RU2814162C2 - Cavitation heat generator - Google Patents

Cavitation heat generator Download PDF

Info

Publication number
RU2814162C2
RU2814162C2 RU2022117108A RU2022117108A RU2814162C2 RU 2814162 C2 RU2814162 C2 RU 2814162C2 RU 2022117108 A RU2022117108 A RU 2022117108A RU 2022117108 A RU2022117108 A RU 2022117108A RU 2814162 C2 RU2814162 C2 RU 2814162C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
cavitation
pipe
outlet
heat generator
Prior art date
Application number
RU2022117108A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2022117108A (en
Inventor
Евгений Геннадьевич Иванов
Елена Владимировна Трегубова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный агротехнологический университет" (ФГБОУ ВО Нижегородский ГАТУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный агротехнологический университет" (ФГБОУ ВО Нижегородский ГАТУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный агротехнологический университет" (ФГБОУ ВО Нижегородский ГАТУ)
Publication of RU2022117108A publication Critical patent/RU2022117108A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2814162C2 publication Critical patent/RU2814162C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: heat power engineering.
SUBSTANCE: cavitation heat generator can be used in heat supply systems in industry, agriculture, transport and domestic facilities. The cavitation heat generator includes a pump, a fluid accelerator, made in the form of a cyclone, with a central hole connected to a cylindrical body containing a braking device and an opening with an outlet pipe connected to the outlet transit pipe and to the suction pipe of the pump, the pressure pipe of which is connected to the tangential inlet pipe of the cyclone. The cyclone and the cylindrical body of the heat generator are placed in a liquid-filled heat exchange casing, on the surface of which there are sealed holes for the tangential inlet pipe of the cyclone and the outlet pipe, as well as inlet and outlet holes for connecting an additional cooling system located in the heat exchange casing.
EFFECT: increasing the efficiency of the heat generator.
9 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения в промышленности, в сельском хозяйстве, в транспортных и бытовых объектах. В частности для эффективного получения высокотемпературного тепла, или в больших объемах низкотемпературного тепла, например, при кавитационной дезинфекции и одновременном нагреве воды в плавательных бассейнах. Кроме того, предлагаемое техническое решение может повысить качество работ, выполняемых с помощью кавитационных технологий - диспергация, гомогенизация, изменение свойств воды, повышение активности биологических систем и т.д.The invention relates to heat power engineering and can be used in heat supply systems in industry, agriculture, transport and household facilities. In particular for the efficient production of high-temperature heat, or in large volumes of low-temperature heat, for example, during cavitation disinfection and simultaneous heating of water in swimming pools. In addition, the proposed technical solution can improve the quality of work performed using cavitation technologies - dispersion, homogenization, changing the properties of water, increasing the activity of biological systems, etc.

Известна отопительная установка («Heating installation has heat source formed by conderser of heat pump in which evaporator is acted upon by fuel cell arrangement)), DE 10002942 А1, кл. F24D 3/18, Н01M 8/04, F24H 1/00, опубл.: 20.07.2000) работающая от теплового насоса, у которого конденсатор передает тепло потребителю, а испаритель благодаря контакту с дымовыми газами забирает у них часть их остаточной энергии, которая в противном случае могла бы быть выброшена в окружающую среду. Это позволяет с минимальными усилиями значительно повысить эффективность работы котельной установки в целом.A known heating installation (“Heating installation has heat source formed by conder of heat pump in which evaporator is acted upon by fuel cell arrangement)”, DE 10002942 A1, class. F24D 3/18, Н01M 8/04, F24H 1/00, publ.: 07/20/2000) operating from a heat pump, in which the condenser transfers heat to the consumer, and the evaporator, due to contact with flue gases, takes away from them part of their residual energy, which otherwise it could be released into the environment. This allows, with minimal effort, to significantly increase the efficiency of the boiler installation as a whole.

Однако данная отопительная установка основана на сжигании углеводородного топлива и предполагает выработку дымовых газов, что требует необходимость добычи этого топлива, загрязняет среду обитания.However, this heating installation is based on the combustion of hydrocarbon fuels and involves the production of flue gases, which requires the extraction of this fuel and pollutes the environment.

Известна термогенерирующая установка, содержащая теплообменную обойму с выходным патрубком, внутри которой установлена цилиндрическая вихревая труба с тангенциальным вводом и выходом на одном конце первого цилиндрического корпуса, тормозным устройством и выходом на противоположном конце второго цилиндрического корпуса, центральная часть цилиндрической вихревой трубы выполнена в виде полой спирали с входным и выходным патрубками, витки которой жестко соединены друг с другом (Патент РФ №2 190162, F24D 3/02, приоритет 03.05.2001, опубликовано 27.09.2002, Бюл.№27). Такое выполнение центральной части вихревой трубы обуславливает развитую поверхность теплообмена, следовательно, повышение эффективности теплопередачи от корпуса к жидкости внутри теплообменной обоймы.A thermogenerating installation is known that contains a heat exchange casing with an outlet pipe, inside which a cylindrical vortex tube is installed with a tangential input and output at one end of the first cylindrical body, a braking device and an outlet at the opposite end of the second cylindrical body, the central part of the cylindrical vortex tube is made in the form of a hollow spiral with inlet and outlet pipes, the turns of which are rigidly connected to each other (RF Patent No. 2 190162, F24D 3/02, priority 05/03/2001, published 09/27/2002, Bulletin No. 27). This design of the central part of the vortex tube determines a developed heat exchange surface, therefore, increasing the efficiency of heat transfer from the body to the liquid inside the heat exchange ring.

Однако, в этом техническом решении вырабатываемая теплота получается от утилизации гидравлических потерь - от трения, внезапного расширения гидравлического потока, его деформации и т.д. то есть в нем имеет место недоиспользование значимого ресурса - периодической кавитации. В этом устройстве отсутствует циклон, поэтому тангенциальный вход осуществляется непосредственно в цилиндрический корпус и размывается по его внутренней цилиндрической поверхности не создавая упругих волн во внутреннем объеме. Следовательно, не создаются кавитационные каверны, не происходит их коллапс, не достигается высокая концентрация энергии, нет взаимных переходов видов энергии, глубокой деформации жидкости и т.д.However, in this technical solution, the generated heat is obtained from the utilization of hydraulic losses - from friction, sudden expansion of hydraulic flow, its deformation, etc. that is, there is underutilization of a significant resource - periodic cavitation. This device does not have a cyclone, so the tangential input is carried out directly into the cylindrical body and is washed out along its internal cylindrical surface without creating elastic waves in the internal volume. Consequently, cavitation cavities are not created, their collapse does not occur, high energy concentrations are not achieved, there are no mutual transitions of energy types, deep deformation of the liquid, etc.

В наиболее близком техническом решении, в теплогенераторе и устройстве для нагрева жидкостей (патент РФ №2045715, F25B 29/00, приоритет 26.04.93, опубликовано 10.10.95), включающем насос, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, центральным отверстием сообщенного с цилиндрическим корпусом, содержащим тормозное устройство и отверстие с выходным патрубком, соединенным с выходным транзитным патрубком и с всасывающим патрубком насоса, напорный патрубок которого связан с тангенциальным входным патрубком циклона, а всасывающий патрубок насоса снабжен входным транзитным патрубком благодаря наличию циклона создаются упругие волны в протекающей по нему жидкости.In the closest technical solution, a heat generator and a device for heating liquids (RF patent No. 2045715, F25B 29/00, priority 04/26/93, published 10/10/95), including a pump, a fluid accelerator, made in the form of a cyclone, with a central hole connected with a cylindrical body containing a braking device and an opening with an outlet pipe connected to the outlet transit pipe and to the suction pipe of the pump, the pressure pipe of which is connected to the tangential inlet pipe of the cyclone, and the suction pipe of the pump is equipped with an inlet transit pipe due to the presence of the cyclone, elastic waves are created in the flowing there is liquid on it.

Это происходит вследствие того, что движущийся по окружной траектории поток в циклоне блокирован по поперечному сечению с трех сторон и упорядочен. При встрече этого окружного потока с входящим в циклон тангенциальным он периодически пережимает входящий, образуя конкурирующее взаимодействие (Фиг. 1).This occurs due to the fact that the flow moving along a circumferential path in the cyclone is blocked along the cross section on three sides and is ordered. When this circumferential flow meets the tangential one entering the cyclone, it periodically compresses the incoming one, forming a competitive interaction (Fig. 1).

Благодаря тому, что оба этих потока в поперечном сечении ограничены каждый с трех сторон, а четвертыми сторонами они периодически пережимают друг друга, их взаимодействие происходит концентрировано, а не размыто, как в случае у вышерассмотренного аналога. В результате за счет образования при взаимодействии потоков периодических сжатий и разрежений циклон в этом случае выполняет функцию жидкостного свистка. Таким образом, рассматриваемое техническое решение обладает дополнительной способностью создавать и излучать в проходящую жидкость акустические (упругие) волны.Due to the fact that both of these flows in cross section are each limited on three sides, and with the fourth sides they periodically squeeze each other, their interaction occurs concentrated and not blurred, as is the case with the analogue discussed above. As a result, due to the formation of periodic compression and rarefaction flows during the interaction, the cyclone in this case performs the function of a liquid whistle. Thus, the technical solution under consideration has the additional ability to create and radiate acoustic (elastic) waves into a passing liquid.

Наличие такого обстоятельства обеспечивает этому теплогенератору дополнительный ресурс - создание периодической кавитации. Так в вакуумметрической фазе периодического процесса на каждом зародыше (инородные включения, микропузырьки и т.д.) вода разрывается с образованием и последующим ростом кавитационных каверн (Фиг. 2). В манометрическую фазу внешнее давление, а так же механика поверхностного натяжения внутри каверны обуславливают встречное движение ее стенок со скоростью, превышающей две скорости звука, до соударения в финальной стадии коллапса (Фиг. 3).The presence of such a circumstance provides this heat generator with an additional resource - the creation of periodic cavitation. Thus, in the vacuum phase of the periodic process, at each embryo (foreign inclusions, microbubbles, etc.), water ruptures with the formation and subsequent growth of cavitation cavities (Fig. 2). In the manometric phase, external pressure, as well as the mechanics of surface tension inside the cavern, cause the counter-movement of its walls at a speed exceeding two speeds of sound, until collision in the final stage of collapse (Fig. 3).

В точке коллапса давление возрастает до 10 тысяч атмосфер, температура до 6000°, в этом случае происходит уплотнение энергии, а так же ее преобразование в различные формы магнитную, электрическую, электромагнитную, механическую глубоких деформаций, тепловую нагрева жидкостей и т.д.At the point of collapse, the pressure increases to 10 thousand atmospheres, the temperature to 6000°, in this case energy is compacted, as well as its transformation into various forms of magnetic, electrical, electromagnetic, mechanical deep deformations, thermal heating of liquids, etc.

Однако, преобразование ее форм и реализация значимых при этом физических эффектов реализуются только при определенной ее плотности. Уровень плотности энергии при коллапсе определяется размером конечного объема каверны в момент остановки встречно движущихся стенок (Фиг. 4)However, the transformation of its forms and the implementation of significant physical effects are realized only at a certain density. The level of energy density during collapse is determined by the size of the final volume of the cavern at the moment the counter-moving walls stop (Fig. 4)

где R1 - радиус кавитационной каверны в финальной стадии роста;where R 1 is the radius of the cavitation cavity in the final stage of growth;

R2 - радиус кавитационной каверны в финальной стадии коллапса;R 2 is the radius of the cavitation cavity in the final stage of collapse;

р1 - внешнее давление на кавитационную область;p 1 - external pressure on the cavitation area;

р2 - давление в кавитационной каверне в финальной стадии коллапса.p 2 - pressure in the cavitation cavity in the final stage of collapse.

Размеры конечного объема R2 определяется процессами испарения воды со стенок внутрь каверны и выделения в свободное состояние в полость каверны ранее растворенного в воде воздуха. Причем, процессы испарения и дегазации воды в значительной степени определяются температурой. То есть с ростом температуры используемой воды в фазу образования и роста кавитационной каверны имеет место интенсификация испарения воды внутрь каверны и активное поступление ранее растворенного воздуха из массива воды. В момент коллапса эти вещества создают объем препятствующий полному сокращению каверны, что снижает достигаемую плотность энергии (Фиг. 5), следовательно, снижает и эффективность процесса.The dimensions of the final volume R 2 are determined by the processes of evaporation of water from the walls into the cavity and the release of air previously dissolved in water into a free state into the cavern cavity. Moreover, the processes of evaporation and degassing of water are largely determined by temperature. That is, with an increase in the temperature of the water used in the phase of formation and growth of the cavitation cavern, there is an intensification of the evaporation of water into the cavern and an active intake of previously dissolved air from the body of water. At the moment of collapse, these substances create a volume that prevents complete contraction of the cavity, which reduces the achieved energy density (Fig. 5), and therefore reduces the efficiency of the process.

В итоге имеет место парадокс - теплогенератор предназначен для повышения температуры обрабатываемой воды - с одной стороны.As a result, a paradox occurs - the heat generator is designed to increase the temperature of the treated water - on the one hand.

Нагрев воды значительно снижает эффективность рабочего процесса теплогенератора (Фиг. 6) - с другой стороны. То есть налицо существует техническое противоречие.Heating water significantly reduces the efficiency of the heat generator's operating process (Fig. 6) - on the other hand. That is, there is a technical contradiction.

Таким образом, механизм кавитационного нагрева включает:Thus, the cavitation heating mechanism includes:

- создание в массиве воды звукового поля распространяющихся упругих волн;- creation of a sound field of propagating elastic waves in a body of water;

- образование в вакуумметрическую фазу прохождения каждой волны кавитационных каверн, которые при коллапсе уплотняют энергию до сверхвысоких значений;- formation of cavitation cavities during the vacuum phase of the passage of each wave, which during collapse compress energy to ultra-high values;

- высокая плотность энергии обеспечивает взаимные переходы ее форм и выработку энергии, изменения свойств воды и т.д.- high energy density ensures mutual transitions of its forms and energy production, changes in the properties of water, etc.

В итоге теплогенератор по патенту РФ №2045715 является простым макроинструментом для проникновения в наномир и проведения в наномасштабе полезных мероприятий. Рассматриваемое направление очень актуально, поскольку доступными недорогими средствами имеется возможность проникнуть в наномир и создавать, и развивать на этом уровне новые технологии. Следовательно, имеется смысл и необходимость развивать и совершенствовать технические средства, создающие периодическую кавитацию в жидкостях.As a result, the heat generator according to RF patent No. 2045715 is a simple macro-tool for penetrating into the nanoworld and carrying out useful activities on the nanoscale. The direction under consideration is very relevant, since with available inexpensive means it is possible to penetrate into the nanoworld and create and develop new technologies at this level. Consequently, there is a sense and necessity to develop and improve technical means that create periodic cavitation in liquids.

Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы теплогенератора путем введения системы охлаждения кавитационных областей, что позволит сократить конечные объемы схлопывающихся каверн и повысить плотность энергии при рабочем процессе.The purpose of the proposed technical solution is to increase the efficiency of the heat generator by introducing a cooling system for cavitation areas, which will reduce the final volumes of collapsing cavities and increase the energy density during the working process.

Для достижения поставленной цели в известном теплогенераторе, включающий насос, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, центральным отверстием сообщенным с цилиндрическим корпусом, содержащим тормозное устройство и отверстие с выходным патрубком, соединенным с выходным транзитным патрубком и с всасывающим патрубком насоса, напорный патрубок которого связан с тангенциальным входным патрубком циклона, циклон и цилиндрический корпус теплогенератора размещены в заполненной жидкостью теплообменной обойме, на поверхности которой расположены герметизированные отверстия для тангенциального входного патрубка циклона и выходного патрубка, а также входные и выходные отверстия для подсоединения дополнительной системы охлаждения, расположенной в теплообменной обоймеTo achieve this goal in a known heat generator, including a pump, a fluid accelerator, made in the form of a cyclone, with a central hole connected to a cylindrical body containing a brake device and an opening with an outlet pipe connected to the outlet transit pipe and to the suction pipe of the pump, the pressure pipe of which connected to the tangential inlet pipe of the cyclone, the cyclone and the cylindrical body of the heat generator are placed in a heat exchange ring filled with liquid, on the surface of which there are sealed holes for the tangential inlet pipe of the cyclone and the outlet pipe, as well as inlet and outlet holes for connecting an additional cooling system located in the heat exchange ring

При этом:Wherein:

- система охлаждения выполнена в виде теплового насоса, включающего теплообменник-испаритель, размещенный в теплообменной обойме, теплообменник-конденсатор, размещенный в выходном транзитном патрубке, вакуумный насос, дроссель, соединенные трубопроводами в замкнутый контур и заполненные хладагентом.- the cooling system is made in the form of a heat pump, including a heat exchanger-evaporator located in a heat exchange cage, a heat exchanger-condenser located in the outlet transit pipe, a vacuum pump, a throttle, connected by pipelines in a closed loop and filled with refrigerant.

- система охлаждения выполнена в виде теплового насоса, включающего теплообменники-испарители, первый из которых размещен в теплообменной обойме, а второй в выходном транзитном патрубке, и теплообменника-конденсатора, размещенного в дополнительном ответвлении выходного транзитного патрубка.- the cooling system is made in the form of a heat pump, including heat exchangers-evaporators, the first of which is located in the heat exchange ring, and the second in the output transit pipe, and a heat exchanger-condenser located in an additional branch of the output transit pipe.

- система охлаждения выполнена в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода, подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме.- the cooling system is made in the form of a pipeline for water supply and a drainage pipeline, connected, respectively, through the inlet and outlet openings in the heat exchange casing.

- система охлаждения выполнена в виде сосуда Дюара, выполненного с возможностью подвода через входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота.- the cooling system is made in the form of a Dewar vessel, configured to supply liquid nitrogen vapor through the inlet hole in the heat exchange chamber.

- система охлаждения выполнена в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме и в виде сосуда Дюара, выполненного с возможностью подвода через дополнительное входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота.- the cooling system is made in the form of a pipeline for supplying water and a drainage pipeline connected, respectively, through the inlet and outlet openings in the heat exchange chamber and in the form of a Dewar vessel, configured to supply liquid nitrogen vapor through an additional inlet opening in the heat exchange chamber.

- теплообменник-охладитель выполнен в виде спирального трубопровода, охватывающего цилиндрический корпус.- the heat exchanger-cooler is made in the form of a spiral pipeline covering a cylindrical body.

- входное и выходное отверстия разнесены диаметрально и по длине теплообменной обоймы, при этом выходное отверстие расположено выше входного.- the inlet and outlet openings are spaced diametrically and along the length of the heat exchange casing, with the outlet opening located above the inlet.

- на ответвлении выходного транзитного патрубка установлен вентиль.- a valve is installed on the branch of the outlet transit pipe.

Размещение циклона и цилиндрического корпуса кавитационного теплогенератора в заполненной жидкостью теплообменной обойме, обеспечивает охлаждение кавитационных зон, что дает возможность снижения испарения воды, сокращения выделения воздуха из воды внутрь образующихся кавитационных каверн. В результате при следующей фазе жизни каждой кавитационной каверны - коллапса, ее стенки останавливаются позже, по сравнению с исходным вариантом обуславливая меньший конечный объем, а значит и более высокую плотность энергии (большую величину давления), более высокую эффективность технологических процессов, в частности большее количество вырабатываемой тепловой энергии.Placing the cyclone and the cylindrical body of the cavitation heat generator in a liquid-filled heat exchange ring ensures cooling of the cavitation zones, which makes it possible to reduce water evaporation and reduce the release of air from the water into the resulting cavitation cavities. As a result, during the next phase of the life of each cavitation cavity - collapse, its walls stop later, compared with the original version, causing a smaller final volume, and therefore a higher energy density (higher pressure), higher efficiency of technological processes, in particular, a larger number of generated thermal energy.

Размещение на поверхности теплообменной обоймы герметизированных отверстий для тангенциального входного патрубка циклона и выходного патрубка обеспечивает возможность функционирования кавитационного теплогенератора на различных режимах рабочего процесса за счет подвода-отвода транзитного потока.Placing sealed holes on the surface of the heat exchange casing for the tangential inlet pipe of the cyclone and the outlet pipe makes it possible for the cavitation heat generator to operate in various operating modes due to the supply and removal of transit flow.

Наличие входных и выходных отверстий для подсоединения дополнительной системы охлаждения, расположенной в теплообменной обойме обеспечивает отвод тепла отобранного из кавитационной области циркулирующей жидкостью.The presence of inlet and outlet openings for connecting an additional cooling system located in the heat exchange casing ensures the removal of heat taken from the cavitation area by the circulating liquid.

Однако, в этом случае вырабатываемое тепло распределяется между транзитным потоком жидкости и охлаждающим потоком, проходящим через теплообменную обойму - то есть получается большее суммарное количество тепла (транзитный поток плюс дренажный), но низкотемпературного.However, in this case, the generated heat is distributed between the transit flow of liquid and the cooling flow passing through the heat exchange ring - that is, a larger total amount of heat is obtained (transit flow plus drainage), but at a low temperature.

Выполнение системы охлаждения в виде теплового насоса, включающего теплообменник-испаритель, размещенный в теплообменной обойме, теплообменник-конденсатор, размещенный в выходном транзитном патрубке, вакуумный насос, дроссель, соединенные трубопроводами в замкнутый контур и заполненные хладагентом обеспечивает, во-первых, дополнительный отбор тепла от циклона и цилиндрического корпуса. Во-вторых, передачу этого тепла выходному транзитному потоку, в результате чего получается и большее количество тепла, и с более высокой температурой, по сравнению с исходным вариантом.Making the cooling system in the form of a heat pump, including an evaporator heat exchanger located in a heat exchange cage, a condenser heat exchanger located in the outlet transit pipe, a vacuum pump, a throttle connected by pipelines in a closed loop and filled with refrigerant provides, firstly, additional heat extraction from the cyclone and the cylindrical body. Secondly, the transfer of this heat to the output transit flow, resulting in a larger amount of heat and a higher temperature compared to the original version.

Выполнение теплового насоса в виде теплообменников-испарителей, первый из которых размещен в теплообменной обойме, а второй, в выходном транзитном патрубке, и теплообменника-конденсатора в дополнительном ответвлении выходного транзитного патрубка обеспечивает отбор теплоты и от использованной охлаждающей воды, и от части нагретого транзитного потока и передачу суммы этих тепловых энергий для второй меньшей части нагретого транзитного потока. Рассмотренное мероприятие позволяет получить более горячую воду во втором ответвленном транзитном потоке, причем, с большей эффективностью, чем на малых расходах транзитного потока при традиционном рабочем процессе. Установка на ответвлении выходного транзитного патрубка вентиля позволяет производить регулировку и настраивать устройство на заданную температуру. Совокупность регулируемого второго патрубка с тепловым насосом, содержащим два теплообменника - испарителя и один теплообменник-конденсатор является тепловым трансформатором.Constructing a heat pump in the form of heat exchangers-evaporators, the first of which is located in the heat exchange ring, and the second, in the output transit pipe, and a heat exchanger-condenser in an additional branch of the output transit pipe ensures the selection of heat from both the used cooling water and part of the heated transit flow and transferring the sum of these thermal energies to a second smaller portion of the heated transit stream. The considered measure makes it possible to obtain hotter water in the second branch transit flow, and with greater efficiency than at low flow rates of the transit flow with a traditional working process. Installing a valve on a branch of the outlet transit pipe allows you to adjust and configure the device to a given temperature. The combination of an adjustable second pipe with a heat pump containing two heat exchangers - evaporator and one heat exchanger-condenser is a heat transformer.

Выполнение системы охлаждения в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода, подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме обеспечивает общее увеличение вырабатываемого тепла, однако его часть теряется безвозвратно, уходя с охлаждающим потоком в дренаж. Такое техническое решение уместно при использовании теплогенератора в виде кавитационных диспергатора, гомогенизатора, устройства для обработки воды и т.д. Кроме того, такой вариант использования является целесообразным при подогреве и одновременной кавитационной дезинфекции воды в плавательных бассейнах, где требуется большое количество низкотемпературного тепла. При этом охлаждение циклона и цилиндрического корпуса достигается более доступными и дешевыми средствами - только водопроводной водой. Причем, входное и выходное отверстия разнесены диаметрально и по длине теплообменной обоймы, что дает возможность омывать цилиндрический корпус охлаждающей водой на всей его длине. Расположение выходного отверстия выше входного обеспечивает отвод нагретой охлаждающей воды, поскольку ее плотность ниже и она собирается сверху.The implementation of the cooling system in the form of a pipeline for water supply and a drainage pipeline, connected, respectively, through the inlet and outlet openings in the heat exchange casing provides a general increase in the generated heat, but part of it is lost irretrievably, leaving with the cooling flow into the drainage. This technical solution is appropriate when using a heat generator in the form of a cavitation dispersant, homogenizer, water treatment device, etc. In addition, this use case is appropriate for heating and simultaneous cavitation disinfection of water in swimming pools, where a large amount of low-temperature heat is required. In this case, cooling of the cyclone and the cylindrical body is achieved by more accessible and cheaper means - only tap water. Moreover, the inlet and outlet openings are spaced diametrically and along the length of the heat exchange ring, which makes it possible to wash the cylindrical body with cooling water along its entire length. The location of the outlet above the inlet allows the heated cooling water to be removed, since its density is lower and it collects from above.

Выполнение системы охлаждения в виде сосуда Дюара, выполненного с возможностью подвода через входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота обеспечивает более глубокое охлаждение кавитационных зон (без замерзания воды), следовательно, и большую эффективность кавитационного процесса, поскольку в полость кавитационной каверны в этом случае выделяется минимальное количество пара и воздуха и достигаемая плотность энергии наивысшая. Однако, стоимость такого технического решения повышенная, вследствие необходимости постоянного наличия жидкого азота.The implementation of the cooling system in the form of a Dewar vessel, made with the possibility of supplying liquid nitrogen steam through the inlet hole in the heat exchange chamber, provides deeper cooling of the cavitation zones (without freezing of water), and therefore greater efficiency of the cavitation process, since in this case it is released into the cavity of the cavitation cavity the amount of steam and air is minimal and the energy density achieved is the highest. However, the cost of such a technical solution is increased due to the need for constant availability of liquid nitrogen.

Решение проблемы пополнения льда в теплообменной обойме может обеспечить выполнение системы охлаждения в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме и подведенного из сосуда Дюара через дополнительное входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота. При этом газообразные пары жидкого азота попадая в воду в необходимом количестве вызывают в ней образование льда, который за счет плавучести охлаждает наиболее нагретые в теплообменной обойме верхние слои охлаждающей воды. В этом случае достигается и необходимый эффект охлаждения, соответствующий «ледяному» варианту, и сокращается расход жидкого азота, по отношению к случаю с газообразным вариантом контакта с охлаждаемым объектом поскольку основной отбор тепла производится охлаждающей водой.A solution to the problem of replenishing ice in the heat exchange ring can be provided by implementing a cooling system in the form of a water supply pipeline and a drainage pipeline connected, respectively, through the inlet and outlet holes in the heat exchange ring and liquid nitrogen vapor supplied from the Dewar vessel through an additional inlet hole in the heat exchange ring. In this case, gaseous vapors of liquid nitrogen entering the water in the required quantity cause the formation of ice in it, which, due to buoyancy, cools the upper layers of cooling water that are most heated in the heat exchange ring. In this case, the necessary cooling effect corresponding to the “ice” option is achieved, and the consumption of liquid nitrogen is reduced, in comparison with the case with the gaseous option of contact with the cooled object, since the main heat is removed by cooling water.

Выполнение теплообменника охладителя в виде спирального трубопровода, охватывающего цилиндрический корпус обеспечивает более полный отбор теплоты от цилиндрического корпуса, за счет развитой охлаждаемой поверхности и более близкого и непосредственного контакта цилиндрического корпуса и хладагента.Making the cooler heat exchanger in the form of a spiral pipeline enclosing a cylindrical body ensures more complete heat removal from the cylindrical body due to the developed cooled surface and closer and more direct contact of the cylindrical body and the refrigerant.

Предполагаемое изобретение пояснено следующими иллюстрациями:The proposed invention is illustrated by the following illustrations:

Фиг. 1. Механизм звукообразования в циклоне кавитационного теплогенератора (диаметральный разрез циклона фиг. 9, А-А).Fig. 1. The mechanism of sound generation in the cyclone of a cavitation heat generator (diameter section of the cyclone Fig. 9, A-A).

Фиг. 2. Визуализация жизни и местонахождения кавитационных каверн.Fig. 2. Visualization of life and location of cavitation caverns.

Фиг. 3. Характер изменения размеров каверны во времени.Fig. 3. The nature of changes in cavity dimensions over time.

Фиг. 4. Схема коллапса кавитационной каверны при диффузии в ее объем воздуха и паров воды.Fig. 4. Diagram of the collapse of a cavitation cavern during the diffusion of air and water vapor into its volume.

Фиг. 5. Интерпретация результатов расчета давления (плотности энергии) в каверне в финальной стадии ее коллапса на разных температурах работы теплогенератора.Fig. 5. Interpretation of the results of calculating the pressure (energy density) in the cavern at the final stage of its collapse at different operating temperatures of the heat generator.

Фиг. 6. Тепловые характеристики исходного теплогенератора:Fig. 6. Thermal characteristics of the original heat generator:

а) температурная; b) тепловая.a) temperature; b) thermal.

Фиг. 7. Кавитационный теплогенератор, снабженный тепловым насосом.Fig. 7. Cavitation heat generator equipped with a heat pump.

Фиг. 8. Кавитационный теплогенератор, снабженный водопроводным охладителем.Fig. 8. Cavitation heat generator equipped with a water cooler.

Фиг. 9. Кавитационный теплогенератор с охлаждением парами жидкого азота.Fig. 9. Cavitation heat generator with cooling by liquid nitrogen vapor.

Фиг. 10. Кавитационный теплогенератор с комбинированной системой охлаждения - водопроводной водой и парами жидкого азота.Fig. 10. Cavitation heat generator with a combined cooling system - tap water and liquid nitrogen vapor.

Фиг. 11. Вариант кавитационного теплогенератора, снабженного дополнительным транзитным выходным патрубком и тепловым насосом с двумя испарителями, для получения повышенных температур выходного транзитного потока.Fig. 11. Option of a cavitation heat generator, equipped with an additional transit outlet pipe and a heat pump with two evaporators, to obtain increased temperatures of the output transit flow.

Фиг. 12. Кавитационный теплогенератор с трубчатым корпусом.Fig. 12. Cavitation heat generator with a tubular body.

Кавитационный теплогенератор, включает насос 1, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона 2, центральным отверстием 3 сообщенного с цилиндрическим корпусом 4, содержащим тормозное устройство 5 (Фиг. 8) и отверстие 6 (Фиг. 8) с выходным патрубком 7, соединенным с выходным транзитным патрубком 8 и возвратным трубопроводом 9 с всасывающим патрубком 10 насоса 1, напорный патрубок 11 которого связан с тангенциальным входным патрубком 12 (Фиг. 1) циклона 2, всасывающий патрубок 10 насоса 1 снабжен входным транзитным патрубком13, циклон 2 и цилиндрический корпус 4 теплогенератора размещены в теплообменной обойме 14, на поверхности которой расположены герметизированные отверстия 15,16 для тангенциального входного патрубка циклона 12, выходного патрубка 7, входное 17 и выходное 18 для подвода и отвода охлаждающей жидкости (Фиг. 8), а так же для подсоединения системы охлаждения 19, 20 в виде теплового насоса, включающего теплообменник - испаритель 21, размещенный в теплообменной обойме 14, теплообменник-конденсатор 22, размещенный в выходном транзитном патрубке 8, вакуумный насос 23, дроссель 24, соединенные трубопроводами 25 в замкнутый контур и заполненные хладагентом (Фиг. 7).The cavitation heat generator includes a pump 1, a fluid accelerator made in the form of a cyclone 2, with a central hole 3 connected to a cylindrical body 4 containing a braking device 5 (Fig. 8) and hole 6 (Fig. 8) with an outlet pipe 7 connected to an output transit pipe 8 and a return pipeline 9 with a suction pipe 10 of pump 1, the pressure pipe 11 of which is connected to the tangential inlet pipe 12 (Fig. 1) of the cyclone 2, the suction pipe 10 of pump 1 is equipped with an inlet transit pipe 13, the cyclone 2 and the cylindrical body 4 of the heat generator placed in a heat exchanger 14, on the surface of which there are sealed holes 15, 16 for the tangential inlet pipe of the cyclone 12, outlet pipe 7, inlet 17 and outlet 18 for supplying and discharging coolant (Fig. 8), as well as for connecting the cooling system 19, 20 in the form of a heat pump, including a heat exchanger - evaporator 21, located in a heat exchange ring 14, a heat exchanger-condenser 22, located in the outlet transit pipe 8, a vacuum pump 23, a throttle 24, connected by pipelines 25 in a closed loop and filled with refrigerant (Fig. . 7).

Для функционального варианта устройства с охлаждением парами жидкого азота к входному отверстию 17 (Фиг. 9) подключен сосуд Дюара 27 с жидким азотом. В обойме 14 находятся низкотемпературные пары жидкого азота 28, подведенного через трубопровод 29.For a functional version of the device with cooling by liquid nitrogen vapor, a Dewar vessel 27 with liquid nitrogen is connected to the inlet 17 (Fig. 9). In the holder 14 there are low-temperature vapors of liquid nitrogen 28, supplied through pipeline 29.

Для функционального варианта устройства с охлаждением парами жидкого азота в сочетании с водой (Фиг. 10) трубка 29 для подачи паров азота заглублена под уровень воды 33 в теплообменной обойме 14.For a functional version of the device with cooling by liquid nitrogen vapor in combination with water (Fig. 10), tube 29 for supplying nitrogen vapor is buried under the water level 33 in the heat exchange ring 14.

Для получения повышенных температур исходная схема (Фиг. 7) кавитационного теплогенератора с тепловым насосом снабжена:To obtain elevated temperatures, the initial circuit (Fig. 7) of a cavitation heat generator with a heat pump is equipped with:

- дополнительным выходным патрубком 36 в сочетании с регулирующим вентилем 37;- additional outlet pipe 36 in combination with control valve 37;

- дополнительным теплообменником 38, выполняющим функцию конденсатора-нагревателя.- additional heat exchanger 38, performing the function of a condenser-heater.

Теплообменники 21 и 22 исходной схемы (Фиг. 7) в новом варианте использования выполняют функцию испарителей-охладителей, следовательно, схема подключения дросселя 24, вакуумнасоса 23 предполагает отбор теплоты этими теплообменниками (21,22) от воды в цилиндрическом корпусе 4 и от воды в выходном патрубке 8 и передачу этой теплоты к воде уже нагретой в кавитационном теплогенераторе конденсатором-нагревателем 38.Heat exchangers 21 and 22 of the original circuit (Fig. 7) in the new version of use perform the function of evaporator-coolers, therefore, the connection diagram of the throttle 24, vacuum pump 23 involves the selection of heat by these heat exchangers (21,22) from the water in the cylindrical body 4 and from the water in outlet pipe 8 and transfer of this heat to water already heated in the cavitation heat generator by condenser-heater 38.

Для повышения эффективности рабочего процесса кавитационного теплогенератора за счет повышения теплопередачи от нагретой воды из цилиндрического корпуса к охлаждающей жидкости цилиндрический корпус (в исходной конструкции позиция 4) выполняется в виде навивки 40 из труб (различной конфигурации в поперечном сечении).To increase the efficiency of the cavitation heat generator's working process by increasing heat transfer from heated water from the cylindrical body to the coolant, the cylindrical body (position 4 in the original design) is made in the form of a coil 40 of pipes (of various configurations in cross section).

Работает рассматриваемый кавитационный теплогенератор следующим образом.The cavitation heat generator under consideration operates as follows.

Вариант с системой охлаждения в виде теплового насоса (Фиг. 7).Option with a cooling system in the form of a heat pump (Fig. 7).

Перед началом работы рабочее пространство кавитационного теплогенератора заполняется водой через входной транзитный патрубок 13. Внутренний объем теплообменной обоймы 14 заполняется охлаждающей жидкость, например водой, через отверстия или 19, или 20. Контур теплового насоса, включающий вакуумный насос 23, теплообменник-конденсатор 22, дроссель 24, теплообменник-испаритель 21 заполняется легкокипящей жидкостью, например фреоном.Before starting work, the working space of the cavitation heat generator is filled with water through the inlet transit pipe 13. The internal volume of the heat exchange ring 14 is filled with coolant, for example water, through holes either 19 or 20. The heat pump circuit, including a vacuum pump 23, a heat exchanger-condenser 22, a throttle 24, heat exchanger-evaporator 21 is filled with a low-boiling liquid, for example freon.

При запуске насоса 1 вода циркулирует по малому циркуляционному контуру: насос 1 - циклон 2 - цилиндрический корпус 4 - возвратный трубопровод 9. При этом в циклоне 2 (Фиг. 1) за счет взаимодействия конкурирующих пересекающихся потоков (входного тангенциального и окружного) создаются периодические зоны уплотнения, которые образуют волновые фронты, распространяющиеся от источника их образования.When pump 1 is started, water circulates through a small circulation circuit: pump 1 - cyclone 2 - cylindrical body 4 - return pipeline 9. At the same time, periodic zones are created in cyclone 2 (Fig. 1) due to the interaction of competing intersecting flows (input tangential and circumferential) compactions that form wave fronts propagating from the source of their formation.

Другим источником звукообразования является пространство, занимаемое тормозным устройством 5 (Фиг. 8), где также возникает периодическая кавитация. Механизм звукообразования в этом случае состоит в следующем - вращающаяся жидкость из циклона 2 попадает в цилиндрический корпус 4, по которому в виде вихревого течения движется к выходному отверстию 6 и далее в выходной патрубок 7. За счет вихревой составляющей течения происходит взаимодействие жидкости с консольными пластинами тормозного устройства 5, которые совершают колебательные движения с частотой определяемой их жесткостью и их геометрическими параметрами. Эти пластины также становятся источниками звукообразования.Another source of sound generation is the space occupied by the braking device 5 (Fig. 8), where periodic cavitation also occurs. The sound generation mechanism in this case is as follows - the rotating liquid from the cyclone 2 enters the cylindrical body 4, through which it moves in the form of a vortex flow to the outlet 6 and then into the outlet pipe 7. Due to the vortex component of the flow, the liquid interacts with the console plates of the brake devices 5 that perform oscillatory movements with a frequency determined by their rigidity and their geometric parameters. These plates also become sources of sound production.

Кроме того, середина цилиндрического корпуса 4 также является источником звукообразования поскольку звуковые фронты в цилиндрическом корпусе 4 от его краев движутся навстречу друг другу. При совпадении длин волн, частот звуковых фронтов и при условии равенства длины цилиндрического корпуса 4 половине длины волн образуется стоячая волна с пучностью в середине цилиндрического корпуса 4.In addition, the middle of the cylindrical body 4 is also a source of sound generation, since the sound fronts in the cylindrical body 4 from its edges move towards each other. When the wavelengths and frequencies of the sound fronts coincide and the length of the cylindrical body 4 is equal to half the wavelength, a standing wave is formed with an antinode in the middle of the cylindrical body 4.

При прохождении вакуумметрической фазы каждой волны через зародыши в воде она разрывается с последующим образованием и ростом каверн. В манометрическую фазу проходящей волны эти каверны схлопываются (Фиг. 4) со скоростью встречного движения стенок превышающей две скорости звука в жидкости. В момент коллапса происходит уплотнение энергии до сверхвысоких значений, что обуславливает высокоэффективный нагрев воды. Однако, нагрев воды препятствует полноценному развитию процесса за счет интенсивного испарения воды и дегазации воздуха внутри каждой каверны (Фиг. 4).As the vacuum phase of each wave passes through the nuclei in water, it breaks with the subsequent formation and growth of cavities. In the manometric phase of the passing wave, these cavities collapse (Fig. 4) with a speed of counter-movement of the walls exceeding two speeds of sound in the liquid. At the moment of collapse, energy is compressed to ultra-high values, which causes highly efficient heating of water. However, heating the water prevents the full development of the process due to intense evaporation of water and degassing of air inside each cavern (Fig. 4).

Для снижения отрицательных сопутствующих процессов испарения и дегазации включается система охлаждения путем запуска вакуумнасоса 23. Он перекачивает легкокипящую жидкость в теплообменник 22, в котором за счет высокого давления, создаваемым им перед дросселем 24, как местным сопротивлением, газ сжимается, превращаясь в жидкость. Переход хладагента в жидкое агрегатное состояние сопровождается выделением тепла, которое дает дополнительный нагрев уже нагретой в кавитационном теплогенераторе и выходящей через выходной транзитный патрубок 8 воды.To reduce the negative accompanying processes of evaporation and degassing, the cooling system is turned on by starting the vacuum pump 23. It pumps the low-boiling liquid into the heat exchanger 22, in which, due to the high pressure it creates in front of the throttle 24, as a local resistance, the gas is compressed, turning into a liquid. The transition of the refrigerant into a liquid aggregate state is accompanied by the release of heat, which provides additional heating of the water already heated in the cavitation heat generator and exiting through the outlet transit pipe 8.

Далее после прохождения дросселя 24 легкокипящая жидкость за счет уменьшения давления переходит вновь в газообразное состояние с поглощением теплоты, которая отбирается через теплообменник 21 от цилиндрического корпуса 4 через воду 33 (Фиг. 10), заполняющую теплообменную обойму.Then, after passing through the throttle 24, the low-boiling liquid, due to a decrease in pressure, goes back into a gaseous state with the absorption of heat, which is taken through the heat exchanger 21 from the cylindrical body 4 through water 33 (Fig. 10), filling the heat exchange cage.

В итоге, в рассматриваемой конструкции кавитационного теплогенератора происходит отбор теплоты от циклона 2 и цилиндрического корпуса 4, что улучшает условия протекания кавитационного процесса и повышает его эффективность. С другой стороны, отобранное тепло от проблемных частей циклона 2 и цилиндрического корпуса 4 суммируется с тепловым потоком из внутреннего объема кавитационного теплогенератора. При этом суммарный объем вырабатываемого тепла превышает количество вырабатываемого тепла исходного варианта (прототипа).As a result, in the design of the cavitation heat generator under consideration, heat is removed from the cyclone 2 and the cylindrical body 4, which improves the conditions for the cavitation process and increases its efficiency. On the other hand, the selected heat from the problem parts of the cyclone 2 and the cylindrical body 4 is added to the heat flow from the internal volume of the cavitation heat generator. In this case, the total volume of generated heat exceeds the amount of generated heat of the original version (prototype).

Вариант с системой охлаждения в виде проточной водопроводной воды (Фиг. 8) аналогично вышеприведенному случаю перед началом работы заполняют водой, как внутреннюю рабочую полость контура: насос 1 -циклон 2 - цилиндрический корпус 4 - возвратный трубопровод 9 через входной транзитный патрубок 13, так и теплообменную обойму 14 через входной патрубок 17.An option with a cooling system in the form of running tap water (Fig. 8), similar to the above case, before starting work, fill with water both the internal working cavity of the circuit: pump 1 - cyclone 2 - cylindrical body 4 - return pipeline 9 through the inlet transit pipe 13, and heat exchange ring 14 through the inlet pipe 17.

При запуске насоса 1 сам кавитационный теплогенератор работает в штатном режиме - в циклоне создается звуковое поле, порождающее периодическую кавитацию; в пространстве, занимаемом тормозным устройством 5, также возникает периодическая кавитация; в середине цилиндрического корпуса за счет созданной стоячей волны - то же имеет место периодическая кавитация. Периодическая кавитация в указанных зонах приводит к уплотнению энергии в локальных точках до сверхвысоких значений и тем самым к высокоэффективному нагреву воды. Для сохранения эффективности кавитационного процесса путем снижения испарения и дегазации внутрь кавитационных каверн вода в циркуляционном контуре охлаждается контактным способом через стенки циклона 2 и цилиндрического корпуса 4, заключенных в теплообменную обойму 14 с охлаждаемой водой. Водообмен для должного охлаждения производится через входной 17 и выходной 18 патрубки с расходом When pump 1 is started, the cavitation heat generator itself operates in normal mode - a sound field is created in the cyclone, generating periodic cavitation; in the space occupied by the braking device 5, periodic cavitation also occurs; in the middle of the cylindrical body due to the created standing wave - periodic cavitation also occurs. Periodic cavitation in these zones leads to the compaction of energy at local points to ultra-high values and thereby to highly efficient heating of water. To maintain the efficiency of the cavitation process by reducing evaporation and degassing inside the cavitation caverns, the water in the circulation circuit is cooled by contact through the walls of the cyclone 2 and the cylindrical body 4, enclosed in a heat exchange ring 14 with cooled water. Water exchange for proper cooling is carried out through the inlet 17 and outlet 18 pipes with a flow rate

Рекомендуемое применение рассматриваемой схемы охлаждения -получение большого количества низкотемпературного тепла путем дополнительной его утилизации из охлаждающей жидкости, например, для нагрева воды в плавательных бассейнах. В этом случае суммарное количество тепла так же, как и на фиг. 7 превышает вырабатываемое тепло исходной конструкции.The recommended application of the cooling scheme under consideration is to obtain a large amount of low-temperature heat by additionally recycling it from the coolant, for example, to heat water in swimming pools. In this case, the total amount of heat is the same as in Fig. 7 exceeds the heat generated by the original design.

Вариант с охлаждением парами жидкого азота (Фиг. 9) отличается от вышерассмотренных случаев тем, что в качестве охлаждающего материала используются пары жидкого азота с необходимым расходом The option with cooling with liquid nitrogen vapor (Fig. 9) differs from the above cases in that liquid nitrogen vapor with the required flow rate is used as a cooling material

Пары жидкого азота из сосуда Дюара 27 поступают через патрубок 17 в теплообменную обойму 4, отнимают теплоту от циклона 2 и цилиндрического корпуса 4 и далее удаляются в атмосферу через патрубок 18. Степень охлаждения регулируется расходом паров азота путем дроселирования на патрубках 17 или 18 (на фиг. 9 не показаны).Liquid nitrogen vapor from the Dewar vessel 27 enters through pipe 17 into the heat exchange chamber 4, removes heat from the cyclone 2 and the cylindrical body 4 and is then removed into the atmosphere through pipe 18. The degree of cooling is regulated by the flow rate of nitrogen vapor by throttling on pipes 17 or 18 (in Fig. 9 not shown).

Данная схема охлаждения проста по конструкции, однако в ней отводимое тепло теряется за счет того, что уносится вместе с охлаждающим материалом. Она может быть использована при выполнении технологических операций (диспергация, гомогенизация, опреснение и т.д.), при которых выработка тепла не актуальна, а главное необходимо получить искомый продукт требуемого качества.This cooling scheme is simple in design, but in it the heat removed is lost due to the fact that it is carried away along with the cooling material. It can be used when performing technological operations (dispersion, homogenization, desalination, etc.), in which heat generation is not relevant, and most importantly, it is necessary to obtain the desired product of the required quality.

Газообразный охладитель является более подвижной субстанцией, что позволяет производить более надежное охлаждение наиболее активных зон кавитации. Однако стоимость жидкого азота составляет немалую цену и поэтому рассматриваемый вариант охлаждения может применяться в особо ответственных случаях.The gaseous coolant is a more mobile substance, which allows for more reliable cooling of the most active cavitation zones. However, the cost of liquid nitrogen is considerable and therefore the cooling option under consideration can be used in especially critical cases.

Вариант с комбинированной системой охлаждения - водопроводной водой и парами жидкого азота (Фиг. 10) сочетает продолжительную непрерывность процесса охлаждения и экономичный расход жидкого азота. В этом случае выходной конец шланга 29, подающего пары жидкого азота из сосуда Дюара 27в теплообменную обойму 14 заглубляется под уровень жидкости (воды) 33. Непрерывное истечение паров жидкого азота в воду 33 обеспечивает, во-первых, непосредственное охлаждение воды контактным способом, во-вторых, образование кусочков льда. Благодаря промежуточной стадии между жидким азотом и охлаждаемым объектом -образование льда, температура охлаждающей жидкости постоянна и соответствует t=0°, что обуславливает постоянство условий протекания кавитационного процесса. С другой стороны исключается процедура периодической загрузки льда 30 в теплообменную обойму 14 в течение продолжительного времени, что позволяет автоматизировать технологические процессы на этой основе. Периодическая замена воды может осуществляться через патрубки 17, 18.The option with a combined cooling system - tap water and liquid nitrogen vapor (Fig. 10) combines long-term continuity of the cooling process and economical consumption of liquid nitrogen. In this case, the output end of the hose 29 supplying liquid nitrogen vapor from the Dewar vessel 27 to the heat exchanger 14 is buried under the level of liquid (water) 33. The continuous flow of liquid nitrogen vapor into water 33 provides, firstly, direct cooling of the water by contact method, secondly secondly, the formation of pieces of ice. Due to the intermediate stage between liquid nitrogen and the cooled object - ice formation, the temperature of the coolant is constant and corresponds to t = 0°, which determines the constancy of the conditions for the cavitation process. On the other hand, the procedure for periodically loading ice 30 into the heat exchanger 14 for a long time is eliminated, which makes it possible to automate technological processes on this basis. Periodic replacement of water can be carried out through pipes 17, 18.

Вариант кавитационного теплогенератора, снабженного дополнительным транзитным выходным патрубком и тепловым насосом с двумя теплообменниками-испарителями (Фиг. 11), для получения повышенных температур выходного транзитного потока работает следующим образом. Сам кавитационный теплогенератор работает аналогично кавитационным теплогенераторам, рассмотренных в вышеизложенных вариантах, а именно вода под действием насоса 1 совершает движение по циркуляционному контуру: насос 1 - циклон 2 - цилиндрический корпус 4 - возвратный трубопровод 9. Проходя зоны периодической кавитации: в циклоне 2, в тормозном устройстве 5, в средней части цилиндрического корпуса 4 вода нагревается до благоприятной температуры t=30°-40°. В этом случае имеет место минимальные испарения и дегазация внутрь периодически образующихся и схлопывающихся кавитационных каверн. Для отбора произведенного тепла вместе с водой из кавитационного теплогенератора через выходной транзитный патрубок 8 производится сток воды, а для компенсации отобранной воды предусмотрено ее пополнение через входной транзитный патрубок 13. При этом выходной транзитный патрубок 8 имеет ответвление 36, через которое отделяется часть q3 от выходного транзитного потока Соотношение между частями q3 и регулируется вентилем 37.A variant of a cavitation heat generator, equipped with an additional transit outlet pipe and a heat pump with two evaporator heat exchangers (Fig. 11), to obtain elevated temperatures of the output transit flow works as follows. The cavitation heat generator itself operates similarly to the cavitation heat generators discussed in the above options, namely, water under the action of pump 1 moves along the circulation circuit: pump 1 - cyclone 2 - cylindrical body 4 - return pipeline 9. Passing zones of periodic cavitation: in cyclone 2, in brake device 5, in the middle part of the cylindrical body 4, the water is heated to a favorable temperature t=30°-40°. In this case, there is minimal evaporation and degassing into periodically formed and collapsing cavitation cavities. To select the produced heat along with water from the cavitation heat generator, water is drained through the output transit pipe 8, and to compensate for the selected water, it is replenished through the inlet transit pipe 13. In this case, the output transit pipe 8 has a branch 36, through which part q 3 is separated from output transit flow The relationship between parts q 3 and regulated by valve 37.

Охлаждающая система включает вакуум-насос 23, теплообменник-конденсатор 38, дроссель 24 и параллельно подключенные теплообменники-испарители 21 и 22. Вакуум-насос 23 получает газообразный хладагент от теплообменников-испарителей 21, 22 и нагнетает его в теплообменник-конденсатор 38, размещенный в дополнительном выходном транзитном патрубке 36. За счет сопротивления потоку хладагента от дросселя 24 и за счет нагнетания вакуум-насосом 23 давление в теплообменнике-конденсаторе 38 возрастает и газообразный хладагент переходит в жидкое агрегатное состояние, что сопровождается выделением тепла, которое дополнительно передается уже нагретой в кавитационном теплогенераторе части q3 выходного транзитного потока The cooling system includes a vacuum pump 23, a heat exchanger-condenser 38, a throttle 24 and parallel-connected heat exchangers-evaporators 21 and 22. The vacuum pump 23 receives gaseous refrigerant from the heat exchangers-evaporators 21, 22 and pumps it into the heat exchanger-condenser 38, located in additional outlet transit pipe 36. Due to the resistance to the flow of refrigerant from the throttle 24 and due to the injection by the vacuum pump 23, the pressure in the heat exchanger-condenser 38 increases and the gaseous refrigerant passes into a liquid aggregate state, which is accompanied by the release of heat, which is additionally transferred to the already heated in cavitation heat generator part q 3 of the output transit flow

Расход хладагента через теплообменник-конденсатор 38 превышает каждый из расходов теплообменников-испарителей 21 и 22, следовательно, через теплообменник-конденсатор 38 доставляется больше тепловой энергии, чем отбирается через каждый из теплообменников-испарителей 21, 22 и поток q3 нагревается до температуры t3, превышающий температуру t2 потока из кавитационного теплогенератора.The refrigerant flow through the heat exchanger-condenser 38 exceeds each of the flow rates of the heat exchangers-evaporators 21 and 22, therefore, more thermal energy is delivered through the heat exchanger-condenser 38 than is taken through each of the heat exchangers-evaporators 21, 22 and the flow q 3 is heated to a temperature t 3 , exceeding the temperature t 2 of the flow from the cavitation heat generator.

Таким образом, увеличение числа теплообменников-испарителей и размещение их в нескольких горячих очагах, в теплообменной обойме 14 и в выходном транзитном патрубке 8 обеспечивает больший объем отбираемого тепла, которое затем передается меньшей части выходного транзитного потока q3. В этом случае тепловой насос в сочетании с вентилем 37 работает, как тепловой трансформатор. Он собирает тепловую энергию, как от процесса охлаждения из теплообменной обоймы, так и от одной из частей q2 выходного транзитного (полезного) потока и передает ее другой части q3 выходного транзитного (так же полезного) потока. Чем меньше величина q3 тем выше ее температура t3. Величина коэффициента трансформации определяется степенью закрытия вентиля 37.Thus, increasing the number of heat exchangers-evaporators and placing them in several hot spots, in the heat exchange ring 14 and in the output transit pipe 8 provides a larger volume of extracted heat, which is then transferred to a smaller part of the output transit flow q 3 . In this case, the heat pump in combination with valve 37 acts as a heat transformer. It collects thermal energy both from the cooling process from the heat exchange casing and from one of the parts q 2 of the output transit (useful) flow and transfers it to another part q 3 of the output transit (also useful) flow. The smaller the value of q 3 , the higher its temperature t 3 . The value of the transformation ratio is determined by the degree of closure of valve 37.

В итоге величина температуры t3 достигается:As a result, the temperature t 3 is achieved:

Во-первых, временем нахождения каждой частички воды внутри кавитационного теплогенератора, то есть расходом В этом случае каждая частичка воды внутри кавитационного теплогенератора с уменьшением совершает увеличенное число циклов прохождения кавитационных зон (поскольку уменьшается кратность водообмена) и в большей степени подвергается кавитационному воздействию, следовательно, способствует большему выделению тепловой энергии (с учетом охлаждения). Значительная часть произведенного тепла при этом отбирается системой охлаждения.Firstly, the residence time of each particle of water inside the cavitation heat generator, that is, the flow rate In this case, each particle of water inside the cavitation heat generator decreases performs an increased number of cycles through cavitation zones (since the rate of water exchange decreases) and is more exposed to cavitation effects, therefore, contributing to a greater release of thermal energy (taking into account cooling). A significant portion of the generated heat is removed by the cooling system.

Во-вторых, из большего объема произведенной тепловой энергии, а также за счет увеличения ее донорной части вентилем 37, до больших температур t3 нагревается потребительский расход q3 вследствие функционирования теплового насоса.Secondly, from the larger volume of produced thermal energy, as well as by increasing its donor part by valve 37, the consumer flow rate q 3 is heated to higher temperatures t 3 due to the functioning of the heat pump.

Кавитационный теплогенератор с трубчатым корпусом (Фиг. 12), образованным спиральной навивкой полых труб вокруг цилиндрической поверхности. Работа этого охладителя аналогична рабочему процессу, изображенному на фиг. 7. Вакуум-насос 23 нагнетает хладагент в теплообменник - конденсатор 22, в котором происходит конденсация газообразного хладагента с передачей тепла выходному потоку Конденсация происходит за счет повышения давления в теплообменнике-конденсаторе 22, обусловленная гидравлическим сопротивлением, создаваемым дросселем 24. После дросселя 24 в витках корпуса 40 давление падает, хладагент (легкокипящая жидкость) вновь переходит в газообразное состояние с понижением температуры и отбором тепловой энергии от рабочей жидкости, находящейся внутри корпуса 40 кавитационного теплогенератора.Cavitation heat generator with a tubular body (Fig. 12), formed by spiral winding of hollow pipes around a cylindrical surface. The operation of this cooler is similar to the workflow shown in FIG. 7. Vacuum pump 23 pumps refrigerant into the heat exchanger - condenser 22, in which condensation of gaseous refrigerant occurs with heat transfer to the output flow Condensation occurs due to an increase in pressure in the heat exchanger-condenser 22, due to the hydraulic resistance created by the throttle 24. After the throttle 24 in the turns of the housing 40, the pressure drops, the refrigerant (low-boiling liquid) again goes into a gaseous state with a decrease in temperature and the extraction of thermal energy from the working fluid , located inside the housing 40 of the cavitation heat generator.

Такая трубчатая конструкция стенок корпуса 40 характеризуется более упорядоченным потоком и более продолжительным контактом каждой из частичек хладагента с охлаждаемой внутри кавитационного теплогенератора жидкостью.This tubular design of the walls of the housing 40 is characterized by a more ordered flow and longer contact of each of the refrigerant particles with the liquid cooled inside the cavitation heat generator.

Вышеперечисленные обстоятельства в развитии конструкции кавитационного теплогенератора обуславливают следующие возможные направления его использования:The above circumstances in the development of the cavitation heat generator design determine the following possible directions for its use:

эффективное применение кавитационного теплогенератора для выполнения различных иных технологических операций (диспергирование, гомогенизация, опреснение) при использовании системы охлаждения только для отбора тепла - охлаждение проточной водой, охлаждение льдом, охлаждение парами жидкого азота и т.д.;effective use of a cavitation heat generator to perform various other technological operations (dispersion, homogenization, desalination) when using a cooling system only for heat extraction - cooling with running water, cooling with ice, cooling with liquid nitrogen vapor, etc.;

высокоэффективное получение тепловой энергии с полезным использованием отобранной при охлаждении тепловой энергии для дополнительного нагрева выходного транзитного потока путем применения в системе охлаждения теплового насоса;highly efficient production of thermal energy with the beneficial use of thermal energy selected during cooling for additional heating of the output transit flow by using a heat pump in the cooling system;

- эффективное получение высоко нагретого выходного транзитного потока путем утилизации отобранной при охлаждении тепловой энергии в выходной транзитный поток, а так же развитием теплового насоса в тепловой трансформатор.- effective production of a highly heated output transit flow by recycling the thermal energy selected during cooling into the output transit flow, as well as by developing a heat pump into a heat transformer.

Причем, получение тепловой энергии (второе и третье из вышеперечисленных направлений) сопровождается общим увеличением производимого тепла по сравнению с использованием прототипа.Moreover, the production of thermal energy (the second and third of the above directions) is accompanied by a general increase in the heat produced compared to the use of the prototype.

Таким образом, в результате введения системы охлаждения вокруг кавитационных областей повышается эффективность работы кавитационного теплогенератора за счет того что, при снижении температуры в кавитационной области снижается диффузия растворенного в воде воздуха и паров воды внутрь растущих каверн. Поэтому в последующей фазе жизни каждой каверны - коллапса, ее объем уменьшается до меньших размеров, что повышает плотность энергии (давление, температуру), увеличивает градиент напряжений, глубину деформации в массиве воды и приводит к повышению выработки тепла. При этом проведение рассматриваемого мероприятия позволяет расширить диапазон получаемых температур и варианты использования кавитационного теплогенератораThus, as a result of introducing a cooling system around the cavitation areas, the efficiency of the cavitation heat generator increases due to the fact that, as the temperature in the cavitation area decreases, the diffusion of air dissolved in water and water vapor into the growing cavities decreases. Therefore, in the subsequent phase of the life of each cavity - collapse, its volume decreases to smaller sizes, which increases the energy density (pressure, temperature), increases the stress gradient, the depth of deformation in the body of water and leads to increased heat production. At the same time, carrying out the event under consideration allows us to expand the range of temperatures obtained and options for using a cavitation heat generator

Появление предлагаемых технических решений обуславливает актуальность дальнейшего развития кавитационных технологий, расширяет их возможности, а так же делает осуществимыми те процессы, которые ранее были невозможными.The emergence of the proposed technical solutions determines the relevance of the further development of cavitation technologies, expands their capabilities, and also makes feasible those processes that were previously impossible.

Claims (9)

1. Кавитационный теплогенератор, включающий насос, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, центральным отверстием сообщенного с цилиндрическим корпусом, содержащим тормозное устройство и отверстие с выходным патрубком, соединенным с выходным транзитным патрубком и с всасывающим патрубком насоса, напорный патрубок которого связан с тангенциальным входным патрубком циклона, отличающийся тем, что циклон и цилиндрический корпус теплогенератора размещены в заполненной жидкостью теплообменной обойме, на поверхности которой расположены герметизированные отверстия для тангенциального входного патрубка циклона и выходного патрубка, а также входные и выходные отверстия для подсоединения дополнительной системы охлаждения, расположенной в теплообменной обойме.1. Cavitation heat generator, including a pump, a fluid accelerator, made in the form of a cyclone, with a central hole connected to a cylindrical body containing a braking device and an opening with an outlet pipe connected to the outlet transit pipe and to the suction pipe of the pump, the pressure pipe of which is connected to the tangential cyclone inlet pipe, characterized in that the cyclone and the cylindrical body of the heat generator are placed in a liquid-filled heat exchange chamber, on the surface of which there are sealed holes for the tangential inlet pipe of the cyclone and the outlet pipe, as well as inlet and outlet holes for connecting an additional cooling system located in the heat exchange chamber clip. 2. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде теплового насоса, включающего теплообменник-испаритель, размещенный в теплообменной обойме, теплообменник-конденсатор, размещенный в выходном транзитном патрубке, вакуумный насос, дроссель, соединенные трубопроводами в замкнутый контур и заполненные хладагентом.2. Cavitation heat generator according to claim 1, characterized in that the cooling system is made in the form of a heat pump, including an evaporator heat exchanger located in a heat exchange cage, a condenser heat exchanger located in the outlet transit pipe, a vacuum pump, a throttle connected by pipelines in a closed circuit and filled with refrigerant. 3. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде теплового насоса, включающего теплообменники-испарители, первый из которых размещен в теплообменной обойме, а второй в выходном транзитном патрубке, и теплообменника-конденсатора, размещенного в дополнительном ответвлении выходного транзитного патрубка.3. Cavitation heat generator according to claim 1, characterized in that the cooling system is made in the form of a heat pump, including heat exchangers-evaporators, the first of which is located in the heat exchange ring, and the second in the outlet transit pipe, and a heat exchanger-condenser located in an additional branch output transit pipe. 4. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода, подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме.4. Cavitation heat generator according to claim 1, characterized in that the cooling system is made in the form of a water supply pipeline and a drainage pipeline, connected, respectively, through the inlet and outlet holes in the heat exchange casing. 5. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде сосуда Дюара, выполненного с возможностью подвода через входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота.5. Cavitation heat generator according to claim 1, characterized in that the cooling system is made in the form of a Dewar vessel, configured to supply liquid nitrogen vapor through the inlet hole in the heat exchange chamber. 6. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде трубопровода для подачи воды и дренажного трубопровода подсоединенных, соответственно, через входные и выходные отверстия в теплообменной обойме и в виде сосуда Дюара, выполненного с возможностью подвода через дополнительное входное отверстие в теплообменной обойме пара жидкого азота.6. Cavitation heat generator according to claim 1, characterized in that the cooling system is made in the form of a water supply pipeline and a drainage pipeline connected, respectively, through the inlet and outlet openings in the heat exchange casing and in the form of a Dewar vessel, made with the possibility of supply through an additional inlet hole in the liquid nitrogen vapor heat exchanger. 7. Кавитационный теплогенератор по п. 2, отличающийся тем, что теплообменник-испаритель выполнен в виде спирального трубопровода, охватывающего цилиндрический корпус.7. Cavitation heat generator according to claim 2, characterized in that the heat exchanger-evaporator is made in the form of a spiral pipeline covering a cylindrical body. 8. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что входное и выходное отверстия разнесены диаметрально и по длине теплообменной обоймы, при этом выходное отверстие расположено выше входного.8. Cavitation heat generator according to claim 1, characterized in that the inlet and outlet holes are spaced diametrically and along the length of the heat exchange casing, while the outlet hole is located above the inlet hole. 9. Кавитационный теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что на ответвлении выходного транзитного патрубка установлен вентиль.9. Cavitation heat generator according to claim 1, characterized in that a valve is installed on the branch of the outlet transit pipe.
RU2022117108A 2022-06-23 Cavitation heat generator RU2814162C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2022117108A RU2022117108A (en) 2023-12-25
RU2814162C2 true RU2814162C2 (en) 2024-02-26

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2045715C1 (en) * 1993-04-26 1995-10-10 Юрий Семенович Потапов Heat generator and device for heating liquids
RU5846U1 (en) * 1997-04-14 1998-01-16 Леонид Иванович Пищенко CAVITATION HEAT GENERATOR
RU2153131C1 (en) * 1998-11-13 2000-07-20 Акционерное общество открытого типа "Бумагоделательного машиностроения" Liquid heater
KR100955701B1 (en) * 2009-12-29 2010-05-03 김재일 A heating generator of cyclone type
RU2517986C2 (en) * 2012-05-18 2014-06-10 Евгений Геннадьевич Иванов Fluid heating device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2045715C1 (en) * 1993-04-26 1995-10-10 Юрий Семенович Потапов Heat generator and device for heating liquids
RU5846U1 (en) * 1997-04-14 1998-01-16 Леонид Иванович Пищенко CAVITATION HEAT GENERATOR
RU2153131C1 (en) * 1998-11-13 2000-07-20 Акционерное общество открытого типа "Бумагоделательного машиностроения" Liquid heater
KR100955701B1 (en) * 2009-12-29 2010-05-03 김재일 A heating generator of cyclone type
RU2517986C2 (en) * 2012-05-18 2014-06-10 Евгений Геннадьевич Иванов Fluid heating device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shin et al. Experimental study for pressure drop and flow instability of two-phase flow in the PCHE-type steam generator for SMRs
Pioro et al. Specifics of thermophysical properties and forced-convective heat transfer at critical and supercritical pressures
JPH11514081A (en) Capillary evaporator for two-phase loop energy transfer between hot and cold heat sources
Wang et al. Optimal design of two-stage ejector for subzero refrigeration system on fishing vessel
RU2814162C2 (en) Cavitation heat generator
JP2020076559A (en) Thermoacoustic device
KR20160133504A (en) Passive two-phase cooling circuit
Mahmoudian et al. A heat-powered ejector chiller working with low-GWP fluid R1233zd (E)(Part 1: Experimental results)
Bieliński et al. Application of a two-phase thermosyphon loop with minichannels and a minipump in computer cooling
CN1632441A (en) Heat transfer process for variable cross section intensive selfoscillatory flow heat pipe
RU2675977C1 (en) Method of transmitting heat and heat transferring device for its implementation
Dong et al. Experimental investigation of a miniature ejector using water as working fluid
CN115523141A (en) Vortex tube vapor recompression device
RU73457U1 (en) DEVICE FOR RECEIVING HEAT ENERGY
Birajdar et al. Experimental investigations of pump‐driven closed‐loop thermosyphon system
CN210035063U (en) LNG gasification cold energy utilization system
RU2061195C1 (en) Method of heat liberation in liquid
RU2365831C1 (en) Mobile thermal station
KR101358309B1 (en) Rankine cycle system and ship with the same
Huang et al. Excess energy from heat-exchange systems
KR20090117796A (en) Ammonia absorption type refrigerating apparatus utilizing waste heat of exhaust
RU75459U1 (en) MOBILE HEATING ITEM
JP2007248013A (en) Absorption heat pump device, and its operating method
CN109209800A (en) A kind of power generator of the cold and hot water temperature difference without working medium pump
RU2375648C2 (en) Device for heat energy production