RU2517986C2 - Fluid heating device - Google Patents
Fluid heating device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2517986C2 RU2517986C2 RU2012120650/06A RU2012120650A RU2517986C2 RU 2517986 C2 RU2517986 C2 RU 2517986C2 RU 2012120650/06 A RU2012120650/06 A RU 2012120650/06A RU 2012120650 A RU2012120650 A RU 2012120650A RU 2517986 C2 RU2517986 C2 RU 2517986C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating
- pump
- sleeve
- heat generator
- liquid according
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Jet Pumps And Other Pumps (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to cavitation-type heat generators for heating liquids in hydraulic systems for various purposes, and can also be used as mixers for various liquids, dispersing, breaking molecular bonds in complex liquids, changing the physicomechanical properties of liquids.
Известно устройство для нагрева жидкости (патент RU №2045715, МПК F25B 29/00), содержащее теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть, и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона, насос, соединенный с теплогенератором посредством инжекционного патрубка, и систему теплообмена, подключенную к выходному патрубку теплогенератора и к насосу. В известном устройстве для нагрева жидкости в цилиндрической части корпуса на участке, примыкающем к выходному патрубку, расположено тормозное устройство, а в теплогенераторе предусмотрен перепускной патрубок, соединяющий циклон с выходным патрубком.A device for heating a liquid (patent RU No. 2045715, IPC F25B 29/00) is known, comprising a heat generator consisting of a housing having a cylindrical part and a fluid accelerator made in the form of a cyclone, a pump connected to the heat generator by means of an injection pipe, and a system heat exchange connected to the outlet pipe of the heat generator and to the pump. In the known device for heating the liquid in the cylindrical part of the housing on the area adjacent to the outlet pipe, a brake device is located, and a bypass pipe connecting the cyclone to the outlet pipe is provided in the heat generator.
Недостатком этого технического решения является то, что предложенное устройство имеет высокие гидравлические потери энергии, неудовлетворительные акустические условия для волновых процессов и поэтому недостаточно высокую эффективность работы (нагрева воды).The disadvantage of this technical solution is that the proposed device has high hydraulic energy losses, unsatisfactory acoustic conditions for wave processes and therefore not high enough work efficiency (water heating).
Рассматриваемая конструкция предполагает превышение диаметра улитки по отношению к диаметру цилиндрической части корпуса. Однако разность диаметров образует геометрический уступ на пути центростремительного расходного потока из улитки, и поэтому после его входа с поворотом в корпус образуется зона отрыва. Эта зона имеет фиксированную границу отрыва, расположенную по ребру уступа, участок примыкания потока, смещенный вдоль корпуса, и область возвратного течения в виде деформированного тора. При этом на непроизводительное вращательное движение жидкости в области отрыва затрачивается значительная энергия, что является первой причиной снижения эффективности рабочего процесса. Кроме того, область возвратного течения загромождает сечение на начальном участке корпуса, и поэтому расходный поток проходит сосредоточенно через узкую приосевую область. Это обстоятельство обуславливает две особенности - первая состоит в том, что узкое сечение по условию постоянства расходов по сечениям потока вызывает местное увеличение скорости, что также вызывает рост гидравлических сопротивлений пропорционально квадрату изменения скорости, вторая определяет расширение скоростного потока с образованием локальной зоны пониженного давления после прохождения им самого узкого сечения. Давление в этой зоне может оказаться ниже давления насыщенных паров, а ее размеры с ростом температуры увеличиваются, следовательно, она заполнена паром рабочей жидкости. Присутствие же неоднородностей в рабочем объеме нарушает стабильность условий прохождения звуковой волны.The design in question involves an excess of the diameter of the cochlea in relation to the diameter of the cylindrical part of the body. However, the difference in diameters forms a geometric ledge on the path of the centripetal flow from the cochlea, and therefore, after it enters with a turn into the body, a separation zone is formed. This zone has a fixed separation boundary located along the edge of the ledge, a section of the abutting stream, displaced along the body, and the return flow region in the form of a deformed torus. At the same time, considerable energy is expended on the unproductive rotational movement of the liquid in the separation region, which is the first reason for the decrease in the efficiency of the working process. In addition, the return flow area clutters the cross section in the initial portion of the housing, and therefore the flow rate flows concentrated through the narrow axial region. This circumstance leads to two features - the first is that a narrow section, under the condition of constant flow rate over the flow sections, causes a local increase in speed, which also causes an increase in hydraulic resistance in proportion to the square of the speed change, the second determines the expansion of the velocity flow with the formation of a local zone of reduced pressure after passing the narrowest section. The pressure in this zone may be lower than the pressure of saturated vapors, and its size increases with increasing temperature, therefore, it is filled with steam of the working fluid. The presence of inhomogeneities in the working volume violates the stability of the conditions for the passage of a sound wave.
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 охлопываются, осуществляя уплотнение энергии как в пространстве, так и во времени с ростом температуры в точке схлопывания до 6000°К.The heat generators of this class are liquid whistles that create a sound field in their internal volume through which the liquid passes. In this case, in the rarefaction phase of the sound wave in the liquid, cavitation cavities form and grow on the nuclei, and in the overpressure phase they instantly collapse, compressing the energy both in space and in time with increasing temperature at the collapse point to 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 Политехн. ун-та. - 2010. - С.76-83). Поэтому все затопленные струи шумят с основной частотой, определяемой скоростью потока и диаметром сопла.The mechanism of formation of sound waves in such devices is reduced to the manifestation of the action of a combination of several processes. Firstly, the process of the outflow of a flooded jet from an injection pipe into a cyclone is a sound source. So, the exit of the jet into the flooded space is a local resistance, which causes an excess pressure relative to this space in the final section of the inlet channel, which is proportional to the pressure head. Therefore, when the stream exits the hole, the screening effect of the walls of the supply pipe is removed from it, and it expands due to elastic forces. Further, as the flow advances, first also due to the action of elastic forces, external pressure and later inertial forces, it is crimped, and later due to elastic forces it expands again, etc. Thus, the jet is a free flow with alternating compression and rarefaction regions (Ivanov E.G. On the radial component of the jet flow in flooded space / Collection of scientific papers of the 6th International Scientific and Technical Conference "Hydraulic machines, hydraulic drives and hydropneumatic automation . Current state and development prospects "/ SPb .: Publishing house of the Polytechnic University. - 2010. - P.76-83). Therefore, all flooded jets make noise with a fundamental frequency determined by the flow rate and nozzle diameter.
Вторым источником звукообразования является взаимодействие в циклоне входной части потока с другой его частью, совершившей полный оборот вдоль обечайки циклона. 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 и т.д.The second source of sound generation is the interaction in the cyclone of the input part of the stream with its other part, which has completed a complete revolution along the cyclone shell. In this case, the second, i.e. the part of the flow that has completed a full revolution due to the velocity component of the pressure compresses the inlet part, reducing the flow area and thereby increasing the hydraulic resistance at the inlet to the cyclone cochlea. The increased hydraulic resistance causes a decrease in the input flow rate, which leads to an increase in the piezometric component of the flow head before the resistance. The increased pressure before the resistance ensures the extraction of the second, that is, the circumferential part of the flow, a decrease in the hydraulic resistance for the input component and then its increased flow rate, both due to the increased cross section and due to the increase in speed. The transition of energy into kinetic form reduces the piezometric part of the input stream, which again leads to its compression, etc.
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.For the second part of the flow, similar periodic transitions take place, but in antiphase to transitions at the inlet part, and the flow resistance from the tangential direction at the point of interaction inside the cyclone acts as hydraulic resistance. Thus, a periodic change in pressure in the compression zones is a source of elastic vibrations, i.e. sound waves.
Целесообразно, чтобы длина цилиндрической части корпуса была кратна целому числу полудлин 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.It is advisable that the length of the cylindrical part of the body be a multiple of an integer number of half-lengths of sound waves. In this case, the waves of the calculated frequencies entering the body will be reflected from the hard opposite end of the body, and therefore the beginning and end of the cylindrical part of the body will become nodes, and the middle will be the antinode of the standing wave. The standing wave implies a doubled amplitude of oscillations, therefore, a greater energy level stored by the cavitation cavity before collapse, and greater heat release in the act of collapse.
Наличие же меняющихся во времени неоднородностей в рабочей среде в виде паровых полостей исключает возможность создания стоячей волны и в конечном итоге снижает эффективность протекания процесса нагрева жидкости.The presence of time-varying inhomogeneities in the working medium in the form of vapor cavities excludes the possibility of creating a standing wave and ultimately reduces the efficiency of the process of heating the liquid.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для нагрева жидкости, содержащее рабочий сетевой насос, подающий и обратные трубопроводы с запорными вентилями, обеспечивающими взаимосвязь теплообменника с теплогенератором, содержащим, по крайней мере, один снабженный цилиндрической частью в виде вихревой трубы корпус, в основании которого размещено тормозное устройство, а другая его сторона соединена с торцевой стороной ускорителя движения жидкости, выполненного в виде улитки, соединенной с насосом и оснащенной расположенной соосно осевой линии вихревой трубы ускорительной втулкой, связанной каналом с напорным патрубком насоса (патент RU 2162571, кл. F25B 29/00).The closest in technical essence to the claimed is a device for heating a liquid containing a working mains pump, supply and return piping with shut-off valves, providing the interconnection of the heat exchanger with the heat generator, containing at least one body with a cylindrical vortex tube in the base which the brake device is placed, and its other side is connected to the end side of the fluid accelerator, made in the form of a snail connected to the pump and equipped with an accelerator sleeve located coaxially with the axial line of the vortex tube, connected by a channel to the pressure port of the pump (patent RU 2162571, class F25B 29/00).
Введение в известном устройстве для нагрева жидкости, расположенной соосно осевой линии вихревой трубы ускорительной втулки, связанной каналом с напорным патрубком насоса, обеспечивает, во-первых, заполнение образующейся паровой полости дополнительным напорным сосредоточенным потоком жидкости вдоль оси вихревой трубы, и во-вторых, способствует подавлению осевого противотока жидкости, возникающего в вихревой трубе, и тем самым позволяет дополнительно снизить нагрузку на силовой насос, повышая КПД установки.The introduction in the known device for heating a fluid located coaxially to the axial line of the vortex tube of the accelerator sleeve, connected by a channel to the discharge pipe of the pump, provides, firstly, filling the generated vapor cavity with an additional concentrated pressure fluid flow along the axis of the vortex pipe, and secondly, it contributes suppression of the axial counterflow of fluid that occurs in the vortex tube, and thereby further reduces the load on the power pump, increasing the efficiency of the installation.
Однако осевая неуправляемая струя воздействует на структуру течений лишь только в центральной области, и ее влияние не распространяется на пространство отрыва, находящееся в пристенной кольцевой зоне цилиндрической части корпуса.However, an axial uncontrolled jet affects the structure of flows only in the central region, and its influence does not extend to the separation space located in the wall annular zone of the cylindrical part of the body.
Если значительно увеличить толщину струи, чтобы она охватывала всю площадь поперечного сечения корпуса, то на периферийных участках будет происходить соударение окружного циркуляционного потока теплогенератора с транзитным осевым. Такое взаимодействие потоков, да еще при высоких скоростях приведет к высоким непроизводительным затратам мощности, а также к уменьшению вращательной составляющей циркуляционного потока, то есть исключит из рабочего процесса еще один источник звукообразования - колебание стержней тормозного устройства с частотой собственных колебаний от обтекания их потоком жидкости.If the thickness of the jet is significantly increased so that it covers the entire cross-sectional area of the casing, then in the peripheral sections there will be a collision of the circumferential circulation flow of the heat generator with the transit axial. Such interaction of flows, and even at high speeds, will lead to high overhead costs of power, as well as to a decrease in the rotational component of the circulation flow, that is, it will exclude another source of sound generation from the working process - the vibration of the braking device rods with the frequency of natural vibrations from the flow around them of the fluid flow.
Причем предложенное техническое решение предполагает и вариант исполнения улитки, равной диаметру корпуса, прогнозируя исключение отрыва циркуляционного расходного потока. Однако в этом случае окружное течение в улитке является неупорядоченным, поскольку в поперечном сечении оно ограничено только с двух сторон, а не с трех, как у аналога, 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, невыразительным, в нем присутствует целый спектр генерируемых частот, что вызывает следующие следствия:Moreover, the proposed technical solution also involves a snail embodiment equal to the diameter of the housing, predicting the exclusion of separation of the circulating flow rate. However, in this case, the circumferential flow in the cochlea is disordered, since in the cross section it is limited only on two sides, and not on three sides, as in the analogue, therefore, as a revolution is made, it spreads arbitrarily towards the body and loses intensity. As a result, the acoustic signal from the interaction of the input part of the tangential flow and its peripheral part, which has completed a full revolution in the cochlea, is obtained with a small amplitude, inexpressive, it contains a whole spectrum of generated frequencies, which causes the following consequences:
- 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;- an excessively high oscillation frequency (more than 10 kHz) does not allow the cavitation bubble to acquire the necessary reserve of elastic energy, and as a result, the collapse process does not sufficiently increase the temperature of the liquid;
- 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.- at a low frequency, the increased cavitation cavity (bubble) in the short phase of collapse does not have time to completely disappear, but only pulsates. The absence of a blow during the collapse also excludes the consequences, as a result of which the water should be heated.
Кроме того, важным обстоятельством данного рабочего процесса является то, что жидкие рабочие среды содержат растворенные в них газы, которые выделяются при повышении температуры и понижении давления. Выделившийся газ собирается в локальных местах пониженного давления и в приосевой области за счет вытеснения более тяжелой жидкой средой в поле центробежных сил. Присутствие газовых полостей в рабочем объеме теплогенератора, также как и паровых, непредсказуемо изменяет условия протекания волновых процессов и исключает возможность возникновения стоячей волны и тем самым существенно снижает эффективность работы устройства.In addition, an important circumstance of this working process is that liquid working media contain gases dissolved in them, which are released with increasing temperature and lowering pressure. The gas released is collected in local places of reduced pressure and in the axial region due to the displacement of a heavier liquid medium in the field of centrifugal forces. The presence of gas cavities in the working volume of the heat generator, as well as steam, unpredictably changes the conditions of the wave processes and excludes the possibility of a standing wave and thereby significantly reduces the efficiency of the device.
Причем процесс выделения газов из рабочей жидкости приводит к нестабильности работы теплогенератора, поскольку непрерывно выделяющийся газ накапливается до определенных объемов в приосевой области, особенно у внешней торцевой крышки улитки, и уносится потоком. Далее цикл повторяется, газовые полости растут и вновь уносятся потоком и т.д. При этом часть газового объема участвует в циркуляции через насос, снижая тем самым его рабочие показатели и, кроме того, увеличивая частоту циклов роста газовых полостей. Следовательно, в рабочем пространстве теплогенератора постоянно содержится увеличенный объем газа.Moreover, the process of gas evolution from the working fluid leads to instability of the heat generator, since the continuously released gas accumulates to certain volumes in the axial region, especially at the external end cover of the cochlea, and is carried away by the stream. Then the cycle repeats, gas cavities grow and are again carried away by the flow, etc. At the same time, part of the gas volume participates in the circulation through the pump, thereby reducing its performance and, in addition, increasing the frequency of gas cavity growth cycles. Consequently, an increased volume of gas is constantly contained in the working space of the heat generator.
Недостатком известного устройства является недостаточно высокая эффективность нагрева и нестабильность работы устройства.A disadvantage of the known device is the insufficiently high heating efficiency and instability of the device.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности нагрева жидкости и стабильности работы устройства.The objective of the proposed technical solution is to increase the efficiency of heating the liquid and the stability of the device.
Поставленная задача решается следующим образом. В устройстве для нагрева жидкости, содержащем рабочий сетевой насос, подающий и обратные трубопроводы с запорными вентилями, обеспечивающими взаимосвязь теплообменника с теплогенератором, содержащим, по крайней мере, один снабженный цилиндрической частью в виде вихревой трубы корпус, в основании которого размещено тормозное устройство, а другая его сторона соединена с торцевой стороной ускорителя движения жидкости, выполненного в виде улитки, соединенной с насосом и оснащенной расположенной соосно осевой линии вихревой трубы ускорительной втулкой, связанной каналом с напорным патрубком насоса, ускорительная втулка теплогенератора выполнена в виде набора концентрично вложенных с радиальными зазорами зафиксированных втулок.The problem is solved as follows. In a device for heating a fluid, comprising a working mains pump, supply and return pipelines with shut-off valves, providing for the interconnection of the heat exchanger with a heat generator, containing at least one housing equipped with a cylindrical vortex tube, in the base of which there is a brake device, and the other its side is connected to the end side of the fluid accelerator, made in the form of a cochlea connected to the pump and equipped with a coaxial axial line of the vortex tube will accelerate With an integral sleeve connected by a channel to the pressure port of the pump, the accelerator sleeve of the heat generator is made in the form of a set of fixed bushings concentrically inserted with radial gaps.
При этом:Wherein:
- ускорительная втулка может быть выполнена в виде концентрично размещенных неподвижной и поворотной групп сопрягаемых полуколец - втулок, причем поворотная группа соединена кинематически с рычагом настройки и фиксатором, а неподвижная группа полуколец-втулок может быть выполнена с возможностью поднастройки поворотом и фиксации;- the accelerator sleeve can be made in the form of concentrically placed fixed and rotary groups of mating half rings - bushings, the rotary group being kinematically connected to the tuning lever and the clamp, and the fixed group of half rings-bushings can be configured to be rotated and fixed;
- фиксация каждой из вложенных втулок может производиться на ее входе, в зазоре, концентричными чередующимися секторами, ширина которых равна расстоянию между ними, а перед входом в каждый зазор установлена обойма с аналогичным профилем, с возможностью вращения, в том числе и от привода, относительно общей оси втулок и фиксации, при этом число крепежных секторов может не совпадать с числом аналогичных секторов на подвижной обойме;- each of the inserted bushings can be fixed at its entrance, in the gap, by concentric alternating sectors, the width of which is equal to the distance between them, and before entering each gap, a clip with a similar profile is installed, with the possibility of rotation, including from the drive, relative the common axis of the bushings and fixation, while the number of mounting sectors may not coincide with the number of similar sectors on a movable clip;
- в стенке каждой вложенной втулки вдоль ее оси могут быть выполнены один или несколько каналов, начинающихся на выходных торцах втулок и соединенных трубопроводами и запорно-регулирующей аппаратурой с атмосферой, источником газа, пополняющей емкостью, с внутренней полостью улитки всасывающим или нагнетательным патрубками насоса;- in the wall of each inserted sleeve along its axis, one or more channels can be made, starting at the output ends of the bushings and connected by pipelines and shut-off and control equipment with the atmosphere, a gas source, a replenishing tank, and an internal cavity of the cochlea with suction or discharge nozzles of the pump;
- любая из концентричных полостей может быть соединена отдельными трубопроводами и запорно-регулирующей аппаратурой с атмосферой, источником газа, пополняющей емкостью, с внутренней полостью улитки, всасывающим или нагнетательным патрубками насоса;- any of the concentric cavities can be connected by separate pipelines and shut-off and control equipment with the atmosphere, a gas source, a replenishing tank, with an internal cavity of the cochlea, suction or discharge nozzles of the pump;
- вход в каждую концентричную полость может быть выполнен регулируемым по направлению в виде Г-образного поворотного щелевого сопла, размещенного герметично, в цилиндрическом шарнире, с возможностью фиксации;- the entrance to each concentric cavity can be made adjustable in direction in the form of a L-shaped rotary slotted nozzle placed hermetically in a cylindrical hinge, with the possibility of fixation;
- выходной торец наибольшей по диаметру втулки может быть размещен в плоскости внешней стенки улитки, а ее кольцевая полость сообщена каналом с выходным патрубком теплогенератора;- the output end face of the largest sleeve diameter can be placed in the plane of the outer wall of the cochlea, and its annular cavity is communicated by a channel with the outlet pipe of the heat generator;
- центральная часть ускорительной втулки может быть выполнена сквозь всю длину теплогенератора, а ее стенка может быть перфорированной.- the Central part of the accelerating sleeve can be made through the entire length of the heat generator, and its wall can be perforated.
Выполнение ускорительной втулки теплогенератора в виде набора концентрично вложенных с радиальными зазорами зафиксированных втулок позволяет расчленить неуправляемую струю на несколько концентричных фрагментов, придать им требуемые качества, установить особым образом взаимодействие между ними и в итоге получить струйный поток с требуемыми свойствами. Так, при самом простом варианте исполнения, например, состоящем из трех концентричных колец, внешние кольцевые струйные элементы за счет наружного давления и эжекции среды из каждого внутреннего пространства приобретают, во-первых, куполообразную форму, и во-вторых, внутри каждого купола создается падение давления. Последнее обстоятельство обуславливает увеличение разности давлений перед соплом и за ним на каждом последующем струйном элементе, в результате чего у каждого более центрального компонента струи увеличивается скорость истечения (Иванов Е.Г. Результаты исследования компьютерной модели кольцевых сопел эжекторов / Е.Г. Иванов, А.В. Согин // Труды Международной научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» / СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. - 2008. - С.61-64). То есть кольцевые струи имеют по радиусу разные скорости, в центре большие, к периферии меньшие, и не за счет затухания струи, а за счет механизма ее образования. Следовательно, по мере удаления от сопла струя утоняется за счет увлечения менее скоростных периферийных областей центральными скоростными. Такая ее конфигурация корректирует существующую структуру течений в вихревой трубе теплогенератора, на входе деформирует области отрыва, расширяя проходные сечения и увлекая вдоль трубы за счет эжекции расходный поток. Полученный результат позволяет воздействовать узким высокоскоростным центральным элементом струи на паровую полость и встречное течение вдоль осевого пространства корпуса теплогенератора, а менее быстрые периферийные части струи при взаимодействии с вихревым циркуляционным потоком снижает ударное столкновение и незначительно ослабляют вихревую составляющую циркуляционного потока.The implementation of the accelerator sleeve of the heat generator in the form of a set of fixed bushings concentrically inserted with radial gaps allows you to divide an uncontrolled jet into several concentric fragments, give them the required qualities, establish a special way to interact between them and ultimately get a jet stream with the required properties. So, in the simplest embodiment, for example, consisting of three concentric rings, the external annular inkjet elements, due to external pressure and ejection of the medium from each internal space, acquire, firstly, a domed shape, and secondly, a drop is created inside each dome pressure. The latter circumstance leads to an increase in the pressure difference in front of the nozzle and behind it on each subsequent jet element, as a result of which the flow rate increases for each more central component of the jet (Ivanov E.G. Results of the study of a computer model of annular nozzles of ejectors / E.G. Ivanov, A .V. Sogin // Proceedings of the International Scientific and Technical Conference "Hydraulic Machines, Hydraulic Drives and Hydropneumatic Automation" / St. Petersburg: Publishing House of Polytechnic University. - 2008. - P.61-64). That is, ring jets have different radii of speed, in the center they are large, smaller towards the periphery, and not due to the attenuation of the jet, but due to the mechanism of its formation. Consequently, as you move away from the nozzle, the jet becomes thinner due to the drag of lower velocity peripheral regions to the central velocity ones. Such a configuration corrects the existing structure of flows in the vortex tube of the heat generator, at the inlet it deforms the separation regions, expanding the flow sections and dragging the flow rate along the pipe due to ejection. The result allows us to act on the vapor cavity and counter flow along the axial space of the heat generator body with a narrow high-speed central element of the jet, and the less rapid peripheral parts of the jet, when interacting with the vortex circulation flow, reduce impact collision and slightly weaken the vortex component of the circulation flow.
Экспериментально установлено, что ось вращения вихревого потока в цилиндрической части корпуса имеет спиралеобразную форму, а это обстоятельство говорит о существовании причин, приводящих к асимметрии. Асимметрия же потоков вызывает дополнительные гидравлические потери энергии, которых могло бы не быть. С целью компенсации указанной асимметрии ускорительная втулка может быть выполнена в виде концентрично размещенных неподвижной и поворотной групп сопрягаемых полуколец-втулок. Причем поворотная группа соединяется кинематически с рычагом настройки, который обеспечивает угловое смещение подвижных полуколец относительно неподвижных и тем самым создает необходимую степень асимметрии входящего осевого потока. Неподвижная группа полуколец-втулок может быть выполнена с возможностью поднастройки поворотом, что обеспечивает угловую ориентацию заданной асимметрии в противовес изначально имеющейся.It was experimentally established that the axis of rotation of the vortex flow in the cylindrical part of the housing has a spiral shape, and this fact indicates the existence of reasons leading to asymmetry. The asymmetry of the flows causes additional hydraulic energy losses, which could not be. In order to compensate for the indicated asymmetry, the accelerator sleeve can be made in the form of concentrically placed fixed and rotary groups of mating half rings-bushings. Moreover, the rotary group is connected kinematically with the adjustment lever, which provides an angular displacement of the moving half rings relative to the stationary ones and thereby creates the necessary degree of asymmetry of the incoming axial flow. An immovable group of half rings-bushings can be made with the possibility of adjusting by rotation, which ensures the angular orientation of a given asymmetry as opposed to the originally existing one.
Обеспечение фиксации каждой из вложенных втулок на ее входе, в зазоре, концентричными чередующимися секторами, ширина которых равна расстоянию между ними, и установка перед входом в каждый зазор обоймы с аналогичным профилем с возможностью вращения от привода относительно общей оси втулок создает прерывистую струю из каждого кольцевого элемента с требуемой частотой импульсов. При этом одновременная работа всей совокупности кольцевых струйных элементов позволяет кратно их количеству повысить частоту колебаний.Ensuring that each of the embedded bushings is fixed at its entrance, in the gap, by concentric alternating sectors, the width of which is equal to the distance between them, and the installation of a clip with the same profile in front of each gap with the possibility of rotation from the drive relative to the common axis of the bushings creates an intermittent stream from each annular element with the required pulse frequency. At the same time, the simultaneous operation of the entire set of annular inkjet elements allows a multiple of their number to increase the oscillation frequency.
Аналогичный результат может быть получен при не совпадении числа крепежных секторов с числом аналогичных секторов на подвижной обойме, однако при этом в разы уменьшится амплитуда получаемых импульсов давления.A similar result can be obtained if the number of fixing sectors does not coincide with the number of similar sectors on the movable holder, however, the amplitude of the pressure pulses obtained will decrease by several times.
В этом случае входной струйный осевой прерывистый поток является дополнительным источником звукообразования.In this case, the input jet axial discontinuous flow is an additional source of sound generation.
Смещение с фиксацией подвижных обойм обеспечивает различную степень перекрытия секторов, то есть различную площадь проходных сечений, следовательно, и различный расход жидкости на каждом кольцевом элементе, что в свою очередь позволит создать требуемую структуру струи.The offset with the fixation of the movable cage provides a different degree of overlap of the sectors, that is, a different area of the flow sections, therefore, a different flow rate of liquid on each annular element, which in turn will allow you to create the desired jet structure.
Настройку структуры струи можно выполнять, не только вводя дополнительные сопротивления в каждый проточный кольцевой канал, но и регулируя степень вакуума между смежными кольцевыми фрагментами. При увеличении глубины вакуума, например, за счет соединения донной области за выходным торцом каждой втулки с всасывающим патрубком насоса смыкание в купол каждого кольцевого элемента произойдет раньше, то есть ближе к обрезу сопла. При снижении вакуума смыкание кольцевой струи в купол произойдет на большем удалении от сопла. Для этого донную область за торцом втулки следует соединить либо к пополняющей емкости, либо к напорному патрубку насоса, либо с атмосферой через запорно-регулирующую аппаратуру. Путем подстройки регулирующей аппаратурой можно обеспечить смыкание каждого кольцевого фрагмента струи либо в одной точке - тогда после смыкания упругим ударом произойдет последующий разлет фрагментов струи, либо в последующих одна за другой точках - тогда после смыкания при взаимном погашении ударов произойдет плавный переход в монострую. Причем этот способ управления струей и ее структурой энергетически более выгодный по сравнению с введением дополнительных гидравлических сопротивлений.The jet structure can be adjusted not only by introducing additional resistances into each flow annular channel, but also by adjusting the degree of vacuum between adjacent annular fragments. With an increase in the vacuum depth, for example, due to the connection of the bottom region behind the outlet end of each sleeve with the suction pipe of the pump, the closure of each ring element to the dome occurs earlier, i.e. closer to the nozzle edge. With a decrease in vacuum, the closure of the annular jet into the dome will occur at a greater distance from the nozzle. To do this, the bottom region behind the end of the sleeve should be connected either to the replenishing tank, or to the pressure port of the pump, or to the atmosphere through shut-off and control equipment. By adjusting the control equipment, it is possible to ensure the closure of each annular fragment of the jet either at one point - then after closing by an elastic impact, subsequent expansion of the fragments of the jet will occur, or at subsequent points one after the other - then after closing, when mutually canceling the blows, a smooth transition to the mono line will occur. Moreover, this method of controlling the jet and its structure is energetically more advantageous in comparison with the introduction of additional hydraulic resistances.
Для более глубокого управления структурой струи является целесообразным каждую кольцевую полость соединить отдельным трубопроводом и запорно-регулирующей арматурой с пополняющей емкостью, напорным или всасывающим патрубками насоса. Это позволит придать каждой кольцевой полости свою функцию, вплоть до того, чтобы использовать ее в качестве межструйного пространства. Запорно-регулирующая аппаратура позволяет менять глубину вакуума в ней, т.е. между кольцевыми струями, дополнительно менять напоры отдельных струйных элементов.For deeper control of the jet structure, it is advisable to connect each annular cavity with a separate pipeline and shut-off and control valves with a replenishing tank, pressure or suction nozzles of the pump. This will give each ring cavity its function, up to the point of using it as an inter-jet space. Shut-off and control equipment allows you to change the depth of the vacuum in it, i.e. between ring jets, additionally change the pressure of individual inkjet elements.
Для полного исключения ударного взаимодействия осевого входного потока с окружной составляющей вихревого циркуляционного течения имеет смысл придать каждому или некоторым, т.е. периферийным кольцевым элементам входной струи окружную составляющую движения путем выполнения входа в кольцевую полость регулируемым по направлению в виде Г-образного поворотного щелевого сопла, размещенного герметично в цилиндрическом шарнире с возможностью фиксации. В этом случае осевая ориентация Г-образного поворотного щелевого сопла обеспечит обычное осевое течение без окружной закрутки. Поворот Г-образного щелевого сопла перпендикулярно оси корпуса даст максимальную степень окружной закрутки. Однако на выходе из сопла такой поток за счет центробежных сил разойдется веером на максимальные радиусы.To completely eliminate the impact interaction of the axial inlet flow with the peripheral component of the vortex circulation flow, it makes sense to give each or some, i.e. peripheral annular elements of the input stream, the peripheral component of the movement by making the entrance to the annular cavity adjustable in the direction in the form of a L-shaped rotary slotted nozzle placed hermetically in a cylindrical hinge with the possibility of fixation. In this case, the axial orientation of the L-shaped rotary slotted nozzle will provide normal axial flow without circumferential twist. The rotation of the L-shaped slotted nozzle perpendicular to the axis of the housing will give the maximum degree of circumferential twist. However, at the exit from the nozzle, such a flow due to centrifugal forces will fan out to maximum radii.
Промежуточное направление входа создаст окружную закрутку в совокупности с эжекционным свойством, что обеспечит куполообразную форму кольцевой струи, то есть ускоряющей последующие вложенные компоненты и в то же время имеющую окружное вращение, позволяющее безударное вхождение осевого потока в вихревой циркуляционный, требуемую деформацию отрывных областей и дополнительную эжектирующую способность в направлении полезного перемещения рабочей среды.The intermediate direction of entry will create a circular twist in conjunction with the ejection property, which will provide a domed shape of the annular jet, that is, accelerating subsequent embedded components and at the same time having a circumferential rotation that allows the axial flow to enter the vortex circulation without impact, the required deformation of the separation regions and an additional ejector ability in the direction of beneficial movement of the working environment.
Выполнение выходного торца наибольшей по диаметру втулки в плоскости внешней стенки улитки с сообщением ее кольцевой полости каналом с выходным патрубком теплогенератора обеспечивает сбор и организованный отвод из рабочего пространства теплогенератора выделившегося из жидкости воздуха. В этом случае растворенный ранее воздух выделяется под действием звукового поля из рабочей жидкости и собирается за счет отжатия более плотной жидкостью в центральной частью вихревого течения. Наибольшая интенсивность газоотделения имеет место в начальной фазе звукового воздействия на жидкость - в улитке, следовательно, и наиболее эффективный отбор газа будет из ее центральной части.The implementation of the output end of the largest diameter of the sleeve in the plane of the outer wall of the cochlea with the message of its annular cavity by a channel with the outlet pipe of the heat generator provides the collection and organized removal from the working space of the heat generator of the air released from the liquid. In this case, previously dissolved air is released under the action of a sound field from the working fluid and is collected by squeezing by a denser fluid in the central part of the vortex flow. The highest intensity of gas separation takes place in the initial phase of sound exposure to the liquid - in the cochlea, therefore, the most effective gas selection will be from its central part.
При выполнении центральной части ускорительной втулки сквозь всю длину теплогенератора:When performing the Central part of the accelerating sleeve through the entire length of the heat generator:
- упорядочивается течение в образовавшемся кольцевом пространстве, ось вращения жидкости по длине теплогенератора переходит от винтовой к прямолинейной конфигурации;- the flow is ordered in the formed annular space, the axis of rotation of the liquid along the length of the heat generator passes from a helical to a rectilinear configuration;
- заполняются объемом втулки паровые полости, находящиеся в приосевой области;- vapor cavities located in the axial region are filled with the volume of the sleeve;
- появляется возможность подавать, не нарушая структуры, образованной кольцевыми элементами, охлаждающую среду. Охлаждение центральной части вызовет конденсацию пара в локальных паровых полостях и тем самым уничтожение этих полостей. Причем мероприятия по охлаждению в этом случае могут производиться независимо от величины расхода транзитного нагреваемого потока.- it becomes possible to supply, without violating the structure formed by the ring elements, a cooling medium. The cooling of the central part will cause condensation of the vapor in the local steam cavities and thereby destroy these cavities. Moreover, cooling measures in this case can be performed regardless of the flow rate of the transit heated stream.
В итоге толщины каждого кольцевого струйного элемента, расстояния между ними, соотношения между окружной и осевой скоростями движения, сами номиналы скоростей позволяют создать совокупный струйный осевой эжектирующий поток с заданными свойствами и производить на каждом режиме тонкую поднастройку теплогенератора на требуемые режимы работы с контролем и управлением конфигурациями и размерами паро-газовых полостей. В результате можно создать благоприятные условия для прохождения звуковой волны, что в разы повысит эффективность теплообразования и стабилизирует рабочий процесс.As a result, the thickness of each annular jet element, the distance between them, the relationship between the circumferential and axial speeds of movement, the speed ratings themselves allow you to create a total axial jet ejection flow with desired properties and fine-tune the heat generator for each operation mode to the required operating modes with monitoring and configuration control and the size of the vapor-gas cavities. As a result, it is possible to create favorable conditions for the passage of a sound wave, which will significantly increase the efficiency of heat generation and stabilize the work process.
Предлагаемое изобретение пояснено чертежами:The invention is illustrated by drawings:
Фиг.1. Схема устройства для нагрева жидкости с теплогенератором, содержащим многокольцевую ускорительную втулку.Figure 1. Scheme of a device for heating a liquid with a heat generator containing a multi-ring accelerator sleeve.
Фиг.2. Структура течений (без вихревой составляющей) в улитке и цилиндрической части корпуса теплогенератора в исходном и предлагаемом вариантах.Figure 2. The structure of the flows (without vortex component) in the cochlea and the cylindrical part of the heat generator body in the initial and proposed versions.
Фиг.3. Конструкция ускорительной втулки в виде концентрично размещенных неподвижной и поворотной групп сопрягаемых полуколец-втулок.Figure 3. The design of the accelerator sleeve in the form of concentrically placed stationary and rotary groups of mating half rings-bushings.
Фиг.4. Конструкция подводящего устройства ускорительной втулки для придания кольцевым элементам струи пульсаций.Figure 4. The design of the accelerator sleeve supply device for imparting pulsation to the ring elements.
Фиг.5. Схема устройства для нагрева жидкости с теплогенератором, кольца ускорительной втулки которого имеют продольные каналы.Figure 5. Scheme of a device for heating a liquid with a heat generator, the accelerator sleeve rings of which have longitudinal channels.
Фиг.6. Схема устройства для нагрева жидкости с теплогенератором, вход в кольцевое пространство ускорительной втулки которого выполнен регулируемым по направлению.6. A diagram of a device for heating a liquid with a heat generator, the entrance to the annular space of the accelerating sleeve of which is made adjustable in direction.
Фиг.7. Схема устройства для нагрева жидкости с теплогенератором, ускорительная втулка которого приспособлена для создания осевого потока жидкости и отбора выделившегося газа.7. A diagram of a device for heating a liquid with a heat generator, the accelerator sleeve of which is adapted to create an axial flow of liquid and select the released gas.
Фиг.8. Схема устройства для нагрева жидкости с теплогенератором, центральная часть ускорительной втулки которого выполнена сквозь всю длину теплогенератора.Fig. 8. A diagram of a device for heating a fluid with a heat generator, the central part of the accelerator sleeve of which is made through the entire length of the heat generator.
Устройство для нагрева жидкости содержит (Фиг.1): рабочий сетевой насос 1, подающий 2 и обратный 3 трубопроводы с запорными вентилями 4, обеспечивающими взаимосвязь теплообменника 5 с всасывающим патрубком 6 насоса 1 и выходным патрубком 7 теплогенератора. Теплогенератор содержит снабженный цилиндрической частью в виде вихревой трубы корпус 8, в основании которого размещено тормозное устройство 9, а другая его сторона соединена с торцевой стороной ускорителя движения жидкости, выполненного в виде улитки 10, соединенной патрубком 11 с насосом 1 и оснащенной расположенной соосно осевой линии вихревой трубы 8 ускорительной втулкой 12, связанной каналом 13 и задвижкой 14 с напорным патрубком 15 насоса 1. Ускорительная втулка 12 теплогенератора выполнена в виде набора концентрично вложенных в ее корпус с радиальными зазорами втулок 16, 17, зафиксированных между собой на продольных радиальных ребрах 18, 19 (Фиг.2). Ускорительная втулка 12 закреплена на внешней стенке улитки 10, выполненной в виде крышки 20.A device for heating the liquid contains (Figure 1): a working
При этом:Wherein:
- ускорительная втулка 12 может быть выполнена в виде концентрично размещенных неподвижной 21 и поворотной 22 групп сопрягаемых полуколец-втулок (Фиг.3), причем поворотная группа соединена кинематически посредством вала 23 с рычагом настройки 24 и фиксатором (не показан), а неподвижная группа полуколец-втулок 21 может быть выполнена с возможностью поднастройки поворотом и фиксации, например в виде фланцевого разъема (не показан);- the
- фиксация каждой из вложенных втулок 16, 17 может производиться на ее входе, в зазоре, концентричными чередующимися секторами 25, ширина которых равна расстоянию между ними, а перед входом в каждый зазор установлена обойма 26 с аналогичным профилем, с возможностью вращения, в том числе и от привода 27, относительно общей оси втулок и фиксации, при этом число крепежных секторов 25 может не совпадать с числом аналогичных секторов на подвижной обойме 26 (Фиг.4). Привод может быть выполнен в виде червячного редуктора, представляющего из себя зубчатый венец 28 на обойме 26 и червяк 29, один конец которого связан с электродвигателем 27, а второй имеет поперечный профиль под гаечный ключ;- each of the inserted
- в стенке каждой вложенной втулки 16 или 18 вдоль ее оси могут быть выполнены один или несколько каналов 30 (Фиг.5), начинающихся на выходных торцах втулок и соединенных трубопроводами 31 и запорно-регулирующей аппаратурой 32 с атмосферой, источником газа 33, пополняющей емкостью 34, с внутренней полостью улитки 10 всасывающим 6 или нагнетательным 15 патрубками насоса 1;- in the wall of each embedded
- вход в любую из концентричных полостей может быть выполнен регулируемым по направлению (Фиг.6) в виде Г-образного поворотного щелевого сопла 35, размещенного герметично в цилиндрическом шарнире в виде седла 36 с возможностью фиксации накидной гайкой 37, и может быть соединен отдельными трубопроводами 26 и запорно-регулирующей аппаратурой 32 с атмосферой, источником газа 33, пополняющей емкостью 34, с внутренней полостью улитки 10, всасывающим 6 или нагнетательным 15 патрубками насоса 1;- the entrance to any of the concentric cavities can be made adjustable in the direction (Fig.6) in the form of a L-shaped rotary slotted
- выходной торец наибольшей по диаметру втулки 12 может быть размещен (Фиг.7) в плоскости внешней стенки улитки 20, а ее кольцевая полость сообщена каналом 38 с выходным патрубком 7 теплогенератора или расширительным баком 39.- the output end face of the largest diameter of the
- центральная часть ускорительной втулки 40 может быть выполнена сквозь всю длину теплогенератора (Фиг.8), в том числе с перфорированными стенками, и снабжена своим насосом 41 или компрессором для подачи в нее охлаждающей среды.- the central part of the
Устройство для нагрева жидкости работает следующим образом. Насос 1 под избыточным давлением (4-6 атмосфер) нагнетает воду в инжекционный патрубок 11 теплогенератора (Фиг.1). По мере прохождения инжекционного патрубка 11 поток воды обжимается и поэтому ускоренным попадает в улику 10, причем тангенциально. Далее, совершив почти полный оборот вдоль обечайки улитки 10, поток обжимает свою же входную часть и за счет взаимодействия двух компонентов одного потока, имеющего периодический характер, создаются упругие волны, распространяющиеся вдоль вихревой трубы 8 к выходному патрубку 7. Высокая турбулентность течения, воздействие звуковых волн, также высокая температура обуславливают в улитке 10 интенсивную дегазацию рабочей жидкости от ранее растворенного в ней воздуха, который отжимается в поле центробежных сил более плотной средой к центру улитки.A device for heating a liquid works as follows. The
Вращаясь в улитке 10, жидкость имеет радиальную расходную составляющую, величина которой растет по мере движения к центру, а общий расход соответствует оптимальной подаче насоса. На входе с поворотом в вихревую трубу 8 этот ускоряющийся центростремительный поток (Фиг.2) отрывается от ее внутренней цилиндрической поверхности, образуя в зоне отрыва интенсивное возвратное течение и узкое пространство для расходного осевого потока, в котором зарождается еще и кавитационая полость W. Наличие ускорительной втулки 12 в виде набора концентрично вложенных с радиальными зазорами зафиксированных втулок видоизменяет структуру течений. Так, при самом простом варианте исполнения, например, состоящем из трех концентричных колец (12, 16, 17), внешние кольцевые струйные элементы за счет наружного давления и эжекции среды из каждого межструйного пространства приобретают, во-первых, куполообразную форму, и во-вторых, внутри каждого купола создается падение давления. Последнее обстоятельство обуславливает увеличение разности давлений перед соплом и за ним на каждом последующем струйном элементе, в результате чего у каждого более центрального компонента струи увеличивается скорость истечения. То есть кольцевые струи имеют по радиусу разные скорости, в центре большие, к периферии меньшие, следовательно, по мере удаления от сопла струя утоняется за счет увлечения менее скоростных периферийных областей центральными скоростными. Такая ее конфигурация корректирует существующую структуру течений в вихревой трубе 8 теплогенератора:Rotating in the
- на входе деформирует области отрыва, расширяя проходные сечения и увлекая вдоль трубы за счет эжекции расходный поток;- at the entrance, it deforms the separation regions, expanding the bore sections and dragging the flow rate along the pipe due to ejection;
- узкий высокоскоростной центральный элемент струи заполняет паровую полость W и устраняет встречное течение вдоль осевого пространства корпуса теплогенератора;- a narrow high-speed central jet element fills the vapor cavity W and eliminates the oncoming flow along the axial space of the heat generator body;
- повышенные эжекционные свойства кольцевой струи интенсивно увлекают выделяющийся из жидкости воздух, распределяя равномерно его вдоль вихревой трубы и затем удаляя через выходной патрубок 7.- increased ejection properties of the annular jet intensively entrain the air released from the liquid, distributing it evenly along the vortex tube and then removing it through the
Причем менее быстрые периферийные части струи при взаимодействии с вихревым циркуляционным потоком снижают ударное столкновение и незначительно ослабляют вихревую составляющую циркуляционного потока.Moreover, the less rapid peripheral parts of the jet, when interacting with the vortex circulation flow, reduce shock collision and slightly weaken the vortex component of the circulation flow.
Далее вихревой поток, двигаясь вдоль вихревой трубы 8, взаимодействует с пластинами тормозного устройства 9, обтекая их за счет окружной составляющей движения. При этом пластины совершают колебательное движение с частотой собственных колебаний и передают упругие возмущения жидкости вдоль вихревой трубы 8 в направлении улитки 10. Распространяясь от двух источников во встречных направлениях, упругие волны в совокупности с колебаниями вихревой трубы-резонатора 8 отражаются от торцов этой трубы и создают стоячую волну с удвоенной амплитудой колебаний, что увеличивает запас энергии при периодическом образовании и росте кавитационных каверн и повышает производство тепловой энергии при их схлопывании.Next, the vortex flow, moving along the
Покинув через выходной патрубок 7 теплогенератор, нагретая жидкость по подающему трубопроводу 2 попадает на теплообменник 5, отдает тепловую энергию потребителю и по обратному трубопроводу 3 попадает через всасывающий патрубок 6 в насос 1. В насосе 1 вода приобретает вновь энергию в виде скорости и давления и цикл повторяется. При этом для настройки и согласования режимов работы тепогенератора используются запорно-регулирующая аппаратура 4 и 14, а для удобства монтажа и обслуживания комплект втулок с помощью кронштейнов 18 и 19 устанавливается на съемной крышке 20.After leaving the heat generator through the
При выполнении ускорительной втулки в виде концентрично размещенных неподвижной 21 и поворотной 22 групп сопрягаемых полуколец втулок (Фиг.3) возможны три основных режима работы теплогенератора:When performing the accelerator bush in the form of concentrically placed stationary 21 and rotary 22 groups of mating half rings of bushings (Figure 3), three main modes of operation of the heat generator are possible:
- при полном разнесении неподвижной 21 и поворотной 22 групп полуколец втулок с помощью рычага 24 через вал 23 работа ускорительной втулки будет происходить в полной аналогии с вышеизложенным случаем с одной лишь особенностью. В этом случае куполообразные элементы струи будут образовываться от смыкания разных кольцевых фрагментов струйного потока;- with the complete separation of the stationary 21 and rotary 22 groups of the half rings of the bushings using the
- при полном совмещении с помощью все того же рычага 24 через вал 23 подвижных полуколец втулок 22 с неподвижными 21 образуется сплошное проходное сечение, через которое истекает эксцентричная моноструя, которая деформирует половину торовой области возвратного течения в пространстве отрыва, что вероятней всего не обеспечит правильной структуры течения в теплогенераторе;- when fully using the
- промежуточное положение поворотной группы 22 полуколец втулок относительно неподвижной группы 21 предполагает комбинацию вышеприведенных структур, состоящую из четырех секторов: двух одинаковых диаметрально противоположных кольцевых и двух других разных диаметрально противоположных - участок с моноструей и участок без струйного потока.- the intermediate position of the
Полученное асимметричное течение, с возможностью регулировки ее степени позволяет компенсировать существующую асимметричность, связанную с влиянием входного тангенциального патрубка улитки. При этом настройка направления асимметричности производится поворотом с последующей фиксацией всего блока ускорительной втулки 12, например фланцевым разъемом.The resulting asymmetric flow, with the possibility of adjusting its degree, makes it possible to compensate for the existing asymmetry associated with the influence of the inlet tangential snail nozzle. In this case, the direction of asymmetry is adjusted by turning and then fixing the entire block of the
В конструктивном варианте (Фиг.4), предполагающем фиксацию каждой из вложенных втулок 16, 17 на их входах в зазорах концентричными чередующимися секторами 25, ширина которых равна расстоянию между ними, и с обоймами 26 с аналогичным профилем, установленными перед входом в каждый радиальный зазор с возможностью вращения от привода 27, обеспечивается создание прерывистых пульсирующих струй. Это происходит следующим образом. При штатном режиме работы теплогенератора из нагнетательного патрубка 15 насоса 1 по трубопроводу 13 вода под давлением подается на входы концентричных зазоров. Включение каждого из приводов 27 обеспечивает вращение валов 29, которые через червячные пары, червяк на валу 29 и червячный венец 28 обеспечивают вращение каждой из обойм 26, имеющих профиль, аналогичный контуру, образованному в зазоре чередующимися крепежными секторами 25. При совпадении отверстий в зазоре и обойме через них за счет напора от насоса жидкость движется в осевом направлении по центральной части устройства. При взаимном перекрытии секторов отверстий поток прерывается. Таким образом, образуется пульсирующая струя, что является дополнительным источником звукообразования.In the constructive embodiment (Figure 4), which involves fixing each of the inserted
Если сместить фазы у каждого кольцевого зазора, то частота совокупного звукового поля возрастет пропорционально числу втулок. Если число отверстий в обойме и зазоре не будут совпадать, то полное совпадение будет происходить каждый раз только у одной пары отверстий, но чаще.If you shift the phase at each annular gap, the frequency of the total sound field will increase in proportion to the number of bushings. If the number of holes in the cage and the gap does not match, then a complete match will occur each time with only one pair of holes, but more often.
В статичном положении валов 29 степень перекрытия отверстий будет определять гидравлическое сопротивление каждого кольцевого канала, которое можно подстраивать под требуемую величину валом 29 с помощью гаечного ключа. Соотношение интенсивностей истечения каждого кольцевого фрагмента струи будет соответствовать определенной ее структуре.In the static position of the
Поскольку регулировка и настройка структуры многокольцевой струи, описанная в предыдущей конструкции (Фиг.4), предполагает намеренное введение дополнительных гидравлических сопротивлений, то она энергетически является невыгодной. Очередная предлагаемая конструкция регулировочного устройства работает следующим образом (Фиг.5). При истечении через кольцевые каналы между втулками 12, 16, 17 струйных потоков за торцами каждой из кольцевых втулок, в так называемой донной области, вследствие эжектирующего действия элементов струй создается разрежение, величина которого пропорциональна скорости истечения и толщине кольцевого струйного компонента. При соединении донной области посредством каналов 30 с помощью трубопроводов 31 и запорно-регулирующей аппаратуры 32 с всасывающей полостью 6 насоса 1 глубина вакуума в ней возрастет и смыкание кольцевого компонента этой струи в куполообразную форму произойдет на меньшем удалении от выходного торца втулки, чем при отсутствии коррекции. При соединении донной области посредством каналов 30 с помощью трубопроводов 31 и запорно-регулирующей аппаратуры 32 с нагнетательной полостью 15 насоса 1 или с пополняющей емкостью 34 глубина вакуума в ней упадет и смыкание кольцевого компонента этой струи в куполообразную форму произойдет на большем удалении от выходного торца втулки. Подбирая различную степень вакуума для различных кольцевых элементов струи, можно добиться равномерного разнесения по длине точек смыкания разных кольцевых элементов струи, полного совпадения их в одну точку или неполного совпадения. В первом случае слияние кольцевых элементов в общий струйный поток произойдет мягко, во втором случае импульсно с разбросом компонентов потока в радиальных направлениях, что может вообще разрушить структуру потоков в теплогенераторе.Since the adjustment and adjustment of the structure of the multi-ring jet described in the previous design (Figure 4), involves the intentional introduction of additional hydraulic resistances, it is energetically disadvantageous. Another proposed design of the adjusting device operates as follows (Figure 5). When the jet flows through the annular channels between the
При подаче через каналы 30 газового компонента в виде воздуха или определенного газа из емкости 33, например, при использовании устройства в водных аттракционах происходит его равномерное распределение по длине вихревой трубы 8. А это позволяет и использовать в рабочем процессе газообразный компонент, и произвести расчет, и настроить устройство на работу при равномерном и стабильном распределении в вихревой трубе воздуха или другого газа.When a gas component is supplied through the
Аналогичный полезный эффект достигается и при соединении донных областей за выходными торцами ускорительных втулок через каналы 30 с центральной областью улитки 10. В этом случае отделившийся при вращательном движении жидкости в улитке и при облучении звуковым полем газ собирается в центре улитки 10 и вихревой трубы 8, обеспечивая неравномерное его распределение. Следовательно, скорость распределения звука на разных участках вихревой трубы при этом разная, что не дает возможности обеспечить резонансный режим для звуковой волны. При эжекции воздуха по каналам 30 из центральной части теплогенератора в кольцевое межструйное пространство обеспечивается равномерность перемещения его струйным потоком вдоль вихревой трубы, что также дает возможность настроить устройство на резонансный режим и повысить эффективность производства тепла.A similar useful effect is achieved when connecting the bottom regions behind the output ends of the accelerator bushings through the
При отдельном подсоединении каждой кольцевой полости через трубопроводы и запорно-регулирующую аппаратуру с источниками, выполненными в виде пополняющей емкости, напорным или всасывающим патрубками насоса, атмосферой появляется возможность более глубокого регулирования структуры струи вплоть до того, что придать каждой кольцевой полости свою функцию, например использовать ее в качестве вышерассмотренных каналов (Фиг.5) в стенках вложенных втулок с тем же набором следствий. Кроме того, при выполнении входа в любую из концентричных полостей в виде Г-образного поворотного щелевого сопла 35 (Фиг.6), размещенного герметично в цилиндрическом шарнире в виде седла 36 с возможностью фиксации накидной гайкой 37, появляется возможность полного исключения ударного взаимодействия входного осевого потока с окружной составляющей вихревого циркуляционного течения. Так, при ориентации патрубка 35 в седле 36 в косом, то есть в промежуточном между осевым и окружным направлениях, на входе в концентричную полость создается окружная закрутка входного потока, разумная мера которой обеспечит:With a separate connection of each annular cavity through pipelines and shut-off and control equipment with sources made in the form of a replenishing tank, pressure or suction nozzles of the pump, and the atmosphere, it becomes possible to more deeply regulate the jet structure to the extent that each ring cavity is given its function, for example, use it as the above channels (Figure 5) in the walls of the embedded bushings with the same set of consequences. In addition, when you enter any of the concentric cavities in the form of a L-shaped rotary slotted nozzle 35 (Figure 6), which is sealed in a cylindrical hinge in the form of a
- безударный его вход в существующую структуру течений;- its shock-free entry into the existing structure of currents;
- куполообразное смыкание каждого из кольцевых фрагментов;- domed closure of each of the ring fragments;
- ускоряющиеся центральные участки струи;- accelerating central sections of the jet;
- повышенную эжектирующую способность струйного течения;- increased ejection ability of the jet stream;
- деформацию зон отрыва;- deformation of separation zones;
- равномерное распределение по длине вихревой трубы газовой составляющей.- uniform distribution along the length of the vortex tube of the gas component.
Перечисленный набор положительных качеств снизит гидравлические потери процесса и повысит эффективность тепловыделения за счет осуществления резонансного режима.The listed set of positive qualities will reduce hydraulic losses of the process and increase the efficiency of heat generation due to the implementation of the resonant mode.
Полезные функции вышеперечисленных устройств сводились к частичному устранению отрывных областей, заполнению паровой полости осевым входным потоком воды и противодействию паразитному встречному осевому течению, равномерному распределению воздуха вдоль трубы. Причем растворенный ранее в жидкости воздух участвует в рабочем процессе устройства для нагрева жидкости в более значительной мере. Для полного устранения его влияния (Фиг.7) выходной торец наибольшей по диаметру втулки 12 размещен в плоскости внешней стенки улитки 20. В этом случае воздух, растворенный ранее в жидкости, собирается за счет отжатия более плотной жидкостью в центральную часть улитки 10. Наибольшая интенсивность газоотделения имеет место в начальной фазе звукового облучения жидкости, то есть в улитке, следовательно, и наиболее эффективный отбор имеет место в ее центральной части, где и установлена улавливающая втулка 12. Собравшийся во втулке 12 свободный воздух за счет избыточного давления (3-3,5 атм.) по трубопроводу 38 отводится в ловитель 39, либо через подающий трубопровод 2, теплообменник 5, обратный трубопровод 3 в насос 1 на новый виток циркуляции. Однако наиболее целесообразным является полное исключение воздуха из рабочего процесса через ловитель 39, в этом случае не происходит многократного взаимодействия с ним. Центральные компоненты кольцевой струи в этом случае функционируют в обычном режиме, то есть запитываются из напорного патрубка 15 насоса 1 через трубопровод 13 и кран 14 и далее переходят в осевой струйный поток.Useful functions of the above devices were reduced to the partial elimination of separation zones, filling the vapor cavity with an axial inlet water flow and counteracting the parasitic counter axial flow, uniform distribution of air along the pipe. Moreover, the previously dissolved air in the liquid is involved in the working process of the device for heating the liquid to a greater extent. To completely eliminate its influence (Fig. 7), the output end of the
Последнее решение (Фиг.8) из арсенала предлагаемых исключает кавитационные полости за счет:The last solution (Fig. 8) from the arsenal of the proposed excludes cavitation cavities due to:
- замещения их центральной частью ускорительной втулки 40, выполненной сквозь всю длину теплогенератора;- replacing them with the Central part of the accelerating
- охлаждения областей вероятного возникновения кавитационных полостей хладоагентом, движущимся по центральной части ускорительной втулки 40;- cooling the areas of possible occurrence of cavitation cavities with a refrigerant moving along the central part of the
- охлаждением и одновременным заполнением кавитационных полостей хладоагентом через перфорированные стенки центральной части ускорительной втулки 40.- cooling and simultaneous filling of cavitation cavities with a refrigerant through the perforated walls of the Central part of the
В этом случае теплогенератор и система кольцевых струй работают в штатных режимах, однако насос или компрессор 41 прокачивает хладоагент (жидкость или воздух) по центральной части ускорительной втулки, выполненной в виде трубы через всю длину теплогенератора, и сбрасывает его в дренаж. При движении по трубе хладоагент отбирает тепловую энергию из центральной части теплогенератора, понижает там температуру, препятствуя тем самым парообразованию и конденсируя паровые каверны, пришедшие с периферии.In this case, the heat generator and the ring jet system operate normally, however, the pump or
При выполнении стенок трубы 40 перфорированными в качестве хладоагента может быть использована только рабочая жидкость теплогенератора, поскольку ее часть через перфорированные отверстия будет проникать в теплогенератор, заполнять и одновременно охлаждать паровые полости.When the walls of the
Предложенный арсенал средств для устранения влияния вредных факторов позволяет различными комбинациями этих средств для каждого случая, или диапазона температур выработать мероприятия по повышению эффективности и стабильности процесса нагрева жидкости.The proposed arsenal of means for eliminating the influence of harmful factors allows using various combinations of these means for each case, or temperature range, to develop measures to increase the efficiency and stability of the process of heating the liquid.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012120650/06A RU2517986C2 (en) | 2012-05-18 | 2012-05-18 | Fluid heating device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012120650/06A RU2517986C2 (en) | 2012-05-18 | 2012-05-18 | Fluid heating device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012120650A RU2012120650A (en) | 2013-11-27 |
| RU2517986C2 true RU2517986C2 (en) | 2014-06-10 |
Family
ID=49624922
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012120650/06A RU2517986C2 (en) | 2012-05-18 | 2012-05-18 | Fluid heating device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2517986C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU197014U1 (en) * | 2018-05-07 | 2020-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия (ФГБОУ ВО Нижегородская ГСХА) | Vortex cavitator for presowing seed treatment |
| RU2814162C2 (en) * | 2022-06-23 | 2024-02-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный агротехнологический университет" (ФГБОУ ВО Нижегородский ГАТУ) | Cavitation heat generator |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2162571C1 (en) * | 2000-06-09 | 2001-01-27 | Юрий Семенович Потапов | Liquid heating device |
| RU2223452C1 (en) * | 2002-07-09 | 2004-02-10 | Калиниченко Александр Борисович | Heat generator for heating liquid medium |
| RU2247283C1 (en) * | 2003-10-16 | 2005-02-27 | Сташевский Иван Иванович | Heat generators plant |
| UA7205U (en) * | 2004-10-29 | 2005-06-15 | Inst Of Superhard Materials Of | Method for production of diamond-basis composite material |
-
2012
- 2012-05-18 RU RU2012120650/06A patent/RU2517986C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2162571C1 (en) * | 2000-06-09 | 2001-01-27 | Юрий Семенович Потапов | Liquid heating device |
| RU2223452C1 (en) * | 2002-07-09 | 2004-02-10 | Калиниченко Александр Борисович | Heat generator for heating liquid medium |
| RU2247283C1 (en) * | 2003-10-16 | 2005-02-27 | Сташевский Иван Иванович | Heat generators plant |
| UA7205U (en) * | 2004-10-29 | 2005-06-15 | Inst Of Superhard Materials Of | Method for production of diamond-basis composite material |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU197014U1 (en) * | 2018-05-07 | 2020-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия (ФГБОУ ВО Нижегородская ГСХА) | Vortex cavitator for presowing seed treatment |
| RU2814162C2 (en) * | 2022-06-23 | 2024-02-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный агротехнологический университет" (ФГБОУ ВО Нижегородский ГАТУ) | Cavitation heat generator |
| RU2822338C1 (en) * | 2023-08-07 | 2024-07-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Ejector with slot free vortex active nozzle and straight mixing chamber |
| RU2822675C1 (en) * | 2023-12-06 | 2024-07-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный агротехнологический университет" | Vortex cavitator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012120650A (en) | 2013-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2752504C2 (en) | Method and device for heating and purifying liquids | |
| RU2287118C1 (en) | Method for liberation of energy by means of rotary-translational motion of liquid and device for conversion and liberation of energy in liquid media | |
| TW201224376A (en) | Apparatus and method for utilizing thermal energy | |
| US9932246B2 (en) | Pulse cavitation processor and method of using same | |
| US10240774B2 (en) | Method and apparatus for heating and purifying liquids | |
| RU2517986C2 (en) | Fluid heating device | |
| RU2581630C1 (en) | Vortex jet apparatus for degassing liquids | |
| RU2344356C1 (en) | Method of heat-mass-power exchange and device for this effect | |
| RU2422733C1 (en) | Heat cavitation generator | |
| RU2633725C1 (en) | Method and device for producing steam | |
| RU2503896C2 (en) | Device for heating liquids | |
| RU2658448C1 (en) | Multistage cavitation heat generator (embodiments) | |
| RU2588298C1 (en) | Hydrodynamic cavitator | |
| RU2350856C1 (en) | Heat and mass and energy exchange method and device for realisation thereof | |
| US10233097B2 (en) | Liquid treatment apparatus with ring vortex processor and method of using same | |
| RU2805343C1 (en) | Hydrodynamic cavitator | |
| RU2603306C1 (en) | Hydrodynamic cavitator | |
| RU2279018C1 (en) | Vortex type heat generator of hydraulic system | |
| RU2411423C2 (en) | Method for obtaining steam-gas mixture and hot heat carrier from liquid and turbo-rotary steam-gas generator for its implementation | |
| UA66334A (en) | Method to obtain heat for heating buildings and constructions and cavitation heat generator with continuous operation | |
| RU2796850C1 (en) | Method for separation of flow of a multicomponent medium | |
| RU2377475C2 (en) | Cavitation reactor | |
| RU101157U1 (en) | HYDRODYNAMIC LIQUID HEATING UNIT | |
| RU2362947C2 (en) | Driven cavitational heat-steam generator | |
| RU149486U1 (en) | HEAT GENERATOR |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160519 |