RU2787081C1 - Vortex heat generator - Google Patents

Vortex heat generator Download PDF

Info

Publication number
RU2787081C1
RU2787081C1 RU2021139961A RU2021139961A RU2787081C1 RU 2787081 C1 RU2787081 C1 RU 2787081C1 RU 2021139961 A RU2021139961 A RU 2021139961A RU 2021139961 A RU2021139961 A RU 2021139961A RU 2787081 C1 RU2787081 C1 RU 2787081C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chamber
rod
cylindrical
annular
pressure chamber
Prior art date
Application number
RU2021139961A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Роман Александрович Гурдин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2787081C1 publication Critical patent/RU2787081C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: thermal power engineering.
SUBSTANCE: invention relates to thermal power engineering and can be used to heat liquids in hydraulic systems for various purposes or to start and enhance physico-chemical transformations in a liquid medium. The vortex heat generator includes a high-pressure chamber, a vortex tube, the first and second parts of the annular separator, a cylindrical resonant chamber, a collecting chamber, which is equipped with an outlet pipe for connecting the chamber to the hydraulic circuit pipe, a cylindrical rod, a disk, a rectangular section sealing ring, handles mounted on the outer edges of the flow control rod and a cylindrical rod with using a metal rod and gaskets that are used to prevent liquid leakage.
EFFECT: when implementing the invention, the combination of two methods for exciting cavitation in one device is achieved without the use of additional devices.
2 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для нагрева жидкостей в гидросистемах различного назначения и/или для запуска и/или усиления физико-химических превращений в жидкой среде.The invention relates to thermal power engineering and can be used to heat liquids in hydraulic systems for various purposes and/or to start and/or enhance physical and chemical transformations in a liquid medium.

Явление кавитации, возникающее в жидкой среде, заключается в образовании, росте и схлопывании газообразных и паровых пузырьков из-за снижения окружающего давления ниже давления парообразования при рабочей температуре. Для этого используются следующие методы: генерация звуковых волн или волн давления в жидкости с использованием пьезоэлектрического преобразователя, гидрозвуковая кавитация и снижение окружающего давления за счет ускорения потока жидкости через трубку Вентури или диафрагму.The cavitation phenomenon that occurs in a liquid medium consists in the formation, growth and collapse of gaseous and vapor bubbles due to a decrease in ambient pressure below the vaporization pressure at operating temperature. The following methods are used for this: generation of sound waves or pressure waves in a liquid using a piezoelectric transducer, hydrosonic cavitation and reduction of ambient pressure by accelerating the flow of liquid through a venturi or diaphragm.

Гидрозвуковой метод производит кавитацию, генерируя волны звука или давления в жидкой среде, так что пузырьки пара образуются и растут во время фаз низкого давления этих волн и схлопываются в цикле высокого давления; эти волны могут передаваться механическими средствами или, главным образом, электрическими импульсами от электронной схемы, энергия которой передается статической жидкости, содержащейся в резервуарах, через электромагнитные или пьезоэлектрические преобразователи, которые могут обеспечивать передачу энергии, составляющую около 85% используемой звуковой энергии. Эффективность увеличивается, когда он работает в резонансном режиме в резервуаре небольшого объема и на ультразвуковых частотах, так что волны отражаются от стенок резервуара и могут достигать всего объема жидкости. Каждый взрывающийся микропузырьк излучает новую ударную волну, образуя цепочку кавитации в статической жидкости, образуя сферические микропузырьки, которые увеличивают силу взрыва. Эти конфигурации широко используются для очистки объектов, в химической и пищевой промышленности, а также в фармацевтической и лабораторной практике. Эффективность метода уменьшается при больших объемам жидкости или в движущихся жидкостях.The hydrosonic method produces cavitation by generating sound or pressure waves in a liquid medium so that vapor bubbles form and grow during the low pressure phases of these waves and collapse in the high pressure cycle; these waves can be transmitted by mechanical means, or mainly by electrical impulses from an electronic circuit whose energy is transferred to the static fluid contained in the tanks through electromagnetic or piezoelectric transducers, which can provide an energy transfer of about 85% of the sound energy used. Efficiency is increased when it operates in resonant mode in a small volume tank and at ultrasonic frequencies so that the waves bounce off the tank walls and can reach the entire volume of the liquid. Each exploding microbubble emits a new shock wave, forming a chain of cavitation in the static fluid, forming spherical microbubbles that increase the force of the explosion. These configurations are widely used in facility cleaning, the chemical and food industries, and pharmaceutical and laboratory applications. The effectiveness of the method decreases with large volumes of liquid or in moving liquids.

Гидродинамическая кавитация - это физическое явление, возникающее в потоке жидкости, возникающем в результате быстрого ускорения жидкости в трубе Вентури, острых краях или узких отверстиях, так что, согласно принципу Бернулли, происходит резкое падение давления, которое уменьшает температуру парообразования, давление жидкой среды, так что создаются микропузырьки пара, и вскоре после этого они схлопываются, когда скорость уменьшается, а давление на выходе трубки Вентури возрастает. Эффективность гидродинамической кавитации ниже, чем гидрозвуковой, поскольку быстро движущаяся жидкость случайным образом рассеивает отражение волн давления, испускаемых взрывами микропузырьков. Но преимущества гидрозвуковой кавитации исчезают при использовании в динамических потоках, где гидродинамическая кавитация дает наиболее практичные и эффективные результаты. Этот метод используется для обработки относительно больших объемов жидкости, например, при обработке и нагревании воды, в некоторых специфических процессах в пищевой и химической промышленности, благодаря своей эффективности и действенности по сравнению с другими методами, применяемыми для тех же целей.Hydrodynamic cavitation is a physical phenomenon occurring in liquid flow resulting from the rapid acceleration of liquid in a venturi, sharp edges or narrow holes, so that according to Bernoulli's principle, there is a sudden pressure drop that reduces the vaporization temperature, the pressure of the liquid medium, so that microbubbles of vapor are created and shortly thereafter they collapse as the velocity decreases and the pressure at the exit of the venturi rises. Hydrodynamic cavitation is less efficient than hydrosonic cavitation because the fast moving fluid randomly scatters the reflection of the pressure waves emitted by the microbubble explosions. But the benefits of hydrosonic cavitation disappear when used in dynamic flows, where hydrodynamic cavitation provides the most practical and effective results. This method is used for the treatment of relatively large volumes of liquid, for example in the treatment and heating of water, in some specific processes in the food and chemical industries, due to its efficiency and effectiveness compared to other methods used for the same purposes.

Существуют конструкции гидрозвуковых и гидродинамических кавитационных аппаратов различного назначения. There are designs of hydrosonic and hydrodynamic cavitation apparatus for various purposes.

Из уровня техники известно устройство гидрозвуковой кавитации с использованием пьезоэлектрических преобразователей, недостатком которой является ограниченный объём статической жидкости [патент RU 2335705 С2. МПК F24J 3/00, F22B 27/00. Заявка №2005136836/06 от 25.11.2005. Опубл.: 10.10.2008 в Бюл. № 28]. Также известен гидрозвуковой аппарат средней эффективности, который может обрабатывать большие объемы жидкости при работе от электродвигателя [Патент US5188090 A от 23.02.1993. МПК B01F7/00; F24J3/00. Заявка US19910682003 от 08.04.1991] в виде цилиндрического ротора с несколькими периферийными отверстиями, который вращается в концентрическом корпусе, поддерживаемом подшипниками и уплотнениями. Недостатками конструкции являются сложность конструкции и высокая стоимость, а также необходимость использования насоса, чтобы заставить жидкость проходить через указанный корпус. Вибрация, создаваемая ударными волнами, так как неравномерная эрозия ротора, вызванная кавитацией, приводит к преждевременным повреждениям и повреждению ротора, подшипников и уплотнений. The prior art device hydrosonic cavitation using piezoelectric transducers, the disadvantage of which is the limited volume of static fluid [patent RU 2335705 C2. IPC F24J 3/00, F22B 27/00. Application No. 2005136836/06 dated 11/25/2005. Published: 10.10.2008 in Bull. No. 28]. Also known is a hydrosonic apparatus of medium efficiency, which can process large volumes of liquid when powered by an electric motor [Patent US5188090 A dated February 23, 1993. IPC B01F7/00; F24J3/00. Application US19910682003 dated 04/08/1991] in the form of a cylindrical rotor with several peripheral holes, which rotates in a concentric housing supported by bearings and seals. The disadvantages of the design are the complexity of the design and high cost, as well as the need to use a pump to force the liquid to pass through the said body. Vibration generated by shock waves, since uneven rotor erosion caused by cavitation leads to premature damage and damage to the rotor, bearings and seals.

В устройствах [патент US5957122 A от 28.09.1999. МПК B01F7/00; F24D3/08; F24J3/00. Заявка US19980133721 от 31.08.1998; патент US6595759 B2 от 22.07.2003. МПК F04D29/58; F04D5/00. Заявка US20010918325 от 30.07.2001; патент US7089886 B2 от 15.08.2006. МПК F24J3/00. Заявка US20040814189 от 01.04.2004; патент US6910448 B2 от 28.06.2005. МПК F24J3/00. Заявка US20030612980 от 07.07.2003; патент US6976486 B2 от 20.12.2005. МПК F24J3/00. Заявка US20030682503 от 10.10.2003] описаны генераторы с одинаковыми роторами, снабженными полостями. Известно также устройство [Патент US7767159 B2 от 03.08.2010. МПК F01K25/00. Заявка US20070729753 от 29.03.2007], где ротор взаимодействует с концентрическим статором, оба снабжены периферийными отверстиями, которые способны при вращении резать и пропускать жидкость под давлением на высоких частотах. Все вышеперечисленные устройства имеют одни и те же недостатки, а именно сложную конструкцию и высокую стоимость. In devices [patent US5957122 A dated 09/28/1999. IPC B01F7/00; F24D3/08; F24J3/00. Application US19980133721 dated 08/31/1998; patent US6595759 B2 dated July 22, 2003. IPC F04D29/58; F04D5/00. Application US20010918325 dated 07/30/2001; patent US7089886 B2 dated 15.08.2006. IPC F24J3/00. Application US20040814189 dated 04/01/2004; patent US6910448 B2 dated 06/28/2005. IPC F24J3/00. Application US20030612980 dated 07/07/2003; patent US6976486 B2 dated 12/20/2005. IPC F24J3/00. Application US20030682503 dated October 10, 2003] describes generators with identical rotors provided with cavities. The device is also known [Patent US7767159 B2 dated 03.08.2010. IPC F01K25/00. Application US20070729753 dated March 29, 2007], where the rotor interacts with a concentric stator, both are provided with peripheral holes that are capable of cutting and passing liquid under pressure at high frequencies during rotation. All of the above devices have the same disadvantages, namely, a complex design and high cost.

Также хорошо известны устройства, способные генерировать гидродинамическую кавитацию путем принудительного прохождения жидкости через пластины с небольшими отверстиями. Они дают низкий КПД и подвержены засорению и эрозии при кавитации. Есть даже системы, в которых используются жидкостные вихри, главное низкое давление которых создают микропузырьки, а высокое периферическое давление вызывает их разрушение [патент US 2010/0103768]. Also well known are devices capable of generating hydrodynamic cavitation by forcing liquid through plates with small holes. They give low efficiency and are prone to clogging and erosion during cavitation. There are even systems that use liquid vortices, the main low pressure of which is created by microbubbles, and the high peripheral pressure causes their destruction [patent US 2010/0103768].

В качестве ближайшего прототипа выбран кавитационный теплогенератор [патент RU 2312277 C1. МПК F24J 3/00. Заявка №2006106480/06 от 02.03.2006. Опубл.: 10.12.2007 в Бюл. № 34], состоящий из насоса-побудителя, вихревой камеры, снабженной с обеих торцевых сторон осевыми выходными каналами, одно из которых выполнено в форме сопла, гидравлически сообщенными через кольцевую корпусную камеру, снабженную дросселирующими соплами на входе и выходным направляющим аппаратом, подводящим закрученный поток жидкости к осевому соплу вихревой камеры с противоположной его закруткой, причем оба поступают в общий для них резонатор. С обеих сторон общего для теплогенератора и резонатора центрального вихревого канала установлены электронные вводы для подключения высокочастотного электрического генератора, а корпусные поверхности вихревой и кольцевой камер выполнены электроизолированными и подключены к источнику напряжения. К недостаткам устройства-прототипа можно отнести небольшой объем гидрозвуковой камеры, в результате чего требуется большее количество времени на нагрев жидкости. Кроме того, необходим дополнительный источник потребления электроэнергии-высокочастотный электрический генератор. Небольшой срок службы электроизоляционной поверхности вихревой и кольцевой камер, так как в процессе кавитации наблюдается износ внутренних поверхностей. Устройство имеет множество фасонных поверхностей, в результате чего его изготовление становится сложным и дорогостоящим.As the closest prototype, a cavitation heat generator was chosen [patent RU 2312277 C1. IPC F24J 3/00. Application No. 2006106480/06 dated 03/02/2006. Published: 12/10/2007 in Bull. No. 34], consisting of a booster pump, a vortex chamber equipped on both end sides with axial outlet channels, one of which is made in the form of a nozzle, hydraulically communicated through an annular body chamber, equipped with throttling nozzles at the inlet and an outlet guide vane supplying a swirling flow liquid to the axial nozzle of the vortex chamber with its opposite twist, and both enter the resonator common to them. On both sides of the central vortex channel common to the heat generator and the resonator, electronic inputs are installed for connecting a high-frequency electric generator, and the body surfaces of the vortex and annular chambers are electrically insulated and connected to a voltage source. The disadvantages of the prototype device include the small volume of the hydrosonic chamber, resulting in more time required to heat the liquid. In addition, an additional source of electricity consumption is needed - a high-frequency electric generator. A short service life of the electrically insulating surface of the vortex and annular chambers, since wear of the internal surfaces is observed during cavitation. The device has a plurality of shaped surfaces, as a result of which its manufacture becomes complicated and expensive.

Задачей изобретения является объединение в одном устройстве двух способов возбуждения кавитации без использования дополнительных устройств: гидродинамический и гидрозвуковой.The objective of the invention is to combine in one device two methods of excitation of cavitation without the use of additional devices: hydrodynamic and hydrosonic.

Поставленная задача решается тем, что кавитационный теплогенератор включает в свой состав: The problem is solved by the fact that the cavitation heat generator includes:

камеру высокого давления, предпочтительно цилиндрической формы, к которой присоединен патрубок. Камера высокого давления в своей нижней части снабжена опорой с центральным отверстием, к которой приварена полипропиленовая соединительная муфта при помощи полипропиленовой трубки. Внутри муфты находится латунная втулка с внутренней резьбой и совпадает с осью камеры. Другой конец камеры открытый, содержит крепежный элемент для прочного и герметичного крепления камеры высокого давления ко всей остальной части корпуса устройства; a pressure chamber, preferably cylindrical, to which a nozzle is attached. The pressure chamber in its lower part is equipped with a support with a central hole, to which a polypropylene coupling is welded using a polypropylene tube. Inside the coupling there is a brass bushing with internal thread and coincides with the axis of the chamber. The other end of the chamber is open, contains a fastener for a strong and hermetic fastening of the high pressure chamber to the rest of the device body;

вихревую трубу, расположенную внутри камеры высокого давления, и снабженную боковыми отверстиями, оси которых тангенциально выровнены с окружностью вихревой трубы; a vortex tube located inside the high pressure chamber and provided with side holes, the axes of which are tangentially aligned with the circumference of the vortex tube;

первую часть кольцевого разделителя, имеющую форму цилиндра и снабженную первым фланцем для герметичного соединения с крепежным элементом камеры высокого давления. Кольцевой разделитель снабжен центральным цилиндрическим выступом с отверстием, подходящим для соединения с вихревой трубой, и на противоположной стороне - полукруглую выпуклость, расположенную вокруг круглого отверстия, чтобы образовать половину части радиальной и кольцевой трубки Вентури, поперечное сечение внешних краев которой образует круглое концентрическое углубление;the first part of the annular separator, having the shape of a cylinder and provided with a first flange for tight connection with the fastener of the high pressure chamber. The annular spacer is provided with a central cylindrical protrusion with an opening suitable for connection to the vortex tube, and on the opposite side a semicircular bulge located around the circular opening to form a half part of the radial and annular Venturi tube, the cross section of the outer edges of which forms a round concentric recess;

вторую часть кольцевого разделителя цилиндрической формы, снабженную вторым фланцем, подходящим для герметичного соединения с первым фланцем и имеющим концентрическое кольцевое углубление, так что при присоединении к указанному кольцевому разделителю образуется поперечная тороидальная полость, снабженная обращенным к центру круглым отверстием. На противоположной стороне расположен круглый выступ с прямоугольным поперечным сечением;the second part of the annular separator of cylindrical shape, provided with a second flange suitable for tight connection with the first flange and having a concentric annular recess, so that when attached to the said annular separator, a transverse toroidal cavity is formed, provided with a circular hole facing the center. On the opposite side is a round protrusion with a rectangular cross section;

резонансную камеру цилиндрической формы с закрытым концом с одной стороны, который прикреплен с помощью шайбы и гайки к концу стержня регулирования потока, снабжённого резьбой для обеспечения регулирования потока. Открытый край резонансной камеры концентрически расположен на небольшом расстоянии от круглого выступа второй части кольцевого разделителя, образуя круглую прорезь;a cylindrical resonant chamber with a closed end on one side, which is attached with a washer and nut to the end of a flow control rod, threaded to provide flow control. The open edge of the resonant chamber is concentrically located at a small distance from the round protrusion of the second part of the annular separator, forming a circular slot;

собирающую камеру, которая снабжена выпускным патрубком для соединения камеры с трубой гидравлического контура. Собирающая камера снабжена опорой с центральным отверстием, к которой приварена полипропиленовая соединительная муфта при помощи полипропиленовой трубки. Внутри соединительной муфты находится латунная вставка с внутренней резьбой и совпадает с осью собирающей камеры. На краю открытого конца собирающей камеры имеется третий фланец, предназначенный для герметичного крепления ко второму фланцу.collecting chamber, which is equipped with an outlet for connecting the chamber with the pipe of the hydraulic circuit. The collecting chamber is equipped with a support with a central hole, to which a polypropylene coupling is welded using a polypropylene tube. Inside the coupling there is a brass insert with an internal thread and coincides with the axis of the collecting chamber. At the edge of the open end of the collecting chamber there is a third flange designed to be sealed to the second flange.

цилиндрический стержень, который можно поворачивать с помощью двух рукоятей, причем стержень имеет резьбу, благодаря чему он может ввинчиваться в латунную втулку, которая расположена в соединительной муфте. Противоположный конец стержня снабжен винтом с шайбой и гайкой;a cylindrical rod that can be rotated by means of two handles, the rod being threaded so that it can be screwed into a brass bushing which is located in the coupler. The opposite end of the rod is equipped with a screw with a washer and a nut;

диск представляет собой тонкую пластину круглой формы с достаточной массой для достижения высоких частот колебаний, но в то же время выдерживающей значительные деформирующие силы, с небольшими отверстиями, которые используются для уменьшения массы и в то же время для создания дополнительной кавитации. Диск имеет диаметр, равный или превышающий диаметр полукруглой выпуклости, которая расположена концентрически по отношению к отверстию центрального цилиндрического выступа, так чтобы образовать узкую круглую щель. Диск снабжен центральным отверстием, в которое входит винт. Гайка может регулировать давление упругих элементов на диск, в результате чего диск может создавать резонансные колебательные движения;The disk is a thin round plate with enough mass to achieve high vibration frequencies, but at the same time withstand significant deforming forces, with small holes that are used to reduce mass and at the same time to create additional cavitation. The disc has a diameter equal to or greater than that of a semicircular bulge which is concentric with the opening of the central cylindrical ridge so as to form a narrow circular slot. The disk is provided with a central hole into which the screw enters. The nut can regulate the pressure of the elastic elements on the disk, as a result of which the disk can create resonant oscillatory movements;

уплотнительное кольцо прямоугольного сечения, расположенное вокруг цилиндрического стержня регулирования давления, установленного в корпусе на дне камеры высокого давления для предотвращения утечек;a rectangular O-ring located around a cylindrical pressure control rod installed in the housing at the bottom of the pressure chamber to prevent leakage;

рукояти или другие ручные вспомогательные средства, закрепленные на внешних кромках стержня регулирования потока и цилиндрического стержня с помощью металлического стержня;handles or other hand aids attached to the outer edges of the flow control rod and the cylindrical rod with a metal rod;

прокладки, которые используются для предотвращения утечки жидкости. Прокладки расположены между фланцами камеры высокого давления, первой части кольцевого разделителя, второй части кольцевого разделителя и собирающей камеры, которые прочно соединены при помощи дополнительных винтов, шайб и гаек, распределенных в отверстиях на фланцах.gaskets that are used to prevent fluid leakage. Gaskets are located between the flanges of the pressure chamber, the first part of the annular separator, the second part of the annular separator and the collection chamber, which are firmly connected with additional screws, washers and nuts distributed in the holes on the flanges.

Поставленная задача решается благодаря способности устройства генерировать гидрозвуковую кавитацию в резонансной камере, где ламинарный поток движется медленно, за счет только турбулентного потока гидродинамической кавитации, что приводит к генерации волн большой амплитуды, которые вызывают колебания давления в ламинарном потоке. Гидродинамический кавитационный теплогенератор создает облака из микропузырьков благодаря своей способности фракционировать поток жидкости, радиально рассеивая его в очень тонком слое с высокой скоростью, толщина которого может регулироваться снаружи, в соответствии с характеристиками давления и потока, плотностью и вязкостью жидкости. Диск ограничивает радиальную толщину трубки Вентури, где жидкость ускоряется, так что, когда скорость жидкости увеличивается, давление уменьшается (в соответствии с принципом Бернулли), и указанный тонкий диск принудительно отталкивается назад большим давлением нисходящего потока. С уменьшением щелевого прохода давление на входе мгновенно возрастает и толкает диск в исходное положение. Диск удерживается упругими элементами с ограниченным ходом, что позволяет устанавливать вибрационное движение. Частота колебаний диска пропорционально давлению потока и площади диска и обратно пропорционально его массе. Вибрационное движение указанного диска определяет колебания скорости и давления через зазор, обтекающей его жидкости, что также вызывает колебания давления выше и ниже диска в виде волн давления. Одновременно в канавочном канале создается гидродинамическая кавитация, где при более высокой скорости потока создается меньшее количество микропузырьков большего диаметра, а при более низкой его скорости генерируется большее количество микропузырьков с меньшим диаметром. Амплитуда движения диска может изменяться от нескольких тысячных долей миллиметра до более 1 мм, его частота зависит от плотности, вязкости и давления рабочей жидкости, давления, приложенного к упругим элементам, и массы диска и может достигать звукового диапазона до сотен кГц. Кроме того, количество энергии, которое будет рассеиваться в виде вибрации и шума, используется в качестве полезной энергии путем преобразования вибрации в поле резонансных волн давления в резонансной камере. Частота вибрации и время воздействия потока жидкости на волны давления регулируются извне.The problem is solved due to the ability of the device to generate hydrosonic cavitation in a resonant chamber where the laminar flow moves slowly, due only to the turbulent flow of hydrodynamic cavitation, which leads to the generation of large amplitude waves that cause pressure fluctuations in the laminar flow. The hydrodynamic cavitation heat generator creates clouds of microbubbles due to its ability to fractionate the liquid flow by dispersing it radially in a very thin layer at high speed, the thickness of which can be adjusted from the outside, according to the pressure and flow characteristics, density and viscosity of the liquid. The disk limits the radial thickness of the venturi where the fluid is accelerating so that as the fluid speed increases, the pressure decreases (in accordance with Bernoulli's principle) and said thin disk is forcibly pushed back by the large downward pressure. With a decrease in the slotted passage, the inlet pressure instantly increases and pushes the disk to its original position. The disk is held by elastic elements with a limited stroke, which allows you to set the vibratory movement. The oscillation frequency of the disc is proportional to the flow pressure and area of the disc and inversely proportional to its mass. The vibratory movement of said disk determines fluctuations in speed and pressure through the gap of the fluid flowing around it, which also causes pressure fluctuations above and below the disk in the form of pressure waves. At the same time, hydrodynamic cavitation is created in the groove channel, where at a higher flow rate, a smaller number of microbubbles of a larger diameter are created, and at a lower flow rate, a larger number of microbubbles with a smaller diameter are generated. The amplitude of the disk movement can vary from a few thousandths of a millimeter to more than 1 mm, its frequency depends on the density, viscosity and pressure of the working fluid, the pressure applied to the elastic elements, and the mass of the disk and can reach the sound range up to hundreds of kHz. In addition, the amount of energy that will be dissipated in the form of vibration and noise is used as useful energy by converting the vibration into a field of resonant pressure waves in the resonant chamber. The vibration frequency and the exposure time of the fluid flow to the pressure waves are externally adjustable.

Предлагаемое техническое решение пояснено следующими чертежами.The proposed technical solution is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 показано поперечное сечение кавитационного теплогенератора и путь жидкости внутри устройства с помощью стрелок.In FIG. 1 shows a cross section of a cavitation heat generator and the path of the liquid inside the device using arrows.

На фигурах 2 и 3 показаны элементы кавитационного теплогенератора, где Figures 2 and 3 show the elements of a cavitation heat generator, where

1 – камера высокого давления, 1 - high pressure chamber,

2 – патрубок,2 - branch pipe,

3 – опора с центральным отверстием камеры высокого давления,3 - support with a central hole of the high pressure chamber,

4 – полипропиленовая соединительная муфта камеры высокого давления,4 - polypropylene coupling of the high pressure chamber,

5 – полипропиленовая трубка камеры высокого давления,5 - polypropylene tube of the high pressure chamber,

6 – латунная втулка,6 - brass bushing,

7 – внутренняя резьба,7 - internal thread,

8 – крепежный элемент,8 - fastener,

9 – вихревая труба,9 - vortex tube,

10 – боковые отверстия,10 - side holes,

11 – первая часть кольцевого разделителя,11 - the first part of the ring separator,

12 – первый фланец,12 - the first flange,

16 – вторая часть кольцевого разделителя,16 - the second part of the ring separator,

20 – резонансная камера,20 - resonant chamber,

21 – закрытый конец,21 - closed end,

22 – стержень,22 - rod,

23 – резьба,23 - thread,

24 – собирающая камера,24 - collecting chamber,

25 – выпускной патрубок,25 - outlet pipe,

26 – опора с центральным отверстием собирающей камеры,26 - support with a central opening of the collecting chamber,

27 – полипропиленовая соединительная муфта собирающей камеры,27 - polypropylene coupling of the collecting chamber,

28 – полипропиленовая трубка собирающей камеры,28 - polypropylene tube of the collecting chamber,

29 – латунная вставка,29 - brass insert,

31 – цилиндрический стержень,31 - cylindrical rod,

32 – рукоять,32 - handle,

33 – резьба,33 - thread,

34 – винт,34 - screw,

35 – шайба,35 - washer,

36 – гайка,36 - nut,

37 – средства крепления,37 - means of fastening,

38 – диск,38 - disk,

40 – центральное отверстие диска,40 - the central hole of the disk,

41 – уплотнительное кольцо прямоугольного сечения,41 - sealing ring of rectangular section,

42 – корпус,42 - body,

43 – металлический стержень,43 - metal rod,

44 – прокладки,44 - gaskets,

45 – дополнительный винт,45 - additional screw,

46 – дополнительная шайба,46 - additional washer,

47 – дополнительная гайка,47 - additional nut,

48 – отверстия на фланцах.48 - holes on the flanges.

На фиг. 4 представлена вихревая труба с тангенциальными прорезями (вид сверху), где 9 – вихревая труба, 10 – боковые отверстия.In FIG. 4 shows a vortex tube with tangential slots (top view), where 9 is a vortex tube, 10 are side holes.

На фиг. 5 показана первая и вторая часть кольцевого разделителя, где 11 – первая часть кольцевого разделителя, 12 – первый фланец, 13 – центральный цилиндрический выступ, 15 – круглое концентрическое углубление, 16 – вторая часть кольцевого разделителя, 17 – второй фланец, 18 - концентрическое кольцевое углубление, 19 – круглый выступ с прямоугольным поперечным сечением, 48 – отверстия.In FIG. 5 shows the first and second part of the annular separator, where 11 is the first part of the annular separator, 12 is the first flange, 13 is the central cylindrical protrusion, 15 is a round concentric recess, 16 is the second part of the annular separator, 17 is the second flange, 18 is the concentric annular deepening, 19 - a round protrusion with a rectangular cross section, 48 - holes.

На фиг. 6 показан диск с несколькими небольшими отверстиями, где 38 – диск, 39 – отверстия, 40 – центральное отверстие.In FIG. 6 shows a disk with several small holes, where 38 is a disk, 39 are holes, 40 is a central hole.

Фиг. 7 иллюстрирует конфигурацию гидравлического контура, с использованием кавитационного теплогенератора, который связан с открытым резервуаром, специально для использования в качестве водонагревателя и очистителя, где 49 – резервуар, 50 – насос, 51 – кавитационный теплогенератор.Fig. 7 illustrates the configuration of a hydraulic circuit using a cavitation heat generator that is connected to an open tank, specifically for use as a water heater and purifier, where 49 is a tank, 50 is a pump, 51 is a cavitation heat generator.

На фиг. 8 показана конструкция гидравлического контура с системой «байпас», где 49 – резервуар, 50 – насос, 51 – кавитационный теплогенератор, 52 – система «байпас», 53 – регулирующая арматура, 54 – теплообменник.In FIG. 8 shows the design of a hydraulic circuit with a bypass system, where 49 is a tank, 50 is a pump, 51 is a cavitation heat generator, 52 is a bypass system, 53 is a control valve, 54 is a heat exchanger.

На фиг. 9 представлен схематический чертеж гидравлического контура, снабженного теплообменником, где 49 – резервуар, 50 – насос, 51 – кавитационный теплогенератор, 54 – теплообменник, 55 – расширительный сосуд, 56 – предохранительный клапан.In FIG. 9 is a schematic drawing of a hydraulic circuit equipped with a heat exchanger, where 49 is a reservoir, 50 is a pump, 51 is a cavitation heat generator, 54 is a heat exchanger, 55 is an expansion vessel, 56 is a safety valve.

На чертежах не указаны элемент 14 – полукруглая выпуклость, расположенная вокруг круглого отверстия 13 и элемент 30 – третий фланец.The drawings do not show element 14 - a semicircular bulge located around a round hole 13 and element 30 - the third flange.

Работа кавитационного теплогенератора начинается, когда вода или другая рабочая жидкость поступает в указанную камеру высокого давления 1, где она сразу направляется внутрь вихревой трубы 9 через боковые отверстия 10, направленные тангенциально, подвергаясь угловому ускорению и предполагая спиральное движение вокруг стержня регулирования давления 31. При достижении диска 38, поток жидкость направляется в радиальном направлении наружу, проходя через узкую щель Вентури, где она подвергается сильному ускорению и, следовательно, резкому снижению давления. Это высокое разрежение создает много пузырьков кавитации и заставляет диск 38 прижиматься к выпуклости указанного кольцевого разделителя 11, 16, резко уменьшая площадь прохода для потока в указанной прорези, но не закрывая ее полностью из-за мгновенного повышения давления на входе. Резонансное колебательное движение диска 38 устанавливается в соответствии с / f = (P × A × t) / (I × m), где f - частота, P - давление потока, A, площадь диафрагмы, t время, I, свободный ход диафрагмы и m, ее масса.The operation of the cavitation heat generator begins when water or other working fluid enters the specified high pressure chamber 1, where it is immediately directed into the vortex tube 9 through the side holes 10 directed tangentially, subjected to angular acceleration and assuming a spiral movement around the pressure control rod 31. Upon reaching disk 38, the flow of fluid is directed radially outward, passing through a narrow venturi slot, where it is subjected to strong acceleration and, consequently, a sharp decrease in pressure. This high vacuum creates many cavitation bubbles and forces disk 38 to press against the bulge of said annular spacer 11, 16, drastically reducing the area of the flow passage in said slot, but not completely closing it due to the momentary increase in inlet pressure. The resonant oscillating motion of the disk 38 is set according to /f = (P × A × t) / (I × m), where f is the frequency, P is the flow pressure, A, diaphragm area, t time, I, diaphragm free play and m, its mass.

Вибрационное движение передается объему жидкости ниже указанной диафрагмы в виде волн с чистой мощностью, определяемой как: I = (P × Q) / (A × k), где I - мощность в Вт / см2, P - давление в кг / см2, Q - скорость потока в литрах в минуту, A - площадь диафрагмы, k – постоянный коэффициент (равен 0,6). На этом основании диск 38 легко достигает ультразвуковых частот.Vibratory motion is transmitted to the liquid volume below the specified diaphragm in the form of waves with a net power defined as: I = (P × Q) / (A × k), where I is the power in W / cm 2 , P is the pressure in kg / cm 2 , Q is the flow rate in liters per minute, A is the diaphragm area, k is a constant coefficient (equal to 0.6). On this basis, disc 38 easily reaches ultrasonic frequencies.

Давление жидкости в самой узкой точке кольцевой трубки Вентури всегда ниже, чем точка паров жидкости из-за колебаний скорости, которая создает плотное облако кавитационных микропузырьков разного размера. Поскольку поток движется радиально в пределах узкого отверстия трубки Вентури, его скорость падает экспоненциально и, наоборот, происходит с давлением, которое вызывает схлопывание микропузырьков за очень короткое время. Указанная тороидальная полость вокруг краев диска 38 создает внутренний тороидальный вихрь, периферическое центробежное давление, сжимающее все микропузырьки, создает защитный барьер, который предотвращает эрозию внутренних стенок камеры. Оттуда поток жидкости направляется в резонансную камеру 20, диаметр которой существенно больше, чем впускная форсунка. В указанной резонансной камере создает эффект Доплера, так что даже в резонансном режиме волны, удаляющиеся от указанной диафрагмы, имеют большую длину, чем отраженные. Таким образом, получая большое разнообразие размеров микропузырьков, канал для жидкости ведет его в собирающую камеру 24, где жидкость поглощает звук и вибрации, создаваемые стенками резонансной камеры 20, а затем вытесняется через выпускной патрубок 25. Микропузырьки, генерируемые волнами инфразвука и ультразвука, как правило, сферические и взрываются энергией: E = 4/3 × π × R3 × P, где R - радиус микропузырьков, а P - пиковое давление волн давления.The pressure of the liquid at the narrowest point of the annular Venturi is always lower than the vapor point of the liquid due to velocity fluctuations, which creates a dense cloud of variously sized cavitation microbubbles. As the flow moves radially within the narrow opening of the venturi, its velocity drops exponentially and, conversely, occurs at a pressure that causes the microbubbles to collapse in a very short time. The specified toroidal cavity around the edges of the disk 38 creates an internal toroidal vortex, peripheral centrifugal pressure, compressing all microbubbles, creates a protective barrier that prevents erosion of the inner walls of the chamber. From there, the liquid flow is directed to the resonant chamber 20, the diameter of which is significantly larger than the inlet nozzle. In said resonant chamber, it creates a Doppler effect, so that even in the resonant mode, the waves moving away from the said diaphragm have a longer length than the reflected ones. Thus, obtaining a wide variety of microbubble sizes, the liquid channel leads it to the collection chamber 24, where the liquid absorbs the sound and vibrations created by the walls of the resonant chamber 20, and then is forced out through the outlet 25. Microbubbles generated by infrasound and ultrasound waves are usually , spherical and explode with energy: E = 4/3 × π × R 3 × P, where R is the radius of the microbubbles and P is the peak pressure of the pressure waves.

Для нагрева воды в резервуарах (фиг. 7), таких как плавательные бассейны и спа-салоны и даже бытовые котлы 49, которые работают при температуре ниже 50 ° С, жидкость отбирается из резервуара 49 с помощью насоса 50, подается непосредственно в настоящий генератор 51 и возвращается в резервуар 49. Эта конфигурация также может быть использована для стерилизации жидкостей, ускорения химических реакций, эмульгирования, производства биодизеля и других процессов, требующих воздействия интенсивной кавитации. Для использования нагрева, необходима система «байпас» 52 и регулирующая арматура 53 для регулирования количества жидкости, которая должна быть повторно обработана, и выпущена, при желаемой температуре, в бытовой котел (фиг. 8). Для нагрева других жидкостей, таких как пищевые продукты, химикаты или для нагрева окружающей среды, теплообменник 54 должен быть связан с расширительным сосудом 55, обязательно снабженным предохранительным клапаном 56 (фиг. 9).To heat water in tanks (Fig. 7), such as swimming pools and spas, and even domestic boilers 49 that operate at temperatures below 50 ° C, the liquid is withdrawn from the tank 49 using a pump 50, fed directly into a real generator 51 and returned to tank 49. This configuration can also be used for sterilization of liquids, accelerating chemical reactions, emulsification, biodiesel production, and other processes requiring intense cavitation. To use heating, a "bypass" system 52 and control valves 53 are needed to control the amount of liquid to be re-treated and discharged, at the desired temperature, into the domestic boiler (FIG. 8). For heating other liquids, such as foodstuffs, chemicals, or for heating the environment, the heat exchanger 54 must be connected to an expansion vessel 55, necessarily provided with a safety valve 56 (FIG. 9).

Разница в энергетических затратах между предлагаемым техническим решением и прототипом позволит производить протекание рабочего процесса на более высоком уровне энергии, следовательно, получать большую энергию на выходе.The difference in energy costs between the proposed technical solution and the prototype will make it possible to carry out the work process at a higher energy level, therefore, to obtain more energy at the output.

Изобретение раскрывает устройство, с помощью которого возможно нагревать непосредственно или через теплообменник воду или другие жидкости и даже окружающую среду с термодинамическим КПД (коэффициент полезного действия), превышающим более 200% в отношении мощности, подаваемой на устройство ввода. Кроме того, изобретение может использоваться для стерилизации жидкостей, ускорения химических реакций, эмульгирования, производства биодизеля с той же эффективностью и не зависеть от температуры окружающей среды и относительной влажности воздуха.The invention discloses a device with which it is possible to heat directly or through a heat exchanger water or other liquids and even the environment with a thermodynamic efficiency (coefficient of performance) exceeding more than 200% in relation to the power supplied to the input device. In addition, the invention can be used for sterilization of liquids, acceleration of chemical reactions, emulsification, biodiesel production with the same efficiency and does not depend on ambient temperature and relative humidity.

Claims (12)

1. Кавитационный теплогенератор, включающий камеру высокого давления, к которой с одного конца присоединен патрубок, снабженную в своей нижней части опорой с центральным отверстием, к которой приварена полипропиленовая соединительная муфта при помощи полипропиленовой трубки, при этом внутри соединительной муфты находится латунная втулка с внутренней резьбой и совпадает с осью камеры, а второй открытый конец камеры содержит крепежный элемент для прочного и герметичного крепления камеры высокого давления ко всей остальной части корпуса устройства,1. Cavitation heat generator, including a high-pressure chamber, to which a branch pipe is attached at one end, equipped in its lower part with a support with a central hole, to which a polypropylene coupling is welded using a polypropylene tube, while inside the coupling there is a brass bushing with an internal thread and coincides with the axis of the chamber, and the second open end of the chamber contains a fastener for strong and tight fastening of the high pressure chamber to the rest of the device body, вихревую трубу, расположенную внутри камеры высокого давления и снабженную боковыми отверстиями, оси которых тангенциально выровнены с окружностью вихревой трубы,a vortex tube located inside the high pressure chamber and provided with side holes, the axes of which are tangentially aligned with the circumference of the vortex tube, первую часть кольцевого разделителя, имеющую форму цилиндра и снабженную первым фланцем для герметичного соединения с крепежным элементом камеры высокого давления, при этом кольцевой разделитель снабжен центральным цилиндрическим выступом с отверстием, подходящим для соединения с вихревой трубой, и на противоположной стороне имеет полукруглую выпуклость, расположенную вокруг круглого отверстия, чтобы образовать половину части радиальной и кольцевой трубки Вентури, поперечное сечение внешних краев которой образует круглое концентрическое углубление,the first part of the annular separator, having the shape of a cylinder and provided with a first flange for tight connection with the fastener of the pressure chamber, while the annular separator is provided with a central cylindrical protrusion with an opening suitable for connection with the vortex tube, and on the opposite side has a semicircular bulge located around a circular hole to form a half part of a radial and annular venturi, the cross-section of the outer edges of which forms a circular concentric recess, вторую часть кольцевого разделителя цилиндрической формы, снабженную вторым фланцем, подходящим для герметичного соединения с первым фланцем и имеющим концентрическое кольцевое углубление, так что при присоединении к указанному кольцевому разделителю образуется поперечная тороидальная полость, снабженная обращенным к центру круглым отверстием, а на противоположной стороне расположен круглый выступ с прямоугольным поперечным сечением,the second part of the annular separator of cylindrical shape, provided with a second flange suitable for tight connection with the first flange and having a concentric annular recess, so that when attached to the said annular separator, a transverse toroidal cavity is formed, provided with a circular hole facing the center, and on the opposite side is located ledge with a rectangular cross section, резонансную камеру цилиндрической формы с закрытым концом с одной стороны, прикрепленным с помощью шайбы и гайки к концу стержня регулирования потока, снабженного резьбой для обеспечения регулирования потока, причем открытый край резонансной камеры концентрически расположен на небольшом расстоянии от круглого выступа второй части кольцевого разделителя, образуя круглую прорезь,a cylindrically shaped resonant chamber with a closed end on one side attached with a washer and nut to the end of a flow control rod threaded to provide flow control, the open end of the resonant chamber being concentrically located at a short distance from the circular protrusion of the second part of the annular spacer, forming a circular slot, собирающую камеру, которая снабжена выпускным патрубком для соединения камеры с трубой гидравлического контура и опорой с центральным отверстием, к которой приварена полипропиленовая соединительная муфта при помощи полипропиленовой трубки, при этом внутри соединительной муфты находится латунная вставка с внутренней резьбой, совпадающей с осью собирающей камеры, а на краю открытого конца собирающей камеры имеется третий фланец, предназначенный для герметичного крепления ко второму фланцу,a collecting chamber, which is equipped with an outlet pipe for connecting the chamber with a hydraulic circuit pipe and a support with a central hole, to which a polypropylene coupling is welded using a polypropylene tube, while inside the coupling there is a brass insert with an internal thread coinciding with the axis of the collecting chamber, and on the edge of the open end of the collecting chamber there is a third flange designed for tight attachment to the second flange, цилиндрический стержень с двумя рукоятями, причем стержень имеет резьбу, благодаря чему он может ввинчиваться в латунную втулку, которая расположена в соединительной муфте, при этом противоположный конец стержня снабжен винтом с шайбой и гайкой,a cylindrical rod with two handles, and the rod is threaded, so that it can be screwed into a brass bushing, which is located in the coupling, while the opposite end of the rod is equipped with a screw with a washer and nut, диск, представляющий собой тонкую пластину круглой формы с отверстиями и имеющий диаметр, равный или превышающий диаметр полукруглой выпуклости, которая расположена концентрически по отношению к отверстию центрального цилиндрического выступа, так чтобы образовать узкую круглую щель, при этом диск снабжен центральным отверстием, в которое входит винт с гайкой, регулирующей давление упругих элементов на диск,disc which is a thin plate of circular shape with holes and having a diameter equal to or greater than the diameter of a semicircular bulge which is concentric with the hole of the central cylindrical boss so as to form a narrow circular slot, the disc being provided with a central hole into which the screw enters with a nut that regulates the pressure of the elastic elements on the disk, уплотнительное кольцо прямоугольного сечения, расположенное вокруг цилиндрического стержня регулирования давления, установленного в корпусе на дне камеры высокого давления,a rectangular O-ring located around a cylindrical pressure control rod mounted in a housing at the bottom of the pressure chamber, рукояти, закрепленные на внешних кромках стержня регулирования потока и цилиндрического стержня с помощью металлического стержня,handles attached to the outer edges of the flow control rod and the cylindrical rod with a metal rod, прокладки для предотвращения утечки жидкости, расположенные между фланцами камеры высокого давления, первой части кольцевого разделителя, второй части кольцевого разделителя и собирающей камеры, которые прочно соединены при помощи дополнительных винтов, шайб и гаек, распределенных в отверстиях на фланцах.gaskets to prevent liquid leakage located between the flanges of the pressure chamber, the first part of the annular separator, the second part of the annular separator and the collection chamber, which are firmly connected with additional screws, washers and nuts distributed in the holes on the flanges. 2. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что камера высокого давления может иметь цилиндрическую форму.2. Cavitation heat generator according to claim 1, characterized in that the high pressure chamber may have a cylindrical shape.
RU2021139961A 2021-12-30 Vortex heat generator RU2787081C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2787081C1 true RU2787081C1 (en) 2022-12-28

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2312277C1 (en) * 2006-03-02 2007-12-10 Лев Николаевич Бритвин Cavitation heat generator
US20150176836A1 (en) * 2011-05-19 2015-06-25 James L. Griggs Apparatus for Heating Fluids
RU2658448C1 (en) * 2017-06-06 2018-06-21 Эмиль Азатович Хузин Multistage cavitation heat generator (embodiments)
RU2719612C1 (en) * 2019-07-09 2020-04-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный политехнический университет" Heat generator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2312277C1 (en) * 2006-03-02 2007-12-10 Лев Николаевич Бритвин Cavitation heat generator
US20150176836A1 (en) * 2011-05-19 2015-06-25 James L. Griggs Apparatus for Heating Fluids
RU2658448C1 (en) * 2017-06-06 2018-06-21 Эмиль Азатович Хузин Multistage cavitation heat generator (embodiments)
RU2719612C1 (en) * 2019-07-09 2020-04-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный политехнический университет" Heat generator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20160054031A1 (en) Hiydrodynamic and hydrosonic cavitation generator
EP0449008B1 (en) Sonochemical apparatus
RU2325959C2 (en) Hydrodynamic generator of ultrasonic acoustic vibrations and method of its generating
WO2006068537A1 (en) Method for heat-mass-energy exchange and device for carrying out said method
JP2020514671A (en) Method and device for heating and cleaning liquids
US3911858A (en) Vortex acoustic oscillator
RU2787081C1 (en) Vortex heat generator
EP2195122A2 (en) High capacity ultrasonic reactor system
RU2142604C1 (en) Heat energy production process and resonant heat pump/generator unit
RU2329862C2 (en) Disperser-activator
RU2478438C2 (en) Method of combined device to generate pressure oscillation in fluid flow
RU2488438C2 (en) Device for physicochemical treatment of fluids
RU2363528C1 (en) Ultrasonic device for treatment of liquid mediums
RU2310503C1 (en) Method of the heat-energy-mass exchange and the device for the method realization
RU2354461C2 (en) Generator of cavitation processes
RU2304261C1 (en) Method and device for heat and mass exchange
RU2652641C1 (en) Infrasound generator
RU2335705C2 (en) Method of operating steam boilers and hydrodynamic generator to this effect
RU2350856C1 (en) Heat and mass and energy exchange method and device for realisation thereof
RU2434674C1 (en) Device for physicochemical treatment of fluids
CN114432966A (en) Method and device for generating hydrodynamic cavitation by utilizing kinetic energy of liquid flow
WO2013102247A1 (en) Hydrodynamic and hydrosonic cavitation generator
RU2442640C1 (en) The rotary device
RU2279018C1 (en) Vortex type heat generator of hydraulic system
RU175742U1 (en) Hydroacoustic unit with flow modulation