RU32250U1 - Устройство для нагрева жидкостей - Google Patents

Description

УСТРОЙСТВО для НАГРЕВА ЖИДКОСТЕЙ

Заявляемая полезная модель относится к средствам для производства тенла, образующегося иначе, чем в результате сгорания тонлива, и может быть использована в системах водяного отопления производственных и жилых помещений, а также на транспортных средствах.

Известны устройства для нагрева жидкостей фрикционным способом, в которых тепло образуется в результате трения друг о друга и/или о жидкость твёрдых тел, приводимых в движение в сосуде с жидкостью (а.с. СССР №1627790, патент РФ №2094711, патент РФ №2149181, патент US №5188090). Недостатком подобньгх устройств является низкий коэффициент полезного действия и большая металлоёмкость конструкции.

Известен способ получения энергии с помощью ультразвукового активатора (патенты РФ №2054604 и №2085723, WO94/09894) и соответствующих устройств, состоящих из нескольких рабочих камер, в каждой из которых установлены рабочие колеса центробежного насоса с закрепленными на периферии роторами в виде перфорированных колец. Коаксиально роторам в корпусах рабочих камер напротив каждого ротора закреплен статор, выполненный в виде перфорированного кольца. Рабочие камеры сообщены между собой посредством диффузоров. Недостатком подобных устройств является сложность конструкции, параметры которой не поддаются расчёту из-за малой изученности протекающих в устройстве физических процессов.

МПК iF24J3/00

Известен «Способ нагревания жидкости и устройство для его осуществления по патенту РФ №2150055. Способ включают подачу подлежащей обработки жидкости в полость вращающегося рабочего колеса под давлением, вьшуск обрабатываемой жидкости из полости рабочего колеса через ряд выходных отверстий, равномерно расположенных на его периферийной поверхности, впуск жидкости в полость статора через отверстия в его концентричной поверхности, прилегающей с минимальным зазором к периферийной поверхности рабочего колеса, при этом осуществляется периодическое резкое прерывание потока жидкости, возбуждающее механические колебания в ней. В результате такой обработки поступающая в полость статора жидкость нагревается и отводится для потребления.

Устройство по патенту РФ №2150055 заявитель выбирает в качестве ближайшего аналога. Однако в этом устройстве не предусмотрены меры по исключению перетекания обрабатываемой жидкости к выходному отверстию кольцевой камеры статора по пути с минимальным сопротивлением вдоль боковой поверхности рабочей камеры, на котором расположен входной патрубок. Рабочие колёса и поверхности статора выполнены гладкими с равномерным распределением сквозных выходных отверстий, которые предполагаются предпочтительно одинаковыми и вьггянутыми в направлении, параллельном центральной оси устройства. Такие отверстия сложны в изготовлении, а приращение температуры при обработке воды составляет (по утверждению автора) всего несколько градусов. Для повышения выходной температуры автором патента РФ №2150055 предлагается последовательная (по потоку жидкости) установка нескольких рабочих колёс, каждое из которых дополнительно снабжено лопатками. При этом автор не приводит конкретного примера реализации подобного агрегата. Однако такие примеры известны из описания патента РФ № 2054604. В случае реализации получается достаточно тяжеловесная и сложная конструкция.

Техническим результатом полезной модели является повышение температуры жидкости на выходе устройства при сохранении габаритных размеров.

Технический результат достигается тем, что в отличие от ближайшего аналога, содержащего ротор на валу, имеющий одно соединенное с валом рабочее колесо с периферийной стенкой, в которой вьшолнен ряд сквозных отверстий, и статор, имеющий концентричную рабочему колесу поверхность, отверстие для подачи жидкости, сообщенное с полостью рабочего колеса, по крайней мере, одно отверстие для отвода жидкости, причем цилиндрическая стенка статора образует вместе с периферийной

цилиндрической стенкой рабочего колеса кольцевую камеру, сообщенную, по крайней

мере, с одним выпускным отверстием для отвода жидкости, в предлагаемом устройстве

ротор и статор имеют промежуточные цилиндрические элементы, образующие дополнительные камеры, ротор представляет собой составную или сварную конструкцию с дополнительными цилиндрами разного диаметра, соединёнными хотя бы с одним диском ротора, при этом образующая цилиндрических поверхностей ротора параллельна образующим цилиндрической поверхности статора, и дополнительно установленным промежуточным цилиндрическим элементам, жёстко соединённых с боковыми стенками статора, при этом на рабочих поверхностях всех цилиндров кроме сквозных отверстий имеются глухие отверстия.

Причём каждая поверхность имеет свой набор сквозных и набор глухих отверстий в соотношении, выбираемом эмпирически (как и геометрические параметры отверстий) исходя из задачи повьппения эффективности нагрева жидкости. При этом отверстия, на поверхностях большинства цилиндров статора, выполняются преимушественно глухими, и тем самым жидкость, прокачиваемая через устройство, в максимальной степени проходит по лабиринтам между вращающимися и неподвижными цилиндрическими поверхностями, совершая дополнительную работу в завихрениях, образующихся над глухими отверстиями, и под ударами струй, вырывающихся из сквозных отверстий.

Заявителю не известны устройства, подобные заявляемому.

Заявленная полезная модель сопровождается следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - общий вид устройства в разрезе по оси вращения роторов;

Фиг. 2 - вид на боковую стенку устройства со стороны входного патрубка;

Фиг.З - вид на боковую стенку устройства со стороны выходного патрубка;

Фиг.4 - второй вариант кинематической схемы устройства;

Фиг.З - разрез по сквозному и глухим отверстиям рабочих колёс.

Устройство для нагрева жидкостей содержит сборный статор, состоящий из цилиндра 1, зажатого с помощью щпилек 2 между боковой стенкой 3 с рядом входных отверстий 4 для подачи нагнетаемой жидкости и боковой стенкой 5 с выходным отверстием 6, в которое ввинчивается выходной патрубок 7. Входной патрубок 8 может быть присоединён к любому из входных отверстий на боковой стенке, а также к входному отверстию 9 на вакуумном стакане 10. Неиспользуемые входные отверстия закрыты винтовыми пробками 11 с уплотнениями 12.

Боковая стенка статора имеет центральное отверстие, через которое проходит вал 13, на котором установлен составной (или сварной) ротор, который имеет две или более рабочих цилиндрических поверхпости: большого диаметра 14 и относительно малых диаметров 15. Ротор большого диаметра вращается с зазором относительно внутренней поверхности 16 цилиндра статора, а роторы меньших диаметров вращаются с зазором относительно внутренних поверхностей 17 дополнительных цилиндров 18, запрессованных в боковые стенки статора.

Цилиндрические поверхности всех роторов и дополнительных цилиндров корпуса имеют множество сквозных 19 и глухих 20 отверстий, чередующихся в особом порядке.

технологических резьбовых отверстий 21, которые используются для установки измерительных приборов, для установки предохрапительного клапана, а также - для слива жидкости перед проведением ремонтных работ или для направления выходного потока жидкости непосредственно через цилиндрическую поверхность статора минуя традипионный выходной патрубок на боковой стенке.

Аналогичные резьбовые отверстия 22 имеются на боковых стенках статора на различных расстояниях от центра. Они могут использоваться для частичной рециркуляции жидкости по патрубкам 23 через вакуумный стакан, а также для совершения технологических операций по сборке и разборке конструкции. Все неиспользуемые отверстия закрыты винтовыми пробками 24 с уплотнениями.

Диски 25 составного ротора также имеют технологические отверстия 26 (в графических материалах эти отверстия условно не показаны), используемые для ускорения первоначального заполнения устройства жидкостью и для технологических целей. Место сварки диска ротора с рабочими цилиндрами малых диаметров может быть смещено в сторону центрального диска.

Сборная конструкция ротора (из трёх дисков и трёх рабочих цилиндров) может быть модифицирована до сварной конструкции, в которой все цилиндры привариваются к единому диску ротора, а число цилиндров (и ротора и статора) может быть увеличено в несколько раз без увеличения габаритных размеров устройства. Более того, расстояние между боковыми стенками при втором варианте кинематической схемы устройства может быть уменьшено в два раза. Сварная конструкция многоцилиндрового ротора с единой ступицей и диском 27 может бьггь вьшолнена без отверстий в диске.

Цилиндры 28, приваренные к дискам ротора изготавливаются из стандартных трубных заготовок, а сквозные и глухие отверстия в них могут быть выполнены простейшей операцией - сверления.

в цилиндрах статора (в осиовном и в дополнительных) просверлить можно (из технологических соображений) только сквозные отверстия. Для получения глухих отверстий эти цилиндры изготавливаются из стандартных трубных заготовок составными (фиг.5). При этом внутренний цилиндр 29 просверливается обычным порядком (насквозь), а при его запрессовке во внешний цилиндр 30 может быгь получена любая заданная геометрия расположения глухих и сквозных отверстий.

Соотношение числа сквозных отверстий к числу глухих отверстий на цилиндрических поверхностях выбирается в диапазоне от О до 10. Все глухие отверстия выполняются с соотношением диаметра к глубине от 4 до 1. Все отверстия на рабочих поверхностях имеют диаметр не более 1/5 образующей соответствующего цилиндра, а глухие отверстия имеют диаметр равный или меньще диаметра сквозного отверстия. Диаметр и глубина отверстий может бьггь различной в пределах одной цилиндрической поверхности, а также на разных поверхностях, и выбирается опьггным путём. Аналогичные глухие отверстия могут быть вьшолнены на части внутренних поверхностей боковых стенок статора, а также на кольцеобразных деталях 31, приваренных к цилиндру ротора самого большого диаметра.

Предлагаемая конструкция устройства для нагрева жидкостей не содержит в своём составе подшипников (во избежание вымьшания из них смазки горячей жидкостью). Подшипники предполагаются к размещению на валу за пределами устройства в составе жёсткой консоли, входящей в состав внешнего привода (на фиг.1 условно не показана). Фиксация устройства на консоли относительно приводного вала и подшипников обеспечивается с помощью восьми шпилек 32, ввинченных в боковую стенку устройства и фиксируемых на консоли гайками.

С помощью двух шпилек 33 (с гайками) производится надёжное уплотнение сальника у центрального отверстия, через которое проходит основной вал.

Рабочие зазоры между роторами и боковыми стенками статора регулируются соответствующим набором втулок 34 и шайб, насаженных на вал.

Составной (или сварной) ротор кренится на валу шпонкой 35, шайбой 36 и гайкой 37, самоотвинчивание которой устраняется шнлинтом 38. Вал имеет на конце посадочное место 39 для шкива или муфты, с помош;ью которых он приводится во вращение от внешнего привода.

Работает предлагаемое устройство для нагрева жидкостей следующим образом.

Обрабатываемая жидкость подаётся через одно из входных отверстий 4

(предпочтительно - через центральное в вакуумном стакане 10), и через отверстия 26 в

дисках 25 роторов, а также через зазоры и сквозные отверстия 19 цилиндров роторов 28 и

цилиндров статора 18 заполняет все внутренние полости устройства. Наличие резервных входных отверстий 4 и выходного отверстия 6 на боковых стенках предусмотрено для проведения сравнительных испытаний в сопоставимых геометрических параметрах предлагаемого устройства, а также устройств, известных по патенту РФ №2094711 и патенту US №5188090.

Через систему отверстий 21 может быть осуществлён по гибким шлангам симметричный съём выходного потока жидкости непосредственно через цилиндрическую

поверхность статора, минуя выходное отверстие 6 на боковой стенке. Предлагаемое устройство нозволяет выбрать различные схемы циркуляции нагреваемой жидкости во внутренней полости устройства. За пределами устройства нагретая жидкость отдаёт тепло в теплообменнике (или непосредственно в системе теплоснабжения здания) и насосом возвращается на вход 4.

Нагрев жидкости, прокачиваемой через предлгигаемое устройство, осуществляется за счёт преобразования механической энергии вращающихся роторов, закреплённых на валу 13, вращаемого внешним приводом. Возникающая при вращении центробежная сила отбрасывает жидкость к периферии цилиндров роторов меньшего диаметра, затем - к

периферии ротора большего диаметра. Жидкость прорывается через сквозные отверстия 19 малых роторов и попадает в узкие зазоры между внешними поверхностями роторов 15 и внутренними поверхностями 17 дополнительных цилиндров 18, запрессованных в боковые стенки корпуса.

Выбором геометрии расположения сквозных отверстий в роторе и соответствующем цилиндре корпуса поток жидкости можно направить по зазору между поверхностями 15 и 17 по максимально длинному пути (параллельно оси вращения роторов). Неподвижные цилиндры корпуса можно снабдить только глухими отверстиями.

В этом случае перетекание жидкости в зону ротора большего диаметра будет происходить

ТОЛЬКО по зазору вдоль диска ротора максимального диаметра. При этом жидкость будет

нагреваться от трения с поверхностями рабочих цилиндров, от торможения струй, вырывающихся из сквозных отверстий 19 роторов, на неподвижных поверхностях цилиндров 18, и от нелинейных эффектов, возникающих при прохождении потока жидкости над глухими отверстиями 20 на поверхностях 15 и 17. Аналогичный процесс протекает и в зазоре между внутренней поверхностью 16 цилиндрического статора 1 и внешней поверхностью 14 ротора максимального диаметра, а также в зазорах между внутренними поверхностями боковых стенок 3 и 5 и кольцеобразными деталями 31, приваренными к цилиндру ротора самого большого диаметра.

Все потери кинетической энергии жидкости превращаются в тепло. Опьггпым путём установлено, что перепад температур жидкости на входе и выходе устройства не может быть очень большим. Поэтому для достижения максимальной температуры выходящей из устройства жидкости, часть предварительно нагретой жидкости из той или иной области внутренней полости устройства (в зависимости от радиуса, на котором расположено соответствующее отверстие 22), направляется по патрубкам 23 в вакуумный стакан 10, в котором происходит смешивание относительно более горячей жидкости с

нагнетаемой внешним насосом жидкостью, отдавшей большую часть тепла во внешнем теплообменнике.

Для экономии энергии привода он может включаться и выключаться циклически по командам температурных реле после снижения и повышения температуры в теплообменнике до заранее заданного уровня.

Один из вариантов устройства для нагрева жидкостей (фиг.1) уже реализован в качестве опытного образца. Результаты оказались ожидаемыми. В настоящее время идёт работа над рабочими чертежами следующего варианта устройства для нагрева жидкостей (фиг. 4), работающего с использованием тех же принципов преобразования механической энергии в тепловую, но отличающегося более полным использованием внутреннего объёма устройства для размещения большего числа рабочих поверхностей ротора 28 и неподвижных цилиндров 18 статора при одновременном упрощении конструкции ротора за счёт сокращения числа дисков 25 с трёх до одного. При этом все цилиндры 28 ротора привариваются к одному диску 27. Тем самым устраняется существующий в первоначальной конструкции зазор между центральным диском 25 и цилиндрами малых роторов 28, а весь поток жидкости может быгь пропущен между рабочими цилиндрическими поверхностями ротора и неподвижных цилиндров 18 статора без утечек по зазорам вдоль центрального диска 25.

На основании вьшхесказанного, заявляемое устройство является новым и промьппленно применимым, что соответствует условиям патентоспособности полезной модели.

iilf-i i

Патентный поверенный Мордвинова В.В.

Claims (13)

1. Устройство для нагрева жидкостей, содержащее ротор, вал, по крайней мере, одно соединенное с валом рабочее колесо с периферийной стенкой, в которой выполнен ряд сквозных отверстий, статор, имеющий концентричную рабочему колесу поверхность, отверстие для подачи жидкости, сообщенное с полостью рабочего колеса, по крайней мере, одно отверстие для отвода жидкости, причем цилиндрическая стенка статора образует вместе с периферийной цилиндрической поверхностью рабочего колеса кольцевую камеру, сообщенную, по крайней мере, с одним выпускным отверстием для отвода жидкости, отличающееся тем, что ротор и статор имеют промежуточные цилиндрические элементы, образующие дополнительные камеры, ротор представляет собой составную или сварную конструкцию с дополнительными цилиндрами разного диаметра, соединенными хотя бы с одним диском ротора, при этом образующая цилиндрических поверхностей ротора параллельна образующим цилиндрической поверхности статора и промежуточным цилиндрическим элементам, соединенных с боковыми стенками статора, при этом на рабочих поверхностях всех цилиндров кроме сквозных отверстий имеются глухие отверстия.

2. Устройство для нагрева жидкостей по п.1, отличающееся тем, что каждая поверхность имеет набор сквозных и глухих отверстий в соотношении, выбираемом эмпирически (как и геометрические параметры отверстий), при этом отверстия, на поверхностях большинства цилиндров статора, выполняются преимущественно глухими.

3. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что передняя стенка статора имеет дополнительные отверстия для присоединения входного патрубка, как по оси цилиндрической полости статора, так и на разных расстояниях от нее, а неиспользуемые отверстия в статоре закрыты винтовыми заглушками.

4. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1-3, отличающееся тем, на входном отверстии статора установлен вакуумный стакан, к которому присоединен входной патрубок и патрубки рециркуляции, присоединенные противоположными концами к отверстиям на боковой поверхности статора, расположенным на разных расстояниях от оси устройства, а неиспользуемые отверстия в статоре закрыты винтовыми заглушками.

5. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что все глухие отверстия выполнены с соотношением диаметра к глубине, лежащем в диапазоне от 4 до 1, а все сквозные отверстия имеют диаметр, равный диаметру глухих отверстий или больше его.

6. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что соотношение числа сквозных отверстий к числу глухих отверстий на цилиндрических поверхностях выбирается в диапазоне от 0 до 10, при этом диаметр наибольшего отверстия не превышает 20% от образующей соответствующего цилиндра.

7. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что сквозные отверстия на всех цилиндрических поверхностях расположены неравномерно.

8. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что глухие отверстия выполнены на плоских боковых поверхностях внутренней полости статора, а также на кольцеобразных деталях, жестко соединенных с отдельными цилиндрическими поверхностями ротора.

9. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что диски трех роторов, разделяющие внутреннюю полость корпуса на отдельные рабочие зоны имеют дополнительные отверстия, суммарная площадь которых не превышает площади входного отверстия статора.

10. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что все цилиндры статора изготовлены двухслойными, причем толщина внутреннего слоя равна глубине глухих отверстий.

11. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что при числе малых цилиндров ротора, равном двум, конструкция выполняется с симметричным креплением дисков ротора к цилиндрам, или со смещением дисков малых роторов к диску большого ротора.

12. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что при числе малых цилиндров ротора равном двум, оба малых цилиндра закреплены на одном диске с цилиндром большого диаметра.

13. Устройство для нагрева жидкостей по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что при числе малых цилиндров ротора большем двух все цилиндры ротора закреплены на одном диске, а все сквозные отверстия в цилиндрах ротора смещены в противоположную от диска сторону расстояние не менее чем ширина зазора между торцами цилиндров статора и диском ротора.