устройство для нагревания жидкости

Формула изобретения

Устройство для нагревания жидкости, состоящее из статора, имеющего цилиндрическую полость, через которую пропускают нагреваемую жидкость, а также из вставленного с зазором в эту полость ротора в виде цилиндра с множеством углублений на его цилиндрической поверхности, расположенных вдоль нескольких окружностей на этой поверхности, или в виде одного или нескольких дисков, каждый из которых имеет на их цилиндрической поверхности множество расположенных вдоль окружности на этой поверхности углублений, отличающееся тем, что напротив каждого углубления на поверхности ротора выполнена цилиндрическая канавка в полости статора, имеющая глубину от 0,5 до 2 мм и ширину от 1 до 2 диаметров соответствующего углубления на поверхности ротора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам для получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлив, и может быть использовано в системах водяного отопления производственных и жилых помещений.

Известны устройства для нагрева жидкостей фрикционным способом, заключающимся в том, что тепло образуется в результате трения друг о друга и/или о жидкость твердых тел, приводимых в движение в сосуде с жидкостью. К таковым относится, например, устройство, описанное в А.С. СССР №1627790 (МКИ F 24 J 3/00), опубл. в Бюл. №6,1991 г.

Недостатком этих устройств является то, что из-за потерь энергии эффективность нагрева (отношение количества вырабатываемой тепловой энергии к механической или электрической энергии, потребляемой устройством) много меньше единицы.

Но известны и устройства для нагревания жидкостей, в которых эффективность нагрева выше. Одним из таких устройств является "гидросонная помпа", описанная в патенте США №5188090 (МКИ F 24 C 9/00) автора J.L.Griggs, опубликованном 23.02.1993. Это устройство состоит из металлического статора, имеющего цилиндрическую полость, закрытую крышкой. В центре крышки и в противоположной ей стороне корпуса статора имеются осевые отверстия, в которых на подшипниках установлен вал, присоединяемый к электродвигателю. На валу внутри полости статора укреплен монолитный цилиндрический алюминиевый ротор, цилиндрическая поверхность которого усеяна множеством углублений, имеющих диаметр ˜ 10 мм и высверленных на глубину, приблизительно равную диаметру этих углублений. Зазор между цилиндрическими поверхностями ротора и статора составляет ˜ 0,5 мм. Вал в отверстиях статора и его крышки уплотнен торцовыми уплотнениями, предотвращающими вытекание нагреваемой жидкости из устройства и попадание ее в подшипники. В торцевых крышках статора имеются отверстия для подачи нагреваемой жидкости в устройство с одной его стороны и отвода ее с другой стороны.

Описанное устройство работает следующим образом. Через входное отверстие в полость статора подают воду, подлежащую нагреву. Она протекает по зазору между статором и ротором и выходит с противоположной стороны через отверстие в торцевой крышке устройства, к которому присоединен трубопровод для отвода нагретой воды к потребителю. Ротор устройства приводят во вращение с помощью электродвигателя, присоединяемого к валу ротора. При быстром вращении ротора происходит завихрение воды в углублениях на его поверхности. При этом в углублениях ротора и в зазоре между его цилиндрической поверхностью и статором возникает кавитация, ведущая к нагреву воды.

Автор вышеуказанного патента США утверждает, что эффективность нагрева воды в его устройстве (отношения тепловой энергии, уносимой из устройства жидкостью, к электрической энергии, потребляемой электродвигателем, приводящим вал устройства во вращение) составляет 1,17-1,7.

Недостатком известного устройства, описанного в патенте США №5188090, является то, что монолитный ротор этого устройства необходимо изготавливать из дорогой крупногабаритной заготовки. Для устранения этого недостатка в изобретении, описанном в патенте Украины №52985 А (МПК F24 J 3/00) авторов Потапова Ю.С., Потапова С.Ю. и Фоминского Л.П., опубликованном в Бюл. №1 за 2003 г., предложено устройство для нагревания жидкости, ротор которого набран из нескольких металлических дисков, закрепленных на приводимом во вращение вале, с интервалами между периферийными частями дисков. На цилиндрической поверхности дисков расположено множество углублений, высверленных на глубину, приблизительно равную их диаметру. А у периферии дисков ротора в их торцах имеется множество отверстий, расположенных по окружности и выходящих в пространство между дисками. Часть этих отверстий может быть выполнена не сквозными, а на глубину, приблизительно равную от 0,5 до 1 их диаметра. Выполнение ротора из нескольких дисков, насаженных на вал, позволяет использовать для изготовления ротора уже не крупногабаритные, а небольшие заготовки, которые дешевле и доступнее крупных и которые легче обрабатывать на металлорежущих станках. Это упрощает и удешевляет изготовление и ремонт ротора.

Наиболее близким к заявляемому известным техническим решением (прототипом) является "нагреватель жидкости", описанный в Патенте Украины №50608 А (МПК F 24 J 3/00) авторов Потапова Ю.С., Потапова С.Ю. и Фоминского Л.П., опубликованном в Бюл. №10 за 2002 г.

В этом устройстве, состоящем из статора, имеющего цилиндрическую полость, через которую пропускают нагреваемую жидкость, а также из вставленного с зазором в эту полость металлического ротора, закрепленного на приводимом во вращение вале и выполненного в виде цилиндра, имеющего на своей поверхности множество углублений, или набранного из дисков, имеющих на их поверхности множество углублений и/или отверстий, ротор выполнен из переходного металла семейства железа Периодической таблицы химических элементов Д.И.Менделеева или из ферромагнитного сплава этого металла с другими металлами и/или с углеродом.

Выполнение ротора или составляющих его дисков из указанных металлов или сплавов ведет, как показали эксперименты, к существенному повышению эффективности нагрева жидкости (отношения вырабатываемой тепловой энергии к затрачиваемой механической или электрической энергии) по сравнению с нагревом ее в таком же устройстве, но имеющем ротор, выполненный из других металлов, не входящих в указанное семейство. Причины выявленной зависимости эффективности нагрева от рода металла ротора авторам указанного изобретения были не очень ясны. Тем не менее зависимость проявляется четко, что дало возможность существенно повысить эффективность работы этого нагревателя жидкости по сравнению с нагревателями такой же конструкции, ротор которых выполнен из алюминия или из меди. Наконец, в книге [Фоминский Л.П. Роторные генераторы дарового тепла. Сделай сам. - Черкассы: ОКО-Плюс, 2003, 346 с.] было дано новое объяснение процессов, происходящих в углублениях на цилиндрической поверхности ротора. В книге обращено внимание на то, что помимо завихрения рабочей жидкости в указанных углублениях при быстром вращении ротора центробежные силы стремятся выбросить воду из этих углублений на поверхности ротора (назовем их ячейками Григгса). Но столб воды в ячейке Григгса удерживается за счет сил смачивания водой металлической поверхности ячейки. Противоборство этих двух сил приводят к разрежению в жидкости у донышек ячеек Григгса. При этом у донышек ячеек возникают кавитационные пузырьки, обуславливающие разрыв столба воды в ячейках. Под действием центробежных сил оторвавшийся от дна ячейки столб воды, бывший до того в напряженном состоянии как пружина, выбрасывается из углубления и с большой скоростью ударяется в сопряженную с ротором внутреннюю цилиндрическую поверхность статора. В результате возникает ударная волна, которая усиливает кавитационные процессы в зазоре между ротором и статором. При быстрых периодических сжатиях и расширениях кавитационных пузырьков в воде происходит сильный нагрев парогазовой смеси в них, а затем и всей воды в этом рабочем зазоре. Подробнее процессы, ведущие к нагреву рабочей жидкости в теплогенераторе Григгса, описаны в книге [Фоминский Л.П. Роторные генераторы дарового тепла. Сделай сам. - Черкассы: ОКО-Плюс, 2003, 346 с.].

Недостатком описанного известного устройства-прототипа является то, что эффективность нагрева рабочей жидкости (отношение количества вырабатываемой тепловой энергии к механической или электрической энергии, потребляемой устройством) не на много превышает единицу. Это обусловлено рядом факторов. Одним из них является то, что ударные волны, порождаемые выбросами рабочей жидкости из ячеек Григгса, распространяются в рабочем зазоре между ротором и статором во все 4 стороны. (Как вдоль окружности цилиндрической поверхности ротора, так и вдоль образующей его цилиндрической поверхности.) При этом ударная волна ослабевает по линейному закону по мере удаления ее фронта от точки, в которой она была рождена, в результате чего сила ее воздействия на кавитационные пузырьки в рабочем зазоре уменьшается.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности работы устройства для нагревания жидкости путем предотвращения распространения ударных волн в рабочем зазоре между ротором и статором этого устройства во все стороны, кроме одной - вдоль окружности цилиндрической поверхности ротора.

Для достижения указанного технического результата в известном устройстве для нагревания жидкости, состоящем из статора, имеющего цилиндрическую полость, через которую пропускают нагреваемую жидкость, а также из вставленного с зазором в эту полость ротора в виде цилиндра с множеством углублений на его цилиндрической поверхности, расположенных вдоль нескольких окружностей на этой поверхности, или в виде одного или нескольких дисков, каждый из которых имеет на их цилиндрической поверхности множество расположенных вдоль окружности на этой поверхности углублений, предлагается выполнять напротив каждого углубления на поверхности ротора цилиндрическую канавку в полости статора, имеющую глубину от 0,5 мм до 2 мм и ширину от 1 до 2 диаметров соответствующего углубления на поверхности ротора.

Отличительным признаком предлагаемого устройства для нагревания жидкости от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является наличие напротив каждого углубления на поверхности ротора цилиндрической канавки в полости статора, имеющей глубину от 0,5 мм до 2 мм и ширину от 1 до 2 диаметров соответствующего углубления на поверхности ротора.

Эта канавка вместе с расположенной напротив нее цилиндрической поверхностью ротора служит волноводом для ударных волн, рождаемых внутри этой канавки. Благодаря ей ударная волна в канавке распространяется только вдоль нее по окружности цилиндрической поверхности ротора и мало ослабевает с расстоянием. Это ведет к повышению силы воздействия ударной волны на кавитационные пузырьки в рабочей жидкости канавки и как результат - к повышению эффективности нагревания рабочей жидкости в предлагаемом устройстве.

Предлагаемое устройство для нагревания жидкости и его работа иллюстрируются чертежами.

На фиг.1 приведен чертеж предлагаемого устройства для нагревания жидкости с монолитным цилиндрическим ротором, выполненным из отрезка стальной трубы.

На фиг.2 приведен чертеж предлагаемого устройства для нагревания жидкости, имеющего составной ротор, набранный из дисков.

На фиг.3 показана схема движения ударных волн в канавке-волноводе статора предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство для нагревания жидкости, схема которого приведена на фиг.1, состоит из корпуса 1 статора, выполненного из отрезка стальной трубы, к которому снизу приварены ножки-распорки и плита 2 с отверстиями под болты для крепления всего устройства к фундаменту. С торцов корпус статора 1 закрыт крышками 3, прижатыми к резиновому или тефлоновому жгуту уплотнения 4 с помощью стягивающих шпилек 5. В центральные отверстия крышек 3 вставлены и приварены герметичным швом втулки 6. служащие опорами для подшипников 7, на которых установлен стальной вал 8. Он уплотнен сальниками 9, прижимаемыми стаканами 10 и пружинами 11. На вал 8, снабженный шпонкой 12, насажен цилиндрический ротор. Он состоит из отрезка толстостенной трубы 13 из углеродистой стали, чугуна или из другого металла или сплава, хорошо смачивающегося водой, и теплоизолирован от вала 8 втулкой 14, выполненной из текстолита, стеклотекстолита или из дерева, на которую труба 13 насажена с клеем. Ротор закреплен на валу 8 с помощью гайки 15 и шайбы 16.

В многодисковом устройстве, схема которого показана на фиг.2, ротор состоит из нескольких дисков 13, выполненных из вышеуказанного металла или сплава и насаженных непосредственно на стальной вал 8. Одинаковые интервалы (5-25 мм) между дисками 13, имеющими толщину 10-30 мм, обеспечиваются втулками 14, тоже насаженными на вал 8 между дисками 13. Диски ротора 13 сжаты в пакет с помощью гайки 15 с шайбой 16.

Снаружи подшипники 7 как в устройстве, показанном на фиг.1, так и в устройстве, показанном на фиг.2, закрыты крышками 17, в одной из которых имеется центральное отверстие для вала 8, конец которого выступает за крышку и имеет посадочное место для крепления шкива или муфты, с помощью которых его подсоединяют к двигателю (электрическому, дизельному или др.), приводящему вал 8 во вращение.

Диаметр ротора или дисков ротора 13 выбирают в зависимости от рода металла или сплава, из которого изготовлен ротор или его диски, и от максимальной скорости вращения вала 8, развиваемой используемым двигателем, с тем, чтобы максимальные напряжения растяжения, возникающие в металле ротора или его дисков 13 от действия центробежных сил, не превышали допустимых условиями прочности для данного материала. В то же время рекомендуется достигать при работе устройства предельно допустимых напряжений для данного материала ротора или его дисков 13. Тогда работа устройства наиболее эффективна. Количество дисков 13 в пакете, составляющем ротор, зависит от мощности двигателя, приводящего вал 8 во вращение, и берется тем большим, чем мощнее двигатель. Наименьшее количество дисков - 1. Зазор между ротором или его дисками 13 и внутренней поверхностью цилиндрической полости в статоре 1 составляет 0,5-1 мм.

На цилиндрической поверхности ротора или его дисков 13 расположено множество радиальных углублений (ячеек Григгса) 18, имеющих диаметр 5-20 мм. Они выполнены сверлением, фрезерованием или электроэрозионной обработкой на глубину, не превышающую диаметр ячейки. Ячейки 18 расположены равномерно по цилиндрической поверхности ротора или по окружности на цилиндрической поверхности каждого диска ротора 13 с шагом между углублениями, составляющим 2,5-3 диаметра углубления.

При выполнении ротора составным из дисков 13 (см. фиг.2) в промежутках между углублениями 18 проделаны (сверлением или электроэрозионной обработкой) сквозные отверстия 19, расположенные в торцах диска 13 и отстоящие от его края на расстоянии до центра отверстия, равном 2-2,5 диаметрам этих отверстий, выбираемым в пределах от 5 до 20 мм. Часть отверстий в торцах дисков ротора 13, расположенных по периферии этих дисков, могут быть выполнены не сквозными, а на глубину от 0,5 до 1 диаметра этих отверстий (см. фиг.2 и 3). При этом сквозные отверстия 19 и несквозные отверстия 20 чередуются поочередно. В верхней части крышек 3 имеются резьбовые отверстия 21, в которые ввинчивают штуцеры трубопроводов для подачи и отвода воды, нагреваемой в описываемом устройстве.

Напротив каждого радиального углубления 18 на поверхности ротора 13 в цилиндрической полости статора 1 выточена канавка-волновод, имеющая глубину от 0,5 мм до 2 мм и ширину от 1 до 2 диаметров соответствующего углубления 18 на поверхности ротора. При этом ширина цилиндрических выступов на внутренней поверхности статора 1, отделяющих канавки-волноводы друг от друга, должна составлять не менее 2 мм.

Устройство, показанное на фиг.1, снабжено теплообменником для предварительного подогрева рабочей жидкости, подаваемой в рабочий зазор между ротором 13 и статором 1. Теплообменник состоит из кожуха жидкостной рубашки 22, приваренного к корпусу статора 1 снаружи, входного патрубка 23 и выходного 24, который соединен коротким трубопроводом с входным штуцером 25 в одной из крышек 3 описываемого устройства. Такой же теплообменник можно устанавливать и на устройстве, изображенном на фиг.2.

Предлагаемое устройство для нагревания жидкости работает следующим образом. При выполнении устройства в виде, изображенном на фиг.2, в одно из отверстий 21 в крышке 3 с помощью циркуляционного насоса подают по трубопроводу, присоединенному к этому отверстию, жидкость, подлежащую нагреву. Заполнив устройство, она вытекает из него по трубопроводу, присоединяемому к противоположному отверстию 21 в другой крышке 3, и поступает либо к потребителю тепла, либо в сосуд-накопитель нагреваемой жидкости. После заполнения внутренней полости статора предлагаемого устройства нагреваемой жидкостью включают двигатель (электромотор, дизель или др.), присоединенный к валу 8 и приводящий его во вращение. Чем выше скорость вращения, тем выше эффективность работы предлагаемого устройства и тем быстрее осуществляется нагрев жидкости в нем. Максимальная скорость вращения ограничена не только возможностями используемого двигателя, но и прочностью материала ротора или его дисков 13, подверженных при вращении воздействию центробежных сил.

Жидкость, подаваемая через отверстие 21 вовнутрь описанного устройства, поступает в зазор между поверхностью полости в статоре 1 и ротором или дисками ротора 13. При этом часть ее потока протекает по зазору между поверхностями ротора и статора, а другая часть - через сквозные отверстия 19 в дисках ротора 13. При вращении ротора происходит завихрение и вспенивание жидкости в этих отверстиях, а также в углублениях 18 и 20. При этом в несквозных отверстиях (углублениях) 18 и 20 возникают ультразвуковые колебания в жидкости и пене, точно так же, как возникает свист воздуха в перфорации ротора звуковой сирены при его вращении.

Помимо завихрения жидкости в указанных углублениях, при быстром вращении ротора центробежные силы стремятся выбросить ее из углублений (ячеек Григгса) 18 на поверхности ротора. Но столб жидкости в ячейке Григгса удерживается за счет сил смачивания ею металлической поверхности ячейки. Противоборство этих двух сил приводят к разрежению в жидкости у донышек ячеек Григгса. При этом у донышек ячеек возникают кавитационные пузырьки, обуславливающие разрыв столба жидкости в этих ячейках. Под действием центробежных сил оторвавшийся от дна ячейки столб жидкости, бывший до того в напряженном состоянии как пружина, выбрасывается из углубления 18 и с большой скоростью ударяется в сопряженную с ротором внутреннюю цилиндрическую поверхность статора 1. В результате возникает ударная волна, которая усиливает кавитационные процессы в зазоре между ротором и статором.

При быстрых периодических сжатиях и расширениях кавитационных пузырьков в жидкости происходит в соответствии с законами термодинамики трансформация механической энергии в тепловую, что и приводит к нагреву жидкости. Кроме того, в кавитационных пузырьках при резонансном усилении их ультразвуковых колебаний происходят периодические схлопывания парогазовой смеси, ведущие к локальному нагреву ее в центре пузырьков до температур, достигающих по измерениям многих исследователей (см., например, [Семенов А., Стоянов П. Звукосвечение или свет, вырванный из вакуума. - "Техника - молодежи", 1997, №3, с.4-5] и [Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. - М.: "Химия", 1986, 288 с.]) многих тысяч градусов по Цельсию. Это приводит, как известно, к сонолюминесцентному свечению жидкостей в ультразвуковом поле. Подробнее эти процессы описаны в книгах [Потапов Ю.С., Фоминский Л.П. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиций теории движения. - Кишинев-Черкассы: "ОКО-Плюс", 2000, 387 с.] и [Фоминский Л.П. Как работает вихревой теплогенератор Потапова. - Черкассы: "ОКО-Плюс", 2001, 112 с]. Все это сопровождается выделением тепла, которое идет на нагрев жидкости в предлагаемом устройстве.

При наличии напротив каждого радиального углубления 18 на поверхности ротора цилиндрической канавки-волновода в полости статора 1 ударные волны в рабочем зазоре между ротором 13 и статором 1 распространяются уже не во все стороны, а бегут вдоль этих канавок-волноводов. Эти ударные волны удерживаются от расплывания в стороны цилиндрическими выступами в поверхности статора 1, отделяющими канавки друг от друга. В результате ударные волны мало ослабевают при движении по канавкам-волноводам. И лишь когда две встречные ударные волны, бегущие в одной и той же канавке в противоположных направлениях, сталкиваются друг с другом (см. фиг.3), происходит сильная концентрация энергии этих волн в точке их столкновения, поскольку здесь скорости их движения V_уд складываются. Это приводит к значительному усилению нагрева рабочей жидкости в данной точке и ее окрестностях.

Устройство, изображенное на фиг.1, работает почти также, с тем отличием, что исходную жидкость перед подачей ее в рабочий зазор между ротором 13 и статором 1 пропускают через жидкостную рубашку, образуемую наружной поверхностью статора 1 и приваренным к ней кожухом 22. Исходная рабочая жидкость, которую подают в жидкостную рубашку через патрубок 23, нагревается в жидкостной рубашке теплом, идущим со статора 1, и поступает через патрубок 24 и штуцер 25 в зазор между ротором 13 и статором 1 уже предварительно подогретой. Это позволяет, во-первых, снизить потери тепла с корпуса статора 1 в окружающий воздух, во-вторых, предварительный подогрев рабочей жидкости до температур, лишь немного меньших требуемой температуры окончательного ее нагрева, повышает стабильность работы предлагаемого устройства и эффективность нагрева им жидкости.

Испытания опытных образцов устройств, изображенных на фиг.1 и 2 и приводимых во вращение электродвигателем с установленной мощностью 15 кВт, показали, что при замене их статоров 1 с гладкой внутренней цилиндрической поверхностью на статоры с выточенными в них канавками-волноводами эффективность нагрева этими устройствами рабочей жидкости (отношение выработанной тепловой энергии к затраченной на это электрической энергии) возрастает на 10-12%.