RU2667733C2

RU2667733C2 - Rotary heater

Info

Publication number: RU2667733C2
Application number: RU2016138901A
Authority: RU
Inventors: Олег Валерьевич Гринавцев; Сергей Алексеевич Денисов; Елена Валериевна Гринавцева; Софья Сергеевна Денисова
Original assignee: Олег Валерьевич Гринавцев; Сергей Алексеевич Денисов; Елена Валериевна Гринавцева; Софья Сергеевна Денисова
Priority date: 2016-10-03
Filing date: 2016-10-03
Publication date: 2018-09-24
Also published as: RU2016138901A; RU2016138901A3

Abstract

FIELD: motors and pumps.SUBSTANCE: invention relates to the design of screw-and-groove type pumps intended for efficient heating of viscous liquids pumped at low pressure and low flow rates, and can be used for forced hot-jet heating of viscous oil products and other substances in systems and tanks during unloading and transportation. Rotary heater includes a casing, a rotor and an auxiliary rotor. Rotors are equipped with screw discharge and reverse grooves. Direction of the reverse grooves is opposite to that of the discharge ones. Rotor is driven by a motor. Auxiliary rotor is fixed to the drive shaft of the working rotor. Diameter of the auxiliary rotor is 30 % to 10 % of the diameter of the working rotor. Working rotor is provided with bimetallic inserts of aluminum and titanium, the thickness of the aluminum part of the bimetallic insert being from 0.6 to 0.85 of the total thickness of the bimetallic insert.EFFECT: invention is aimed at developing a design that allows the heating of viscous liquids, petroleum products at low temperatures.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к конструкции винтоканавочных насосов, предназначенных для эффективного нагрева прокачиваемых с малым напором и при малых подачах вязких жидкостей, и может быть использовано для принудительного горячеструйного подогрева (разогрева) воды, вязких нефтепродуктов и других веществ в системах и емкостях при разгрузках и перевозках, подготовке топлива и смазки, для запуска двигателей и машин, переработке, перекачке, хранении, разливке и выгрузке в судостроении, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности (Голубев А.С. Лабиринто-винтовые насосы и уплотнения для агрессивных сред. М.: Машиностроение, 1981, с. 4, рис. 2).The invention relates to the design of rotary-vane pumps designed for efficient heating of low-pressure pumps and at low flows of viscous fluids, and can be used for forced hot-water heating (warming up) of water, viscous oil products and other substances in systems and containers during unloading and transportation, preparation fuels and lubricants for starting engines and machines, processing, pumping, storage, casting and unloading in shipbuilding, chemical, oil refining, food and other industries x industry (Golubev AS labyrinth seal and screw pumps for corrosive media. M .: Engineering, 1981, p. 4, Fig. 2).

Известны и применяются в промышленности винтоканавочные насосы, состоящие из корпуса, ротора с винтовыми канавками для перекачки вязких жидкостей, нефтепродуктов, а также подшипников, подводящих и отводящих жидкость патрубков, муфты и электродвигателя (см. авторское свидетельство СССР №1751417, F04D; «Винтоканавочный насос», опубл. 30.07.1992 г., Бюл. №28).Rotary-vane pumps are known and used in industry, consisting of a housing, a rotor with helical grooves for pumping viscous liquids, oil products, as well as bearings, inlet and outlet fluid nozzles, couplings, and an electric motor (see USSR author's certificate No. 1751417, F04D; ", Published on July 30, 1992, Bull. No. 28).

Недостатком известных конструкций является низкая эффективность разогрева жидкостей воды при перекачке.A disadvantage of the known designs is the low efficiency of heating water liquids during pumping.

Из области техники известно, что мощность роторного насоса зависит от вязкости перекачиваемой жидкости (см. «Насосы. Справочное пособие. Пер. с немецкого В.В. Малюшенко, М.К. Бобка, М.: Машиностроение. 1979, стр. 96).It is known from the technical field that the capacity of a rotary pump depends on the viscosity of the pumped liquid (see "Pumps. Reference manual. Translated from German by V.V. Malyushenko, MK Bobka, M .: Mechanical Engineering. 1979, p. 96) .

Из области техники также известно, что вязкость жидкости существенно зависит от температуры (см. Краткий справочник машиностроителя. Под ред. С.А. Чернавского, М.: Машиностроение, 1966, стр. 383, фиг. 2).From the field of technology it is also known that the viscosity of a liquid substantially depends on temperature (see Brief reference book of a machine builder. Edited by S. A. Chernavsky, Moscow: Mechanical Engineering, 1966, p. 383, Fig. 2).

Этого недостатка лишен винтоканавочный насос (прототип), включающий корпус, ротор с винтоканавочными нагнетающими канавками и обратными канавками, направление которых противоположно нагнетающим, выполненными на роторе, а также подшипники ротора, подводящие и отводящие жидкость патрубки, электродвигатель, который приводит во вращение ротор (см. патент РФ №2468306, МПК F24J 3/00 «Разогреватель турбулентный», опубл. 10.05.2012, бюл. №33).A rotary groove pump (prototype) is deprived of this drawback, including a housing, a rotor with rotary groove delivery grooves and reverse grooves, the direction of which is opposite to the discharge groove made on the rotor, as well as rotor bearings, fluid inlet and outlet pipes, an electric motor that rotates the rotor (see RF patent No. 2468306, IPC F24J 3/00 "Turbulent heater", published on 05/10/2012, bull. No. 33).

Недостаток прототипа заключается в том, что при низкой температуре вязкость охлажденной жидкости воды, нефтепродуктов резко увеличивается, в результате многократно возрастает пусковой момент электродвигателя, что требует установки электродвигателя значительно большей мощности, чем необходимо для установившегося режима работы разогревателя, и, как следствие, приводит к увеличению экономических затрат.The disadvantage of the prototype is that at low temperature the viscosity of the chilled liquid of water and oil products increases sharply, as a result, the starting torque of the electric motor increases many times, which requires the installation of an electric motor of significantly greater power than is necessary for the steady-state mode of operation of the heater, and, as a result, increase in economic costs.

Технической задачей изобретения является разработка конструкции, позволяющей производить разогрев жидкостей воды, нефтепродуктов при низкой температуре, в том числе минусовой, без многократного увеличения пускового момента электродвигателя и, как следствие, его поломки и выхода из строя, снижение экономических затрат.An object of the invention is to develop a design that allows the heating of liquids of water, oil products at low temperature, including negative temperature, without a multiple increase in the starting torque of the electric motor and, as a result, its breakdown and failure, and reduction of economic costs.

Поставленная цель достигается за счет того, что разогреватель роторный, включающий корпус, рабочий ротор с винтовыми нагнетающими канавками и обратными канавками, направление которых противоположно нагнетающим канавкам, выполненными на роторе, а также подшипники ротора, подводящие и отводящие жидкость патрубки, электродвигатель, который приводит во вращение ротор, отличается тем, что снабжен вспомогательным ротором с винтоканавочными нагнетающими канавками и обратными канавками, направление которых противоположно нагнетающим канавкам, причем вспомогательный ротор закреплен на приводном валу рабочего ротора, а диаметр вспомогательного ротора составляет от 30% до 10% от диаметра рабочего ротора, а сам рабочий ротор снабжен биметаллическими вставками из алюминия и титана, причем толщина алюминиевой части биметаллической вставки составляет от 0,6 до 0,85 общей толщины биметаллической вставки.This goal is achieved due to the fact that the rotary heater, including the housing, the working rotor with screw pump grooves and reverse grooves, the direction of which is opposite to the pump grooves made on the rotor, as well as rotor bearings, fluid inlet and outlet pipes, an electric motor that drives rotation of the rotor, characterized in that it is equipped with an auxiliary rotor with screw-groove delivery grooves and reverse grooves, the direction of which is opposite to the delivery groove Kam, and the auxiliary rotor is mounted on the drive shaft of the working rotor, and the diameter of the auxiliary rotor is from 30% to 10% of the diameter of the working rotor, and the working rotor is equipped with bimetallic inserts of aluminum and titanium, and the thickness of the aluminum part of the bimetallic insert is from 0, 6 to 0.85 of the total thickness of the bimetal insert.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором:The invention is illustrated in the drawing, on which:

Фиг. 1 - схематическое изображение разогревателя роторного;FIG. 1 is a schematic illustration of a rotary heater;

Фиг. 2 - поперечный разрез разогревателя роторного.FIG. 2 is a cross-sectional view of a rotary heater.

Разогреватель роторный (фиг. 1) состоит из корпуса 1, крышки 2, подшипников 3, рабочего ротора 4, биметаллических вставок 5 (фиг. 2), состоящих из металла 6 алюминия толщиной

из металла 7 титана толщиной

причем толщина металла 6 алюминия

составляет от 0,6 до 0,85 общей толщины

биметаллической вставки 5. Принятый интервал толщин биметаллической вставки 5, образованный из металла 6 алюминия толщиной

и металла 7 титана толщиной

выбран на основании опытных данных. При толщине металла 6 алюминия

менее 0,6 от общей толщины

биметаллической вставки 5 при тепловом расширении не обеспечивается закрытие зазора Δ (фиг. 2) и прижатие поверхности 8 биметаллической вставки 5 к поверхности 9 приводного вала 10 и передачи за счет этого крутящего момента ротору 4. При превышении толщины металла 6 алюминия

более 0,85 от общей толщины

биметаллической вставки 5 при тепловом расширении металла 6 алюминия возможно повреждение контактной поверхности 9 приводного вала 10. Рабочий ротор 4 (фиг. 1) имеет винтовые нагнетающие канавки 11 и обратные канавки 12, направление которых противоположно нагнетающим канавкам 11. Вспомогательный ротор 13 закреплен шпонкой 14 на приводном валу 10, причем диаметр D₁ вспомогательного ротора 13 составляет от 10% до 30% от диаметра D₂ рабочего ротора 4. Принятый интервал соотношения диаметров рабочего ротора 4 и вспомогательного ротора 13 получен на основании проведенных исследований. При диаметре вспомогательного ротора 13 более 30% от диаметра рабочего ротора 4, когда при низкой температуре вязкость жидкости 15 воды, нефтепродуктов очень велика и, как следствие, значительно возрастает крутящий момент, резко растет пусковой ток, нагревается обмотка электродвигателя, разрушается изоляция и электродвигатель выходит из строя, что ведет к большим экономическим потерям. При диаметре вспомогательного ротора 13 менее 10% от диаметра рабочего ротора 4 интенсивность разогрева жидкости 15 воды, нефтепродуктов снижается и, как следствие, растет время выхода на стационарный режим, что ухудшает его экономические показатели и эффективность работы разогревателя роторного существенно ухудшается.The rotary heater (Fig. 1) consists of a housing 1, a cover 2, bearings 3, a working rotor 4, bimetal inserts 5 (Fig. 2), consisting of aluminum metal 6 thick

metal 7 titanium thick

moreover, the thickness of the metal is 6 aluminum

ranges from 0.6 to 0.85 total thickness

bimetallic insert 5. The accepted interval of thicknesses of the bimetallic insert 5, formed from metal 6 aluminum thickness

and metal 7 titanium thick

selected on the basis of experimental data. With a metal thickness of 6 aluminum

less than 0.6 of the total thickness

bimetallic insert 5 during thermal expansion is not provided by closing the gap Δ (Fig. 2) and pressing the surface 8 of the bimetallic insert 5 to the surface 9 of the drive shaft 10 and the transmission due to this torque to the rotor 4. If the thickness of the metal 6 of aluminum is exceeded

more than 0.85 of the total thickness

of the bimetallic insert 5, due to the thermal expansion of the aluminum metal 6, the contact surface 9 of the drive shaft 10 may be damaged. The working rotor 4 (Fig. 1) has screw injection grooves 11 and reverse grooves 12, the direction of which is opposite to the pressure grooves 11. The auxiliary rotor 13 is mounted with a key 14 on the drive shaft 10, and the diameter D _{1 of the} auxiliary rotor 13 is from 10% to 30% of the diameter D _{2 of the} working rotor 4. The accepted interval of the ratio of the diameters of the working rotor 4 and the auxiliary rotor 13 is obtained on the basis of and research. When the diameter of the auxiliary rotor 13 is more than 30% of the diameter of the working rotor 4, when at a low temperature the viscosity of liquid 15 of water and oil products is very high and, as a result, the torque increases significantly, the starting current increases sharply, the motor winding heats up, the insulation is destroyed and the motor goes out out of order, which leads to large economic losses. When the diameter of the auxiliary rotor 13 is less than 10% of the diameter of the working rotor 4, the intensity of heating the liquid 15 of water and oil products decreases and, as a result, the time for reaching the stationary mode increases, which worsens its economic indicators and the efficiency of the rotary heater is significantly deteriorated.

При диаметре вспомогательного ротора 13 более 30% от диаметра рабочего ротора 4 возрастают габариты разогревателя роторного, увеличивается материалоемкость и, соответственно, экономические затраты. Вспомогательный ротор 13 имеет винтовые нагнетающие канавки 16 и обратные 17 канавки, противоположные нагнетающим 16. Приведение во вращение приводного вала 10 осуществляется от электродвигателя 18 через муфту 19. Корпус 1 имеет патрубок 20 для подвода холодной жидкости 15 воды, нефтепродуктов, патрубок 21 для отвода нагретой жидкости 22 воды, нефтепродуктов. Корпус 1 имеет (Фиг. 2) внутреннюю поверхность 23, а рабочий ротор 4 имеет наружную поверхность 24. Имеются (Фиг. 1) провода 25 для подачи напряжения «U» и на электродвигатель 18. Рабочий ротор 4 размещен в полости 25 корпуса 1, а вспомогательный ротор 13 размещен в полости 26. Вспомогательный ротор 13 фиксируется гайкой 27, а рабочий ротор 4 втулкой 28.When the diameter of the auxiliary rotor 13 is more than 30% of the diameter of the working rotor 4, the dimensions of the rotor heater increase, the material consumption increases and, accordingly, the economic costs. The auxiliary rotor 13 has screw injection grooves 16 and reverse 17 grooves opposite to the injection 16. The drive shaft 10 is rotated from the electric motor 18 through the coupling 19. The housing 1 has a pipe 20 for supplying cold liquid 15 of water, oil products, a pipe 21 for removing heated liquid 22 water, oil products. The housing 1 has (Fig. 2) an inner surface 23, and the working rotor 4 has an outer surface 24. There are (Fig. 1) wires 25 for supplying voltage "U" to the electric motor 18. The working rotor 4 is located in the cavity 25 of the housing 1, and the auxiliary rotor 13 is placed in the cavity 26. The auxiliary rotor 13 is fixed by a nut 27, and the working rotor 4 by the sleeve 28.

Разогреватель роторный работает следующим образом.The rotary heater operates as follows.

При низкой температуре жидкости 15 воды, нефтепродукта биметаллическая вставка 5 (фиг. 2), состоящая из металла 6 с высоким коэффициентом теплового расширения алюминия и металла 7 титана с минимальным тепловым расширением, имеет длину

обеспечивающую (фиг. 2) зазор Δ между поверхностью 8 биметаллической вставки 5 и поверхностью 9 приводного вала 10.At a low temperature of liquid 15 of water, oil, the bimetallic insert 5 (Fig. 2), consisting of metal 6 with a high coefficient of thermal expansion of aluminum and metal 7 of titanium with minimal thermal expansion, has a length

providing (Fig. 2) a gap Δ between the surface 8 of the bimetallic insert 5 and the surface 9 of the drive shaft 10.

При включении электродвигателя 18, после подачи напряжения «U» по проводам 25, электродвигатель 18, через муфту 19, приводит во вращение приводной вал 10. При этом вспомогательный ротор 13, закрепленный шпонкой 14 на приводном валу 10, начинает вращаться в холодной жидкости 15 воде, нефтепродуктах без создания перегрузки на электродвигателе 18. Поскольку диаметр вспомогательного ротора 13 составляет от 30% до 10% рабочего ротора 4, то величина крутящего момента значительно меньше, чем необходимо для вращения рабочего ротора 4. При этом рабочий ротор 4 остается неподвижным. Электродвигатель 18 через муфту 19 вращает приводной вал 10 и вращает вспомогательный ротор 13, нагнетающие канавки 16 захватывают и придают кинетическую энергию потоку холодной жидкости 15 воды, нефтепродукта, а обратные канавки 17 и противоположные нагнетающие 16 создают встречный поток жидкости 15 воды, нефтепродуктов. Взаимодействуя, эти два потока создают высокую турбулентность и, как следствие, интенсивный разогрев холодной жидкости от температуры +1°C 15 воды, нефтепродукта за счет внутреннего трения, до температуры +70°C (начальная и конечная температура жидкости воды, нефтепродукта может быть иной и определяется технологическими соображениями). В результате жидкость 15 вода, нефтепродукт разогревается, затем горячая жидкость 22 вода, нефтепродукт нагнетающими канавками 16 из полости 26, в которой расположен вспомогательный ротор 13, выносится в полость 25, в которой размещен рабочий ротор 4. В горячей жидкости 15 воде, нефтепродукте (фиг. 2) биметаллические вставки 5 рабочего ротора 4 разогреваются, их длина увеличивается. Так, при длине алюминия 6, равной

биметаллической вставки 5 (размеры биметаллических вставок могут быть иными и определяются конструкторскими разработками), и нагреве от +1°C до +70°C (коэффициент линейного расширения алюминия равен 0,02293, см. табл. 1, стр. 73, «Краткий справочник машиностроителя» под ред. С.А. Чернавского, М.: Машиностроение, 1966), увеличивается на 0,22 мм, при этом закрывается зазор Δ=0,2 мм между поверхностью 9 приводного вала 10 и поверхностью 8 биметаллической вставки 5. Поверхность 8 биметаллической вставки 5 входит в контакт с поверхностью 9 приводного вала 10, создает высокое трение на поверхности 8, обеспечивая надежное сцепление рабочего ротора 4 на приводном валу 10, после чего рабочий ротор 4 приходит во вращение, нагнетающие канавки 11 создают рабочий поток жидкости 15 воды, нефтепродукта, а обратные канавки 12, направление которых противоположно нагнетающим канавкам 11, создают встречный поток, в результате возникает турбулентность и, как следствие, разогревает жидкость 15 воду, нефтепродукты, превращая ее в горячую жидкость 22 воду, нефтепродукты, которая выходит из корпуса 1 через патрубок 21, то есть разогреватель роторный приводится в рабочее состояние и осуществляет разогрев жидкости 15 воды, нефтепродуктов.When the motor 18 is turned on, after applying the voltage “U” through the wires 25, the motor 18, through the coupling 19, drives the drive shaft 10. In this case, the auxiliary rotor 13, mounted by a key 14 on the drive shaft 10, starts to rotate in cold liquid 15 water , petroleum products without creating an overload on the electric motor 18. Since the diameter of the auxiliary rotor 13 is from 30% to 10% of the working rotor 4, the magnitude of the torque is much less than necessary for rotation of the working rotor 4. In this case, the working rotor 4 ost etsya fixed. The electric motor 18 rotates the drive shaft 10 through the coupling 19 and rotates the auxiliary rotor 13, the injection grooves 16 capture and give kinetic energy to the flow of cold liquid 15 of oil and oil, and the reverse grooves 17 and opposite pumping 16 create a counter flow of liquid 15 of water and oil products. Interacting, these two flows create high turbulence and, as a result, intense heating of cold liquid from a temperature of + 1 ° C of 15 water, oil due to internal friction, to a temperature of + 70 ° C (the initial and final temperature of the liquid water, oil product may be different and determined by technological considerations). As a result, the liquid 15 water, the oil product is heated, then the hot liquid 22 water, the oil product by injection grooves 16 from the cavity 26 in which the auxiliary rotor 13 is located, is carried out into the cavity 25 in which the working rotor 4 is placed. In the hot liquid 15 water, the oil product ( Fig. 2) the bimetallic inserts 5 of the working rotor 4 are heated, their length increases. So, with an aluminum length of 6 equal to

bimetallic insert 5 (the dimensions of the bimetallic inserts may be different and are determined by design), and heating from + 1 ° C to + 70 ° C (linear expansion coefficient of aluminum is 0.02293, see table 1, page 73, “Brief reference book of a machine builder ”under the editorship of SA Chernavsky, Moscow: Mechanical Engineering, 1966), increases by 0.22 mm, and the gap Δ = 0.2 mm between the surface 9 of the drive shaft 10 and the surface 8 of the bimetal insert 5 closes. The surface 8 of the bimetallic insert 5 comes into contact with the surface 9 of the drive shaft 10, creates high friction on the surface 8, providing reliable adhesion of the working rotor 4 on the drive shaft 10, after which the working rotor 4 comes into rotation, the pumping grooves 11 create a working fluid flow 15 of water, oil, and the reverse grooves 12, the direction of which is opposite to the pumping grooves 11, create a counter flow, as a result, turbulence occurs and, as a result, heats the liquid 15 water, oil products, turning it into a hot liquid 22 water, oil products, which leaves the housing 1 through the pipe 21, i.e. the rotary heater is brought into working condition and carries out heating of the liquid 15 of water and oil products.

При температуре +1°C вязкость воды составляет μ=1780⋅10^-6 Па⋅с, а при температуре +90°C вязкость снижается до μ=315⋅10^-6 Па⋅с (см. «Теплотехнический справочник, т. 2, М.: «Энергия», 1976, стр. 159, табл. 2-17). Поэтому при низкой температуре +1°C, из-за большой вязкости, требуется большой крутящий момент, но небольшой диаметр D₁ вспомогательного ротора 13 позволяет значительно уменьшить величину крутящего момента и использовать двигатель меньшей мощности.At a temperature of + 1 ° C, the viscosity of water is μ = 1780⋅10 ^-6 Pa⋅s, and at a temperature of + 90 ° C, the viscosity decreases to μ = 315⋅10 ^-6 Pa⋅s (see “Thermal Engineering Manual, vol. 2 , M .: "Energy", 1976, p. 159, tab. 2-17). Therefore, at a low temperature of + 1 ° C, due to the high viscosity, a large torque is required, but the small diameter D _{1 of the} auxiliary rotor 13 can significantly reduce the amount of torque and use a lower power engine.

После разогрева воды, нефтепродукта вспомогательным ротором 13 до +90°C вязкость воды резко падает, биметаллические элементы 5 включают рабочий ротор 4, который разогревает воду, и для этого вполне достаточно небольшой мощности электродвигателя 18, что позволяет получить существенный экономический эффект.After heating the water and oil product with the auxiliary rotor 13 to + 90 ° C, the viscosity of the water drops sharply, the bimetallic elements 5 include a working rotor 4, which heats the water, and a small electric motor 18 is enough for this, which allows to obtain a significant economic effect.

Предложенная конструкция нагревателя роторного может широко применяться в теплотехнике для разогрева воды, нефтепродуктов, в отопительной системе зданий и других отраслях.The proposed design of a rotary heater can be widely used in heat engineering for heating water, oil products, in the heating system of buildings and other industries.

Claims

The rotary heater, which includes a housing, a working rotor with screw injection grooves and reverse grooves, the direction of which is opposite to the discharge made on the rotor, as well as rotor bearings, fluid inlet and outlet pipes, an electric motor that rotates the rotor, characterized in that it is equipped with an auxiliary a rotor with screw-grooved delivery grooves and reverse grooves, the direction of which is opposite to the delivery grooves, and the auxiliary rotor is fixed to the drive ohm shaft of the working rotor, and the diameter of the auxiliary rotor is from 30% to 10% of the diameter of the working rotor, and the working rotor is equipped with bimetallic inserts of aluminum and titanium, and the thickness of the aluminum part of the bimetallic insert is from 0.6 to 0.85 total thickness bimetallic insert.