераторов, которые могут быть использованы в автономных замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, а также для горячего водоснабжения и нагрева жидкостей в технологических системах
Ближайшим технологическим решением является роторный насос-теплогенератор (патент RU 2159901), содержащий полый корпус с всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости. Внутри корпуса расположен ротор в виде двухпоточного центробежного колеса с отверстиями по периферии. Концентрично ротору расположен статор с отверстиями. Отверстия в роторе выполнены в виде круглоцилиндрических насадков Вентури, а отверстия в статоре - в виде внезапно расширяющихся насадков.The invention relates to designs of heat-generating pumps that can be used in autonomous closed systems for heat supply of residential, public and industrial buildings, as well as for hot water supply and heating liquids in technological systems
The closest technological solution is a rotary heat pump (patent RU 2159901) containing a hollow body with a suction pipe for supplying a heated fluid. Inside the housing there is a rotor in the form of a double-flow centrifugal wheel with holes on the periphery. Concentric to the rotor is a stator with holes. The holes in the rotor are made in the form of round-cylinder venturi nozzles, and the holes in the stator are in the form of suddenly expanding nozzles.

Недостатками известного устройства является то, что жидкость недостаточно нагревается за один проход через насос-теплогенератор. Для повышения температуры жидкости требуется ее многократное прокачивание через насос-теплогенератор. The disadvantages of the known device is that the liquid is not sufficiently heated in one pass through the pump-heat generator. To increase the temperature of the liquid, it is necessary to repeatedly pump it through the heat pump.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, проходя через которое, обрабатываемая жидкость многократно подвергается факторам воздействия на нее, результатом чего является интенсивный нагрев жидкости за один проход через гидроударный насос-теплогенератор. The technical problem to which the invention is directed is to create a device, passing through which, the liquid being processed is repeatedly exposed to factors of influence on it, the result of which is the intensive heating of the liquid in one pass through the hydraulic shock pump-heat generator.

Поставленная задача решается тем, что в роторном гидроударном насосе-теплогенераторе, имеющем полный корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости, и расположенные внутри корпуса концентрично друг другу ротор и статор, образующие между собой канал, связанный с отверстиями, выполненными в виде сужающихся сопел, в кольцевом канале со стороны ротора и статора установлены перфорированные углубления, внутри которых размещены упругие полые шары, и кольца с выполненными в них отверстиями в виде сужающихся сопел, обращенных внутрь кольцевого канала, а основания патрубков подвода нагреваемой жидкости и отвода расположены в кольцевом канале. The problem is solved in that in a rotary hydraulic shock pump-heat generator having a complete casing with a suction pipe for supplying a heated fluid and a discharge pipe for draining a heated fluid, and rotor and stator located concentrically to each other, forming a channel connected to the holes made in the form of tapering nozzles, perforated recesses are installed in the annular channel from the side of the rotor and stator, inside of which elastic hollow balls are placed, and rings with openings in them in the form of tapering nozzles facing the inside of the annular channel, and the bases of the nozzles for supplying the heated fluid and the outlet are located in the annular channel.

На фиг 1 изображен разрез роторного гидроударного насоса-теплогенератора, состоящего из следующих основных деталей: 1 - полый корпус; 2 - патрубок для подвода нагреваемой жидкости; 3- патрубок для отвода нагреваемой жидкости; 4 - кольцо статора с отверстиями; 5 - ротор насоса-теплогенератора; 6 - приводной вал; 7 - кольцо ротора с отверстиями; 8 - уплотнительная прокладка статора; 9 - уплотнительная прокладка ротора. Figure 1 shows a section of a rotary hydraulic shock pump-heat generator, consisting of the following main parts: 1 - hollow body; 2 - pipe for supplying a heated fluid; 3- pipe for draining the heated fluid; 4 - stator ring with holes; 5 - rotor of the pump heat generator; 6 - a power shaft; 7 - a rotor ring with holes; 8 - sealing gasket of the stator; 9 - sealing gasket of the rotor.

На фиг.2 изображен узел I при движении гидропоршня из отверстия ротора в отверстие статора
На фиг.3 изображен узел I при движении гидропоршня из отверстия статора в отверстие ротора.Figure 2 shows the node I when moving the hydraulic piston from the rotor hole to the stator hole
Figure 3 shows the node I when moving the hydraulic piston from the stator hole to the rotor hole.

На фиг.4 изображен график зависимости величины коэффициента полноты удара φ_y от угла расширения β сопел ротора и статора, из которого видно, что наивыгоднейший угол расширения находится в пределах 6-8^o. При этих углах потери напора при движении в соплах минимальны. Ниже графика изображена схема соплового отверстия.Figure 4 shows a graph of the dependence of the coefficient of completeness of impact φ _y on the angle of expansion β of the nozzles of the rotor and stator, which shows that the most favorable angle of expansion is in the range of 6-8 ^o At these angles, the pressure loss during movement in the nozzles is minimal. Below the graph shows a diagram of the nozzle hole.

Работает описанный роторный гидроударный насос-теплогенератор следующим образом. The described rotary hydraulic shock pump-heat generator operates as follows.

При вращении вала 6 (фиг.1) нагреваемая жидкость по всасывающему патрубку 2 полого корпуса 1 поступает к кольцу ротора 7, жидкость заполняет отверстия ротора 7 и кольцевой канал между кольцом ротора 7, закрепленным на роторе 5, и кольцом статора, а затем и отверстия в кольце статора. When the shaft 6 is rotated (Fig. 1), the heated fluid flows through the suction pipe 2 of the hollow body 1 to the rotor ring 7, the fluid fills the holes of the rotor 7 and the annular channel between the rotor ring 7 mounted on the rotor 5 and the stator ring, and then the holes in the stator ring.

Под действием центробежной силы жидкость, находящаяся в сопловом отверстии ротора, выбрасывается в кольцевой канал между кольцами ротора и статора, а при совмещении отверстий устремляется в сопловое отверстие статора. При движении жидкости по сопловому отверстию статора происходит деформация полого шара 15 под действием гидравлического удара 11 (фиг.2). Для предотвращения растекания жидкости в момент гидравлического удара отверстие 10 корпуса 1 и отверстия статора уплотнены прокладкой 8, а отверстия ротора аналогично уплотнены прокладкой 9. Under the action of centrifugal force, the liquid located in the nozzle hole of the rotor is ejected into the annular channel between the rings of the rotor and the stator, and when the holes are combined, it rushes into the nozzle hole of the stator. When the fluid moves along the nozzle hole of the stator, the hollow ball 15 is deformed under the influence of water hammer 11 (Fig. 2). To prevent liquid from spreading at the time of a water hammer, the opening 10 of the housing 1 and the stator holes are sealed with a gasket 8, and the rotor holes are similarly sealed with a gasket 9.

Жидкость, выброшенная из сопла ротора под действием кинетической энергии, образует в сопле ротора гидравлический поршень 12 с образованием зоны разряжения 13. В замкнутом объеме зоны 13, происходит под действием пониженного давления, насыщение жидкости ее парами и образование кавитационных пузырьков. The liquid ejected from the rotor nozzle under the influence of kinetic energy forms a hydraulic piston 12 in the rotor nozzle with the formation of the discharge zone 13. In the closed volume of zone 13, under the influence of reduced pressure, the liquid is saturated with its vapor and cavitation bubbles form.

При смещении отверстия ротора к следующему отверстию статора (фиг.3) происходит выброс жидкости из соплового отверстия статора, под действием энергии полого шара 15, который, принимая первоначальную форму, сообщает жидкости кинетическую энергию. Так как в отверстии ротора было разрежение, то жидкость из соплового отверстия статора устремляется в отверстия ротора. Резкое повышение давления в зоне гидравлического удара 14 заставляет конденсироваться пары жидкости и кавитационных пузырьков, а кинетическая энергия жидкости деформирует полый шар 16 в отверстии ротора. When the rotor hole is shifted to the next stator hole (Fig. 3), the liquid is ejected from the nozzle hole of the stator, under the action of the energy of the hollow ball 15, which, taking its original shape, gives the liquid kinetic energy. Since there was rarefaction in the rotor hole, the liquid from the nozzle hole of the stator rushes into the rotor holes. A sharp increase in pressure in the zone of water hammer 14 causes the vapor to condense the liquid and cavitation bubbles, and the kinetic energy of the liquid deforms the hollow ball 16 in the hole of the rotor.

При заполнении жидкостью вакуумных зон 13 ротора и статора в момент конденсации паров жидкости происходит их резкое уменьшение в объеме. Известно, что объем конденсата в 400-1500 раз меньше объема пара, равновеликого ему по массе. When the vacuum zones 13 of the rotor and stator are filled with liquid at the moment of liquid vapor condensation, they sharply decrease in volume. It is known that the volume of condensate is 400-1500 times less than the volume of steam, equal in weight to it.

Давления, возникающие в результате конденсации парогазовых и кавитационных пузырьков, можно определить по формулам:
1. Смыкание газовых и парогазовых пузырьков:

,
где R³ ₀ - радиус начального значения газового пузырька, мм;
R³ - конечное значение газового пузырька, мм;
Р₀ - гидростатическое давление в жидкости, кг/см²;
Р - давление, возникающее в центре конденсации кавитационного пузырька, кг/см².The pressures arising from the condensation of vapor-gas and cavitation bubbles can be determined by the formulas:
1. Closure of gas and vapor-gas bubbles:

,
where R ³ ₀ is the radius of the initial value of the gas bubble, mm;
R ³ is the final value of the gas bubble, mm;
P ₀ - hydrostatic pressure in the liquid, kg / cm ² ;
P is the pressure that occurs in the center of condensation of the cavitation bubble, kg / cm ² .

Для примера: при

и P₀ = 1 кг/см² получаем Р=1260 кг/см².For example: when

and P ₀ = 1 kg / cm ² we get P = 1260 kg / cm ² .

2. Давления, возникающие при конденсации паровых кавитационных пузырьков, определяются по формуле:

где β - сжимаемость жидкости, кг/см² (для воды β=50 • 10^-6 кг/см²).2. The pressures arising from the condensation of steam cavitation bubbles are determined by the formula:

where β is the compressibility of the liquid, kg / cm ² (for water β = 50 • 10 ^-6 kg / cm ² ).

При тех же значениях P₀=1 кг/см² и

получим Р=10300 кг/см².At the same values of P ₀ = 1 kg / cm ² and

we get P = 10300 kg / cm ² .

При P₀=10 кг/см² и

получим Р=498800 кг/см².When P ₀ = 10 kg / cm ² and

we get P = 498800 kg / cm ² .

Все вышеназванные значения давлений имеют место при конденсации шароподобных кавитационных пузырьков. В движущейся жидкости, а тем более при конденсации пузырьков в условиях гидравлического удара происходит деформация их поверхности и изменение формы. All of the above pressure values occur during condensation of spherical cavitation bubbles. In a moving fluid, and even more so during the condensation of bubbles under conditions of water hammer, their surface deforms and changes its shape.

При конденсации деформированных кавитационных пузырьков возникают кумулятивные струйки, давления в которых могут превышать давления от конденсации идеальных пузырьков до десятка раз. Учитывая изменения объемов пара при конденсации (400-1500) и значения

,
R₀ можно предполагать, что давления Р могут быть значительно большими, чем при

Локальные повышения температуры в нагреваемой жидкости от перепадов давлений, возникающих от гидравлических ударов и конденсации кавитационных пузырьков, можно определить по формуле:

где V - объем жидкости, см³;
ΔР - перепад давлений, кг/см²;
V - объемный вес жидкости, кг/см³;
С - удельная теплоемкость жидкости, ккал/кг•^oС;
m - механический эквивалент тепла, кг•см³/ккал;
Δt - повышение температуры жидкости, ^oС.During condensation of deformed cavitation bubbles, cumulative jets arise, the pressures in which can exceed the pressure from condensation of ideal bubbles up to a dozen times. Given the changes in steam volumes during condensation (400-1500) and the values

,
R ₀ it can be assumed that the pressure P can be significantly greater than when

Local temperature increases in the heated fluid from pressure drops arising from hydraulic shocks and condensation of cavitation bubbles can be determined by the formula:

where V is the volume of liquid, cm ³ ;
ΔР - pressure difference, kg / cm ² ;
V is the volumetric weight of the liquid, kg / cm ³ ;
C - specific heat of the liquid, kcal / kg • ^o C;
m is the mechanical equivalent of heat, kg • cm ³ / kcal;
Δt is the temperature increase of the liquid, ^o C.

Для воды: V-0,001 кг/см³;
С - 1,0 ккал/кг•^oС;
m - 42700 кг см³/ккал;
при Р₀ = 10 кг/см² перепад давлений ΔР составит
ΔР=498800 - 10=498790 кг/см².For water: V-0.001 kg / cm ³ ;
C - 1.0 kcal / kg • ^o C;
m - 42,700 kg cm ³ / kcal;
at P ₀ = 10 kg / cm ² the pressure drop ΔР will be
ΔP = 498800 - 10 = 498790 kg / cm ² .

В этом случае Δt=0,0234 ΔР=0,0234 • 498790=11671,69^oС.In this case, Δt = 0.0234 ΔP = 0.0234 • 498790 = 11671.69 ^o C.

Подобные процессы парообразования и конденсации, гидравлических ударов и кавитации происходят в соплах ротора и статора многократно с повышением давления от всасывающего патрубка 2 к патрубку 3. Нагретая жидкость по нагнетательному патрубку направляется по назначению. Similar processes of vaporization and condensation, hydraulic shocks and cavitation occur in the nozzles of the rotor and stator repeatedly with increasing pressure from the suction pipe 2 to the pipe 3. The heated liquid is directed through the discharge pipe to the destination.

В целях уменьшения потерь на трение в соплах, а следовательно, снижения напора и предотвращения отрыва струи от стенок сопел угол их расширения должен быть в пределах 6-8^o.In order to reduce friction losses in the nozzles, and therefore, to reduce the pressure and prevent separation of the jet from the walls of the nozzles, the angle of expansion should be in the range of 6-8 ^o .

Регулируя расход протекающей жидкости, давление на входе в насос-теплогенератор, а также число оборотов ротора можно установить энергоэкономный режим нагрева жидкости. By adjusting the flow rate of the flowing fluid, the pressure at the inlet to the heat pump, as well as the number of revolutions of the rotor, you can set the energy-saving mode of heating the fluid.

Уровень металлообработки на современных машиностроительных предприятиях позволяет осуществить изготовление роторных гидроударных насосов-теплогенераторов на базе серийно выпускаемых песковых, грунтовых и других насосов, имеющих значительный радиус рабочего колеса и его высоту
Указанный насос-теплогенератор можно применять для отопления и горячего водоснабжения объектов, удаленных от объектов энергоснабжения, а также для нагрева технологических жидкостей.The level of metalworking at modern machine-building enterprises allows the manufacture of rotary hydraulic shock pumps-heat generators on the basis of commercially available sand, soil and other pumps having a significant impeller radius and its height
The specified heat pump can be used for heating and hot water supply of facilities remote from power supply facilities, as well as for heating process fluids.

Подобные источники теплоснабжения необходимы в зонах, требующих сохранения чистоты окружающей среды и максимальной безопасности в местах ее выработки (больницы, дома отдыха и т.д.)
Список литературы:
1. В. В. Майер "Кумулятивный эффект в простых опытах". М., 1989 г., с. 44-47, 92-97, 174-177.Such sources of heat supply are necessary in areas requiring the preservation of a clean environment and maximum safety in places of its generation (hospitals, rest homes, etc.)
List of references:
1. V.V. Mayer "Cumulative effect in simple experiments." M., 1989, with. 44-47, 92-97, 174-177.

2. Л. Бергман "Ультразвук и его применение в науке и технике". Пер. с нем. под ред. B. C. Григорьева. М., "Иностранная литература", 1957 г., с. 504-505. 2. L. Bergman "Ultrasound and its application in science and technology." Per. with him. under the editorship of B. C. Grigoriev. M., "Foreign Literature", 1957, p. 504-505.

3. Т.М. Башта "Машиностроительная гидравлика". М., Машиностроение, 1971 г., с. 44-49, 118, 509-512. 3. T.M. Tower "Engineering Hydraulics". M., Engineering, 1971, with. 44-49, 118, 509-512.

4. Р.Р. Чугаев "Гидравлика". М., Энергия,, Ленинградское отд., 1971 г., с. 14-17, 28-33, 64-74, 135-140, 163-167, 276-286, 307-314, 426-436. 4. R.R. Chugaev "Hydraulics". M., Energy ,, Leningrad Department., 1971, p. 14-17, 28-33, 64-74, 135-140, 163-167, 276-286, 307-314, 426-436.

5. П.Н. Каменев, А.Н. Сканави, В. Н. Богословский и др. "Отопление и вентиляция". М., Стройиздат, 1975 г., ч. I, с. 294-295. 5. P.N. Kamenev, A.N. Skanavi, V. N. Bogoslovsky et al. "Heating and ventilation". M., Stroyizdat, 1975, part I, p. 294-295.

6. Патент России RU 2159901 Петраков АД., Санников С.Т. Яковлев О.П. "Роторный насос -теплогенератор"к 6. Patent of Russia RU 2159901 Petrakov AD., Sannikov S.T. Yakovlev O.P. "Rotary pump heat generator" to

Claims

A rotary hydraulic shock pump-heat generator having a hollow body with a suction pipe for supplying a heated fluid and a discharge pipe for draining the heated fluid, rotor and stator located concentrically to each other, forming an annular channel connected to holes made in the form of tapering nozzles, characterized in that, in order to increase the efficiency of heating the liquid, perforated recesses are installed in the annular channel from the side of the rotor and stator, inside of which are located other hollow balls, and rings with holes made in them in the form of tapering nozzles facing the inside of the annular channel, and the bases of the nozzles for supplying the heated fluid and its outlet are located in the annular channel.