способ преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи, при котором забортную воду нагревают, полученную рабочую среду ускоряют, затем смешивают ее с холодной забортной водой и производят выброс смеси в виде реактивной струи, отличающийся тем, что воду нагревают до температуры, не превышающей температуру насыщения при давлении забортной воды, а ускорение рабочей среды осуществляют до сверхзвуковой скорости, при этом перед выходом на сверхзвуковой режим производят сброс смеси рабочей среды и холодной забортной воды одновременно несколькими потоками в пространство с давлением ниже, чем давление забортной воды.

2. Устройство для преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи, содержащее нагреватель, разгонное сопло для нагретой рабочей среды и конфузорную камеру смешения, которая сообщена с разгонным соплом и снабжена каналами для подвода холодной забортной воды и выходным соплом для истекающей реактивной струи, отличающееся тем, что разгонное сопло выполнено с профилем сверхзвукового сопла для воды, нагретой до температуры, не превышающей температуру насыщения при давлении забортной воды, при этом устройство имеет по крайней мере один канал для сброса смеси рабочей среды и забортной воды, который через обратный клапан соединен с камерой смешения.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к области судового машиностроения и может быть применена в способах и устройствах, преобразующих тепловую энергию нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению, относящемуся к способу преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи, является способ, описанный в патенте США № 3079753 (кл. 60-227, опубл. 05.03.63 г.). Известный способ преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи заключается в том, что забортную воду нагревают, полученную рабочую среду ускоряют, затем смешивают ее с холодной забортной водой и производят выброс смеси в виде реактивной струи.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению, относящемуся к устройству для преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи, является устройство, реализующее упомянутый известный способ и описанное также в патенте США № 3079753 (кл. 60-227, опубл. 05.03.63 г.). Известное устройство для преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи содержит нагреватель, разгонное сопло для нагретой рабочей среды и конфузорную камеру смешения, которая сообщена о разгонным соплом и снабжена каналами для подвода холодной забортной воды и выходным соплом для истекающей реактивной струи.

В известном способе забортную воду нагревают с изменением ее фазного состояния, а именно, воду испаряют до получения рабочей среды в виде пара. При этом нагрев и испарение забортной воды производят в нагревателе, который выполнен в виде камеры испарения, за счет тепловыделения химической реакции при окислении алюминия. Рабочая среда в виде пара ускоряется в разгонном сопле, выполненном в виде сопла Вентури.

Недостатком известного способа и известного устройства, в котором он осуществляется, является относительно невысокая сила тяги из-за ограничения скорости истекающей через выходное сопло реактивной струи. Это объясняется тем, что расход рабочей среды, представляющей собой пар, через разгонное сопло ограничен критической скоростью пара (400-500 м/с) в горловине разгонного сопла. Давление пара на входе в конфузор разгонного сопла превышает давление забортной воды только на величину скоростного напора и, например, для скорости 100 узлов составляет 12,5 кгс/см². Соответствующая давлению пара максимальная кинетическая энергия реактивной струи, необходимая для выхода ее в забортное пространство, может быть получена только при небольшом (не более 5) значении отношения расходов холодной забортной воды и нагретой рабочей среды (пара) и при отношении площадей проходных сечений выходного сопла и горловины разгонного сопла не более единицы. Таким образом, при соотношении плотностей воды и пара около 50 скорость истечения струи из выходного сопла для известного устройства не превышает 60 м/с. Кроме того, недостатком является образование большого количества нерастворимых солей, которые при нагревании и испарении забортной воды могут осаждаться в виде накипи на поверхностях, приводя к ухудшению теплообмена и к уменьшению эксплуатационной надежности.

Настоящая группа изобретений решает задачу создания способа преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи и устройства для его осуществления, использование которых позволит повысить реактивную силу тяги и эксплуатационную надежность.

Технический результат настоящих изобретений заключается в увеличении скорости истекающей из выходного сопла реактивной струи до равной или близкой к скорости звука, а также в значительном уменьшении солеотложения в нагревателе за счет исключения кипения забортной воды.

Кроме того, дополнительным техническим результатом является сокращение количества нагретой воды за счет увеличения количества холодной воды, поступающей в камеру смешения, что позволяет уменьшить мощность нагревателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи, при котором забортную воду нагревают, полученную рабочую среду ускоряют, затем смешивают ее с холодной забортной водой и производят выброс смеси в виде реактивной струи,

воду нагревают до температуры, не превышающей температуру насыщения при давлении забортной воды, а ускорение рабочей среды осуществляют до сверхзвуковой скорости, при этом перед выходом на сверхзвуковой режим производят сброс смеси рабочей среды и холодной забортной воды одновременно несколькими потоками в пространство с давлением ниже, чем давление забортной воды.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи, содержащем нагреватель, разгонное сопло для нагретой рабочей среды и конфузорную камеру смешения, которая сообщена о разгонным соплом и снабжена каналами для подвода холодной забортной воды и выходным соплом для истекающей реактивной струи,

разгонное сопло выполнено о профилем сверхзвукового сопла для воды, нагретой до температуры, не превышающей температуру насыщения при давлении забортной воды, при этом устройство имеет по крайней мере один канал для сброса смеси рабочей среды и забортной воды, который через обратный клапан соединен с камерой смешения.

Настоящая группа изобретений поясняется чертежом, на котором представлено устройство для преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи (продольный разрез).

Предлагаемый способ для преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи реализуют в следующей последовательности.

Забортную воду нагревают до температуры, не превышающей температуру насыщения при давлении забортной воды, например, при давлении подаваемой в нагреватель забортной воды 10 атм воду нагревают до температуры не более 180°С. Затем рабочую среду в виде нагретой воды ускоряют в конфузоре разгонного сопла до скорости звука в горловине. В диффузоре разгонного сопла большая часть нагретой воды испаряется из-за падения давления, поэтому движущийся поток рабочей среды, но уже в виде пара с каплями воды ускоряется в разгонном сопле до сверхзвуковой скорости и поступает в камеру смешения. В камере смешения, на вход которой подают холодную забортную воду, поток рабочей среды смешивают с холодной забортной водой, приблизительно в равном количестве. По мере продвижения смеси в конфузорной камере смешения происходят конденсация пара, падение давления до величины в 8-10 раз ниже давления на входе в разгонное сопло и падение скорости потока до величины, близкой или равной скорости звука. В выходном сопле происходит скачок давления потока до величины, почти в два раза превышающей давление на входе в разгонное сопло и обеспечивающей сброс реактивной струи в забортное пространство со скоростью, равной или близкой скорости звука. Перед выходом на сверхзвуковой режим осуществляют сброс смеси рабочей среды и холодной забортной воды одновременно несколькими потоками в пространство с давлением ниже, чем давление забортной воды.

Устройство, в котором реализуется предлагаемый способ преобразования тепловой энергии нагретой воды в кинетическую энергию реактивной струи, содержит нагреватель 1, выполненный, например, в виде термоэлектрических элементов, разгонное сопло, состоящее из конического конфузора 2, горловины 3 и конического диффузора 4 и конфузорную камеру 5 смещения, снабженную выходным соплом 6 и каналами 7 подвода холодной забортной воды. Выход из нагревателя 1 соединен с коническим конфузором 2 разгонного сопла, а выход из конического диффузора 4 разгонного сопла соединен с камерой 5 смешения. Разгонное сопло имеет профиль сверхзвукового сопла для воды, нагретой до температуры, не превышающей температуру насыщения при давлении забортной воды, при этом профиль сопла определен расчетным путем, основанным на расчете профиля, например, известного сопла Лаваля. Площадь проходного сечения горловины 3 разгонного сопла превышает, например, в 2 раза площадь проходного сечения выходного сопла 5, что обеспечивает приблизительно равное соотношение расходов холодной и нагретой забортной воды. Устройство имеет по крайней мере один канал 8, предназначенный для сброса смеси рабочей среды и холодной забортной воды перед выходом на сверхзвуковой режим. Канал 8 имеет обратный клапан 9 и соединен с камерой 5 смешения.

Устройство работает следующим образом.

Нагретая до температуры, не превышающей температуру насыщения при давлении забортной воды, рабочая среда (вода) поступает из нагревателя 1 на вход конфузора 2 разгонного сопла, в котором поток нагретой воды ускоряется так, что в горловине 3 скорость потока достигает скорости звука. В коническом диффузоре 4 разгонного сопла большая часть нагретой воды испаряется, и скорость потока увеличивается, причем на выходе из диффузора 4 разгонного сопла скорость потока в несколько раз превышает скорость звука. В камере 5 сверхзвуковой поток в виде пароводяной смеси смешивается с холодной забортной водой, которая поступает из каналов 7 на вход камеры 5 смешения с расходом, приблизительно равным расходу нагретой воды. В результате конденсации большей части пара давление пароводяной смеси в камере 5 смешения в 8-10 раз ниже, чем давление воды на входе в конфузор 2, что обеспечивает естественную прокачку рабочей среды через разгонное сопло и каналы 7. В камере 5 смешения сверхзвуковой поток тормозится до скорости, немного превышающей скорость звука. Перед выходным соплом 6 в камере 5 смешения происходит скачок давления до величины, почти в два раза превышающей давление забортной воды на входе в разгонное сопло, при этом скорость потока в выходном сопле 6 равна или больше скорости звука. Так как в камере 5 смешения пар конденсируется не полностью, то зависящая от величины паросодержания скорость звука и, следовательно, скорость истечения струи из выходного сопла 6 может быть значительно меньше, чем скорость звука в воде, и составлять величину 100-120 м/с. Эта величина значительно превышает скорость истечения реактивной струи из выходного сопла известного устройства.

Для запуска устройства и выхода на сверхзвуковой (рабочий) режим течения потока производится одновременный сброс смеси рабочей среды и забортной воды из камеры 5 смешения через выходное сопло 6 и через канал 8 при открытом обратном клапане 9. Сброс осуществляется в пространство, давление в котором меньше, чем давление на входе в разгонное сопло, например в емкость атмосферного давления. После запуска устройства обратный клапан 9 закрывается, и сброс потока через канал 8 прекращается.