НАСОС-ТЕПЛОГЕНЕРАТОР

НАСОС-ТЕПЛОГЕНЕРАТОР


RU (11) 2084773 (13) C1

(51) 6 F24J3/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1997.07.20 
(21) Регистрационный номер заявки: 94029725/06 
(22) Дата подачи заявки: 1994.08.09 
(45) Опубликовано: 1997.07.20 
(56) Аналоги изобретения: Авторское свидетельство СССР N 1703924, кл. F 24 H 3/02, 1988. Авторское свидетельство СССР N 1329629, кл. F 24 J 3/00, 1987. 
(71) Имя заявителя: Лесничий Сергей Анатольевич[UA] 
(72) Имя изобретателя: Лесничий Сергей Анатольевич[UA] 
(73) Имя патентообладателя: Лесничий Сергей Анатольевич[UA] 

(54) НАСОС-ТЕПЛОГЕНЕРАТОР 

Использование: для прямого преобразования механической энергии в тепло, уносимое к потребителям прокачиваемой жидкостью. Сущность изобретения: насос-теплогенератор выполнен одно- или многоступенчатым в зависимости от мощности привода вращения и требуемой скорости нагрева. В каждой ступени он имеет полый корпус 1 и консольно подвешенный в корпусе на валу 4 привода вращения полый ротор 5, оснащенный по меньшей мере одним средством 7 воздействия на жидкость для ее нагрева. Для исключения блокирования выхода нагретой жидкости в широком диапазоне скоростей вращения, повышения технологичности, надежности и удобства обслуживания насос-теплогенератор имеет корпус 1, подобный корпусу центробежного насоса, с центральным всасывающим тангенциальным нагнетательным патрубками 2 и 3, полость ротора 5 выполнена состоящей из двух сообщающихся между собой и с полостью корпуса частей: из глухого со стороны вала привода центрального отверстия 8 и, по меньшей мере, одного направленного от центра к периферии ротора канала 6, выход которого имеет угловое смещение относительно входа в направлении, противоположном вращению ротора, а средство 7 воздействия на жидкость для ее нагрева выполнено в виде, по меньшей мере, одного углубления в периферийной части тела ротора, отходящего от каждого канала 6 и в направлении, противоположном направлению вращения ротора. 4 з.п. ф-лы, 3 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к конструкции насосов-теплогенераторов, которые могут быть использованы преимущественно в автономных замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий в местностях, богатых источниками даровой механической энергии, в частности энергии ветра и водных потоков. В особенности такие насосы-преобразователи механической энергии в тепловую пригодны для отопления зданий, в которых в довольно широких пределах допустимы суточные и сезонные колебания температуры, например: коровников или свинарников, хранилищ продукции растениеводства и т.п.

В общем проблема освоения упомянутых источников даровой энергии в последнее время сильно обострилась в связи с истощением доступных и хорошо обустроенных и освоенных месторождений минеральных энергоносителей: угля, нефти и природного газа. Применительно же к указанному классу теплопотребителей эта проблема стоит особенно остро еще и потому, что их количество велико, они рассредоточены на значительных территориях и обычно удалены от месторождений минеральных топлив и узловых пунктов транспортной сети их распределения.

До недавних пор при освоении энергии ветра и малых рек основное внимание уделялось конструированию ветро- и гидроэнергетических установок, которые должны были бы работать совместно с электрогенераторами. На этом пути уже достигнуты впечатляющие результаты, связанные выравниванием мощности, отдаваемой в локальные электросети, при колебаниях нагрузки на ветровые или водяные колеса и с защитой электрогенераторов от перегрузок при скачкообразных увеличениях напора ветра или водного потока.

Но в тех случаях, когда потребителям нужна именно тепловая энергия, двойное преобразование (механической энергии ветра или воды в электрическую и электрической в тепловую энергию) сопряжено с нежелательными энергетическими потерями и с непропорциональным достигаемому результату увеличением капитальных затрат.

Поэтому все чаще появляются технические решения, предусматривающие прямое преобразование механической энергии в тепловую. Эти решения при их практической реализации оказываются тем более эффективными, чем больше масса и теплоемкость теплоносителя, циркулирующего в локальных сетях теплоснабжения, ибо именно запас теплоносителя в таких сетях в силу существенной инерционности теплообменных процессов позволяет простейшим и экономически выгодным путем выравнивать колебания нагрузки на входе в механические теплогенераторы.

Однако эффективность таких теплогенераторов, оцениваемая по критериям простоты и, соответственно, удельной материалоемкости, технологичности в изготовлении, удобства обслуживания и надежности в эксплуатации, существенно зависит от их конструкции.

Например, из описания изобретения к авт. свид. СССР N 1627790 известен фрикционный нагреватель, имеющий корпус-бак с нагреваемой жидкой средой, неподвижный диск, жестко прикрепленный к днищу корпуса, и подвижный диск, установленный с возможностью вращения от ветроэнергетического привода и осевого перемещения относительно неподвижного диска и снабженный по периметру установленными наклонно к оси вращения лопастями.

Выработка тепла в описанном механическом теплогенераторе происходит преимущественно вследствие трения подвижного диска о неподвижный и отчасти вследствие трения лопастей о воду или иную заполняющую бак жидкую среду.

Будучи весьма прост по конструкции, такой нагреватель громоздок и потому с трудом "вписывается" в замкнутые системы теплоснабжения, недостаточно надежен из-за износа контактирующих поверхностей дисков и малоэффективен, хотя и работоспособен, при незначительной ветровой нагрузке.

Из описания изобретения к авт. свид. СССР N 1703924 известен механический теплогенератор "Рязань", имеющий эжектор ("струйный аппарат") и центробежный насос, центральный всасывающий патрубок к нагнетательному патрубку эжектора, а нагнетательный патрубок к разветвляющемуся трубопроводу. Одна из ветвей этого трубопровода подключена к соплу эжектора, а вторая (через поверхностный теплообменник) к всасывающему патрубку эжектора.

Описанный теплогенератор также весьма прост по гидравлической схеме и может быть изготовлен с использованием стандартных комплектующих узлов. Однако генерирование тепла вследствие потерь гидравлической энергии на вихреобразование и трение в потоке оборотной жидкости вынуждает к использованию высокооборотного привода центробежного насоса и эксплуатации насоса при максимальной производительности, обеспечивающей наибольшую турбулизацию оборотной жидкости. Естественно, что малые ветро- или гидроэнергетические установки практически не могут быть использованы без мультипликатора для привода центробежного насоса при осуществлении указанного принципа генерирования тепла.

В связи с изложенным наиболее перспективными представляются теплогенераторы, изготовленные непосредственно на основе насосов и генерирующие тепло внутри корпусов таких насосов преимущественно вследствие попеременного воздействия на нагреваемую жидкость повышенного давления и разрежения.

Из числа таких теплогенераторов наиболее близок к предлагаемому насос-нагреватель текучей среды, известный из описания изобретения к патенту СССР N 1329629 по кл. F 24 J 3/00.

Этот, по меньшей мере, одноступенчатый насос-теплогенератор имеет:

полый цилиндрический (дискообразный в одноступенчатом исполнении) корпус, имеющий периферийный торцевой всасывающий патрубок для подвода нагреваемой и центральный торцевой нагнетательный патрубок для отвода нагретой жидкости;

ротор, выполненный в виде полого барабана, который консольно подвешен к валу привода вращения внутри корпуса и снабжен средствами воздействия на жидкость для ее нагрева, которые выполнены в виде ребер, размещенных в полости этого барабана с интервалами между собой;

(статорный) диск, жестко связанный с корпусом, имеющий кольцевой направляющий канал и, по меньшей мере, один радиальный всасывающий канал для гидравлического подключения направляющего канала к полости корпуса, радиальный напорный канал, у которого входная горловина открыта в кольцевой направляющий канал, а выходное отверстие в осевую полость диска, переходящую в центральный торцевой патрубок корпуса для отвода нагретой жидкой среды, и несущий на периферии, по меньшей мере, одну расширяющуюся в направлении вращения головку.

В теле диска может быть выполнен дополнительный "карбюраторный" канал, сообщающий направляющий канал диска с атмосферой и обеспечивающий подсос воздуха в нагреваемую жидкую среду для повышения ее сжимаемости. При этом в кольцевом направляющем канале между входной горловиной радиального напорного канала и выходом из "карбюраторного" канала может быть предусмотрен пережим, а вблизи выходов из всасывающих каналов в кольцевой направляющий канал в последнем могут быть предусмотрены расширенные участки.

Согласно изобретательскому замыслу нагрев жидкости в описанном насосе-теплогенераторе должен происходить преимущественно вследствие чередования ее сжатия-расширения в зазоре между фигурными ребрами вращающегося ротора и головками на (статорном) диске и отчасти вследствие трения между частями насоса и перекачиваемой нагреваемой жидкостью.

Однако поскольку в описанном насосе-теплогенераторе выходы из радиальных всасывающих каналов открыты в кольцевой направляющий канал, поскольку входная горловина напорного радиального канала начинается оттуда же и, наконец, поскольку упомянутые выходы и вход находятся на примерно одинаковом расстоянии от геометрической оси насоса, постольку центробежная сила, действующая на жидкость при вращении ротора-барабана и порождающая относительное разрежение в кольцевом направляющем канале диска, будет практически одинаково действовать на жидкость во всех радиальных каналах. И если на всасывание этот технический эффект будет оказывать положительное влияние, то на нагнетание отрицательное, причем тем в большей степени, чем больше будет число оборотов ротора-барабана (вплоть до полного прекращения прокачивания жидкости через насос-теплогенератор и аварийного перегрева жидкости, "заблокированной" внутри его корпуса). Поэтому известный насос-теплогенератор способен работать только на малых скоростях вращения с соответствующей невысокой теплопроизводительностью.

Далее, сжатие-расширение нагреваемой жидкости между ребрами ротора-барабана и головками неподвижного диска неизбежно будет приводить к кавитации и, соответственно, к разрушению указанных деталей.

И, наконец, известный насос-теплогенератор весьма сложен по конструкции, а потому нетехнологичен в изготовлении и трудоемок в ремонте при эксплуатации.

Поэтому в основу изобретения положена задача путем усовершенствования формы ротора и гидравлической связи его полости со всасывающим и нагнетательным патрубками корпуса создать такой насос-теплогенератор, который исключал бы блокирование нагнетания в широком диапазоне скоростей вращения ротора, имел бы повышенную теплопроизводительность, был бы более прост в изготовлении, надежен и удобен в эксплуатации.

Поставленная задача решена тем, что в насосе-теплогенераторе, имеющем полый корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости и консольно подвешенный внутри корпуса на валу привода вращения полый ротор, оснащенный, по меньшей мере, одним средством воздействия на жидкость для ее нагрева, согласно изобретению, всасывающий патрубок расположен соосно ротору и присоединен к корпусу со стороны, противоположной валу привода вращения, нагнетательный патрубок присоединен к корпусу тангенциально, полость ротора выполнена из двух сообщающихся между собою и с полостью корпуса частей, первая из которых по ходу жидкости представляет собою глухое центральное отверстие, ориентированное напротив выхода из всасывающего патрубка, а вторая имеет вид по меньшей мере одного направленного от центра к периферии ротора канала, выход которого имеет угловое смещение относительно входа в направлении, противоположном направлению вращения ротора, а средство для воздействия на жидкость для ее нагрева выполнено в виде, по меньшей мере, одного углубления ("кармана") в периферийной части тела ротора, отходящего от каждого канала.

Изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна", поскольку по имеющимся данным не известно из общедоступных источников информации. Соответствует оно и условию патентоспособности "изобретательский уровень", поскольку только указанная совокупность существенных признаков, включая новую форму выполнению ротора и средства воздействия на жидкость для ее нагрева и новое взаиморасположение всех каналов для прохода нагреваемой жидкости обеспечивает новый технический эффект. Действительно, нагреваемая жидкость имеет единственным препятствием для свободного выхода из каналов в роторе только углубления, отходящие от этих каналов. Именно колебания жидкости в этих углублениях под отсасывающим действием центробежной силы и вдавливающим действием силы инерции при вращении ротора приводят к ее нагреву, не препятствуя при этом оттоку жидкости из зон нагрева при среднем и высоком числе оборотов ротора.

Первое дополнительное отличие заключается в том, что каналы в роторе выполнены прямыми, что наиболее технологично при изготовлении роторов путем механической обработки цельных заготовок.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что каналы в роторе выполнены дугообразными, что технологически безразлично при изготовлении роторов литьем, но способствует повышению КПД вследствие уменьшения внутреннего гидросопротивления потоку жидкости через насос-теплогенератор и повышению его эксплуатационной надежности вследствие уменьшения опасности кавитации.

Третье дополнительное отличие предусматривает, что углубления ("карманы"), выполненные в теле ротора, отходят от каналов в направлении, противоположном направлению вращения ротора, а четвертое дополнительное отличие предусматривает, что такие углубления отходят от каналов в направлении по ходу вращения ротора. Первая форма выполнения углублений ("карманов") предпочтительна для высокооборотных роторов мощных насосов-теплогенераторов, поскольку способствует оттоку нагретой жидкости из полости ротора, а вторая предпочтительна для низкооборотных роторов насосов-теплогенераторов средней и малой мощности.

Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкции и работы предлагаемого насоса-теплогенератора со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены:

на фиг. 1 предлагаемый насос-теплогенератор в продольном разрезе;

на фиг. 2 то же, что на фиг. 1, в поперечном разрезе по срединной плоскости ротора;

на фиг. 3 ротор насоса-теплогенератора с криволинейными каналами и углублениями ("карманами") по ходу вращения (в поперечном разрезе по срединной плоскости).

Предлагаемый насос-теплогенератор (см. фиг. 1) имеет полый корпус 1 с центральным всасывающим патрубком 2 и тангенциальным нагнетательным патрубком 3. Эта часть насоса-теплогенератора настолько подобна по форме корпусам серийно выпускаемых одно- или многоступенчатых центробежных насосов, что упомянутые корпуса можно без доработок использовать в практике реализации изобретательского замысла.

Однако в отличие от корпусов центробежных насосов корпуса 1 насосов-теплогенераторов целесообразно снабжать снаружи слоем подходящей теплоизоляции.

В корпусе 1 консольно на валу 4 привода вращения установлен ротор 5 с фигурной проточной внутренней полостью, входная часть которой имеет вид ориентированного напротив выхода из всасывающего патрубка глухого (со стороны вала 4) центрального отверстия, а выходная часть представляет собой, по меньшей мере, один прямо- (как на фиг. 2) или криволинейный (как на фиг. 3) канал 6 с углублением ("карманом") 7 в теле ротора 5, ориентированным против (как на фиг. 2) или по ходу (как на фиг. 3) направления вращения ротора. Указанное углубление 7 служит средством воздействия на жидкость для ее нагрева.

В действительности целесообразно иметь, по меньшей мере, два противоположно выполненных в теле ротора канал 6 с углублениями 7, что упрощает балансировку ротора 5 перед заводскими испытаниями насосов-теплогенераторов. Реально же число каналов 6 и углублений ("карманов") 7 определяет теплопроизводительность. Поэтому их максимальное количество при фиксированных габаритах конкретного ротора 5 определяют из условий прочности и устойчивости ротора 5.

Независимо от (прямо- или криволинейной) формы каналов 6 выходы из них должны быть смещены относительно входов в направлении, противоположном направлению вращения ротора 5. Применительно к прямолинейным каналам (см. фиг. 2) это условие улучшения перетекания подаваемой на нагрев жидкости в зону нагрева и из нее на выход из корпуса 1 может быть легко выполнено ориентированием таких каналов 6 по хордам, а применительно к криволинейным (см. фиг. 3) по дугам эвольвент, начальные точки которых имеют угловое "опережение" в сравнении с конечными.

Углубления ("карманы") 7 также могут быть как прямыми (см. фиг. 2), так и изогнутыми (см. фиг. 3). При этом очевидно, что показанные на упомянутых фигурах варианты сочетаний каналов 6 и углублений 7 не являются обязательными и что, следовательно, возможны комбинации прямолинейных каналов 6 с криволинейными углублениями 7, и наоборот.

Целесообразно также для частичной гидравлической разгрузки обычного сальникового или иного уплотнения 8 вала 4 в корпусе 1 насоса-теплогенератора выполнить в ступице ротора 5 отверстия 9.

Как уже выше было сказано, насос-теплогенератор может быть выполнен как одно- так и многоступенчатым. Тогда все сказанное выше применительно к одной ступени будет иметь силу и для каждой из ступеней с теми очевидными уточнениями, которые касаются передачи жидкости из ступени в ступень по переточным каналам в корпусе, выполнения ротора 5 многосекционным, продления консольного участка вала 4 до последней секции ротора 5 и т.п.

Работает описанный насос-теплогенератор следующим образом.

После его подключения к приводу вращения (например, ветро- или гидроколесу с соответствующими преобразователями крутящего момента и другими обычными приспособлениями) и к потребителю тепла (например, включения в замкнутую локальную систему теплоснабжения непосредственно или через теплоаккумулятор) и заливки полости корпуса 1 жидкостью включают привод.

Вал 4 раскручивает ротор 5, охлажденная (у потребителя тепла) вода или иная жидкость-теплоноситель (например, антифриз) через всасывающий патрубок 2 поступает внутрь корпуса 1 и через центральное отверстие в роторе 5 устремляется в каналы 6, заполняя попутно углубления ("карманы") 7.

При этом жидкость, попавшая в упомянутые углубления, оказывается под действием двух основных сил: центробежной силы, стремящейся "отсосать" содержимое каждого из углублений 7, и силы инерции вращения, стремящейся "закупорить" это жидкое содержимое в углублениях 7. Поскольку мимо углублений 7 при работающем роторе постоянно течет жидкость, содержимое углублений 7 обновляется в колебательном режиме, что сопровождается интенсивным генерированием тепла вблизи выходов из каналов 6.

Нагретая таким образом жидкость выходит через нагнетательный патрубок 3 к теплопотребителю или в теплоаккумулятор.

Незначительная часть общего потока жидкости, просачивающаяся через отверстия 9 в ступице ротора 5, уменьшает подпор на уплотнение 8 со стороны зазора между корпусом 1 и ротором 5, и тем самым снижает нагрузку на уплотнение 8. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Насос-теплогенератор, имеющий полый корпус с всасывающим патрубком для подвода нагреваемой и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости и консольно подвешенный внутри корпуса на валу привода вращения полый ротор, оснащенный по меньшей мере одним средством воздействия на жидкость для ее нагрева, отличающийся тем, что всасывающий патрубок расположен соосно ротору и присоединен к корпусу со стороны, противоположной валу привода вращения, нагнетательный патрубок присоединен к корпусу тангенциально, полость ротора выполнена из двух сообщающихся между собой и с полостью корпуса частей, первая из которых по ходу жидкости представляет собой глухое центральное отверстие, ориентированное напротив выхода из всасывающего патрубка, а вторая имеет вид по меньшей мере одного, направленного от центра к периферии, ротора, канала, выход которого имеет угловое смещение относительно входа в направлении, противоположном направлению вращения ротора, а средство воздействия на жидкость для ее нагрева выполнено в виде по меньшей мере одного отходящего от каждого канала углубления "кармана" в периферийной части тела ротора.

2. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что каналы в роторе выполнены прямыми.

3. Насос-теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что каналы в роторе выполнены дугообразными.

4. Насос-теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что углубления "кармана" отходят от каналов в тело ротора в направлении, противоположном направлению вращения ротора.

5. Насос-теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что углубления "кармана" отходят от тела ротора по ходу его вращения.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения тепловой энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска: "и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+тепло -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "тепло" будут найдены слова "тепловой", "тепловым" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("тепло!").


Теплогенераторы, устройства для нагрева жидких сред и их применение | Теплогенераторы, устройства для нагрева воздуха и других газообразных сред и их применение | Системы и способы теплоснабжения потребителя | Солнечные, ветровые, геотермальные способы генерирования и использования тепловой энергии | Альтернативные способы генерирования и использования тепловой энергии


Рейтинг@Mail.ru