PL241957B1 - Cavitation and condensation flow heating device - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest grzewcze urządzenie przepływowe kawitacyjno—kondensacyjne. Zasadniczymi elementami urządzenia przepływowego jest komora generatora pary (1) i zespół generatora kawitacyjno-parowy (2), umieszony bezpośrednio w tej komorze, która jest chłodzona płaszczem wodnym (9). Komora generatora pary jest wypełniona elektrolitem (3) do poziomu nie przekraczającego zanurzenia dolnej elektrody neutralnej lub króćca serwisowego (11), który pełni rolę oznacznika i przyłącza do napełniania elektrolitu. Zespół generatora pary (2) jest zamocowany na trzech dystansach izolujących elektrody (6) i w pierścieniu izolującym (8) go od płaszcza wewnętrznego komory. Ponadto zespół generatora pary od dołu jest zasilany elektrolitem poprzez wewnętrzną pompę cyrkulacyjną (4) połączoną z układem hydraulicznym przedmiotowego generatora przez izolujący króciec (5).The subject of the application is a cavitation-condensation flow heating device. The basic elements of the flow device are the steam generator chamber (1) and the cavitation-steam generator set (2), located directly in this chamber, which is cooled by a water jacket (9). The steam generator chamber is filled with electrolyte (3) to a level not exceeding the immersion of the lower neutral electrode or the service connector (11), which serves as a marker and a connection for filling the electrolyte. The steam generator assembly (2) is mounted on three spacers insulating the electrodes (6) and in a ring (8) insulating it from the chamber's inner jacket. In addition, the steam generator unit is supplied with electrolyte from the bottom through an internal circulation pump (4) connected to the hydraulic system of the generator in question through an insulating connector (5).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest grzewcze urządzenie przepływowe kawitacyjno - kondensacyjne.The subject of the invention is a cavitation-condensation flow heating device.

Z polskiego opisu patentowego Pat.239404 znane jest grzewcze urządzenie przepływowe umieszczone na dnie walcowej komory grzejnej posiadające elektrody sonic zne do grzania wody, posiadające wymiennik pionowy wykonany z rur w kształcie gwiazdy a komora grzania jest jednocześnie naczyniem rozszerzalnym z panującym w niej podciśnieniem. Komora grzejna jest od góry zamknięta szczelnie dennicą, w której znajduje się zawór serwisowy umożliwiający uzyskanie podciśnienia.From the Polish patent description Pat. 239404, there is known a flow-through heating device placed at the bottom of a cylindrical heating chamber, equipped with sonic electrodes for heating water, with a vertical exchanger made of star-shaped pipes, and the heating chamber is also an expandable vessel with negative pressure inside it. The heating chamber is sealed from the top with a bottom, in which there is a service valve that allows obtaining negative pressure.

Z opisu FR2690978 znane jest urządzenie zawierające zbiornik elektrolitu ogrzewany przez prąd przewodzący z elektrodami równoległymi. Wytworzona para, unosząca się równoległymi żebrowanymi rurami do górnej komory, traci ciepło do otaczającego powietrza i opada z powrotem w postaci kondensatu do zbiornika. Jeśli zmienione warunki przenoszenia nadmiernie podniosą temperaturę, zwiększone ciśnienie pary powoduje, że część elektrolitu trafia do dolnej komory, zmniejszając powierzchnię styku elektrody. Prąd i moc są zmniejszane, a jeśli równowaga nie zostanie przywrócona, ostatecznie przerwane. Podobnie jest z przerwami w przypadku uszkodzenia grzejnika.From the description of FR2690978, a device is known comprising an electrolyte tank heated by conductive current with parallel electrodes. The generated steam, rising through parallel finned tubes to the upper chamber, loses heat to the surrounding air and falls back as condensate into the tank. If the changed transfer conditions raise the temperature excessively, the increased vapor pressure causes some of the electrolyte to end up in the lower chamber, reducing the contact area of the electrode. The current and power are reduced, and if the balance is not restored, eventually interrupted. The same applies to breaks in the event of damage to the radiator.

Istotą wynalazku jest grzewcze urządzenie przepływowe kawitacyjno - kondensacyjne w którym w dolnej części komory umieszczono zespół generatora kawitacyjno-parowego z elektrodami, które nie są zanurzone bezpośrednio w elektrolicie a wytwarzanie ciepła i pary odbywa się poprz ez wtłoczenie pompą elektrolitu między elektrody, zaś wymiennik pionowy membranowy w połączeniu z komorą generatora jest jednocześnie naczyniem kondensacyjnym i rozszerzalnym. Zespół kawitacyjno - parowy jest zasilany elektrolitem przez dyszę znajdującą się w gładkiej elektrodzie neutralnej, która to w połączeniu z kierownicą stanowi strumieniowe urządzenie rozprowadzające elektrolit pomiędzy dyskowymi elektrodami. Konstrukcja zespołu kawitacyjno - parowego zbudowana jest z czterech elektrod w kształcie dwóch dysków pomiędzy którymi są uformowane trzy niezależne komory parowe dla poszczególnych faz, przy czym dla wszystkich komór jest wspólna elektroda neutralna, i trzy elektrody fazowe odpowiednio przedzielone dystansem pełniącym funkcję izolatora elektry cznego i elementu stabilizującego położenie elektrod. Kształt elektrod fazowych stanowi wycinek koła w udziale mniejszym niż 1/3 jego części ze ściętym narożem, w której wykonano otwory perforacyjne dwustronnie fazowane, umożliwiające rozprężenie i wydosta nie się pary z przestrzeni pomiędzy elektrodami.The essence of the invention is a cavitation-condensation flow heating device in which a cavitation-steam generator set with electrodes that are not immersed directly in the electrolyte is placed in the lower part of the chamber, and the generation of heat and steam is carried out by pumping the electrolyte between the electrodes with a pump, and the vertical membrane exchanger in connection with the generator chamber, it is a condensation and expansion vessel at the same time. The cavitation-steam unit is supplied with electrolyte through a nozzle located in a smooth neutral electrode, which, in conjunction with the stator, is a jet device distributing the electrolyte between the disk electrodes. The construction of the cavitation-steam unit is made of four electrodes in the shape of two disks, between which there are formed three independent steam chambers for individual phases, with a common neutral electrode for all chambers, and three phase electrodes, respectively separated by a distance acting as an electrical insulator and an element stabilizing the position of the electrodes. The shape of the phase electrodes is a section of a circle with a share of less than 1/3 of its part with a truncated corner, in which perforations, chamfered on both sides, were made, enabling steam to expand and escape from the space between the electrodes.

Przedmiot wynalazku pokazano na rysunku 1 przedstawiającym schemat konstrukcji techniczno hydraulicznej urządzenia kawitacyjno - kondensacyjnego, natomiast szczegółową budowę generatora kawitacyjno-parowego przedstawiono na schemacie według rys. 2.The subject of the invention is shown in Fig. 1, which shows the diagram of the technical and hydraulic construction of the cavitation-condensing device, while the detailed construction of the cavitation-steam generator is shown in the diagram according to Fig. 2.

Schemat hydrotechniczny urządzenia kawitacyjno-kondensacyjnego pokazany na rys. 1 zawiera: 1 - komorę generatora pary, 2 - zespół generatora kawitacyjno-parowego, 3 - elektrolit, 4 - pompę cyrkulacyjną wewnętrzną, 5 - izolację pompy cyrkulacyjnej, 6 - dystans izolacyjny elektrody, 7 - króciec serwisowy spustu elektrolitu, 8 - pierścień izolujący elektrody generatora pary, 9 - płaszcz wodny chłodzenia elektrolitu, 10 - wewnętrzne połączenie płaszcza wodnego komory generatora z wymiennikiem, 11 - króciec przelewowy, 12 - wymiennik ciepła, 13 - komorę parową górną, 14 - króciec przeznaczony na zawór zwrotny/bezpieczeństwa, 15 - króćce przyłącza CO wylot/wylot.The hydrotechnical diagram of the cavitation-condensing device shown in Fig. 1 includes: 1 - steam generator chamber, 2 - cavitation-steam generator assembly, 3 - electrolyte, 4 - internal circulation pump, 5 - insulation of the circulation pump, 6 - insulating distance of the electrode, 7 - electrolyte drain service connector, 8 - steam generator electrode insulating ring, 9 - electrolyte cooling water jacket, 10 - internal connection of the generator chamber water jacket with the exchanger, 11 - overflow connector, 12 - heat exchanger, 13 - upper steam chamber, 14 - connector for the non-return/safety valve, 15 - connectors for the CH outlet/outlet.

Zasadniczymi elementami urządzenia kawitacyjno - kondensacyjnego jest komora generatora pary 1 i zespół generatora kawitacyjno-parowy 2, umieszczony bezpośrednio w tej komorze, która jest chłodzona płaszczem wodnym 9. Komora generatora pary jest wypełniona elektrolitem 3 do poziomu nie przekraczającego zanurzenia dolnej elektrody neutralnej (rys. 2, elektroda g) lub króćca serwisowego 11, który pełni rolę oznacznika i przyłącza do napełniania elektrolitu. Zespół generatora pary 2 jest zawieszony na trzech dystansach izolujących elektrody 6 i w pierścieniu izolującym 8 go od płaszcza wewnętrznego komory. Ponadto zespół generatora pary od dołu jest zasilany elektrolitem poprzez wewnętrzną pompę cyrkulacyjną 4 połączoną z układem hydraulicznym przedmiotowego generatora przez izolujący króciec 5. Nad komorą generatora pary znajduje się wymiennik membranowy 12, który jest połączony bezpośrednio z wodny płaszczem komory generatora przyłączem wewnętrznym 10. W dnie komory generatora pary znajduje się króciec 7 służący do opróżniania komory z zużytego elektrolitu, natomiast w górnej pokrywie jest przewidziany króciec 14 przeznaczony na zawór zwrotny/bezpieczeństwa. Cały przedmiotowy kocioł od góry jest zamknięty górną komorą 13 pozwalającą na cyrkulację pary i swobodne opadanie kondensatu do komory generatora pary. Z zewnętrznym obiegiem centralnego ogrzewania kocioł jest połączony poprzez króciec wlotowy i wylotowy 15, przy czym króciec wlotowyThe basic elements of the cavitation-condensation device are the steam generator chamber 1 and the cavitation-steam generator set 2, placed directly in this chamber, which is cooled by a water jacket 9. The steam generator chamber is filled with electrolyte 3 to a level not exceeding the immersion of the lower neutral electrode (Fig. 2, electrode g) or service connector 11, which serves as a marker and connection for filling the electrolyte. The steam generator assembly 2 is suspended on three spacers insulating the electrodes 6 and in a ring 8 insulating it from the inner jacket of the chamber. In addition, the steam generator unit is supplied with electrolyte from the bottom through an internal circulation pump 4 connected to the hydraulic system of the generator in question through an insulating stub pipe 5. Above the steam generator chamber, there is a membrane exchanger 12, which is directly connected to the water jacket of the generator chamber by means of an internal connection 10. In the steam generator chamber, there is a connector 7 used to empty the chamber of the used electrolyte, while in the upper cover there is a connector 14 for a non-return/safety valve. The entire boiler in question is closed from the top with the upper chamber 13, allowing steam to circulate and the condensate to fall freely into the steam generator chamber. The boiler is connected to the external central heating circuit through the inlet and outlet stub pipes 15, the inlet stub pipe 15

PL 241 957 B1 znajduje się w płaszczu wodnym 9, a wylotowy w górnej strefie wymiennika 12. Komora generatora pary jest połączona z wymiennikiem membranowym poprzez kryzy pozwalające na rozpołowienie kotła w przypadku remontu generalnego.PL 241 957 B1 is located in the water jacket 9, and the outlet jacket in the upper zone of the exchanger 12. The steam generator chamber is connected to the membrane exchanger through orifices that allow the boiler to be split in half in the event of a general overhaul.

Natomiast szczegółową budowę generatora kawitacyjno-parowego przedstawiono na schemacie (rys. 2). Przedmiotowy zespół ma kształt podwójnego dysku składającego się z czterech elektrod tj. odpowiednio elektrody fazy L1 (a), L2 (b), L3 (c) oraz neutralnej (g), która jest wspólna dla wszystkich faz. W tym układzie wykorzystano połączenie elektryczne w gwiazdę, gdzie elektrolit jest pasywnym łącznikiem fazowym. Przy czym elektroda neutralna (g) jest gładkim krążkiem mającym podtrzymać elektrolit w przestrzeni pomiędzy elektrodami, natomiast elektrody fazowe mają promień zewnętrzny równy elektrodzie neutralnej, a stanowią jedną trzecią krążka pomniejszoną o odstępy technologiczne (widok z góry rys. 2). Ponadto elektrody fazowe mogą być w znacznym stopniu perforowane przez nawiercanie otworów podwójnie fazowanych, co zwiększa ich powierzchnię pracy i ułatwia wydostanie się pary z przestrzenni pomiędzy elektrodami. W elektr odzie neutralnej (g) znajduje się dysza (e), a nad nią stożek stanowiący kierownicę (j) dla tej dyszy w celu równomiernego rozprowadzenia strugi elektrolitu pomiędzy elektrodami. Kierownica (j) dyszy jest wykonana z materiału nieprzewodzącego prądy i stanowi podparcie elektrod w połączeniu z dystansami (d) między elektrodami ustalając ich jednoznaczne położenie w przedmiotowym generatorze pary. Ponadto dystanse (d) w połączeniu z kierownicą (j) dyszy są elektrycznie izolatorami i dzielą przestrzeń dyskową w której zachodzi generacja pary na trzy równe części. Elektrody fazowe są połączone śrubami (i) poprzez dystanse izolujące (h) z elektrodą neutralną, a następnie dystanse izolacyjne (f) z dennicą komory generatora pary. Śruby (i) zapewniają wyprowadzenia elektryczne dla podłączenia poszczególnych faz do sieci elektrycznej, natomiast dysza (e) jest wyprowadzeniem elektrycznym dla zacisku neutralnego.The detailed construction of the cavitation-steam generator is shown in the diagram (Fig. 2). The unit in question has the shape of a double disk consisting of four electrodes, i.e. the L1 (a), L2 (b), L3 (c) and neutral (g) phase electrodes, respectively, which is common to all phases. This system uses a star electrical connection, where the electrolyte is a passive phase connector. The neutral electrode (g) is a smooth disc to support the electrolyte in the space between the electrodes, while the phase electrodes have an outer radius equal to the neutral electrode and constitute one third of the disc minus the technological gaps (top view Fig. 2). In addition, the phase electrodes can be significantly perforated by drilling double-chamfered holes, which increases their working surface and facilitates the escape of steam from the space between the electrodes. In the neutral electrode (g) there is a nozzle (e) and above it a cone that acts as a guide (j) for this nozzle in order to evenly distribute the electrolyte stream between the electrodes. The nozzle guide (j) is made of a non-conductive material and supports the electrodes in combination with the distances (d) between the electrodes, determining their unambiguous position in the steam generator in question. In addition, the spacers (d) in connection with the nozzle guide (j) are electrically insulating and divide the disc space in which the steam generation takes place into three equal parts. The phase electrodes are bolted (i) through insulating spacers (h) to the neutral electrode, and then insulating spacers (f) to the bottom of the steam generator chamber. The screws (i) provide the electrical connections for connecting the individual phases to the mains, while the nozzle (e) is the electrical connection for the neutral terminal.

Zasada działania.Principle of operation.

Po włączeniu pompy cyrkulacyjnej 4, obiegu wewnętrznego (krótkiego) elektrolit jest zasysany z środkowej części komory generatora pary 1, w której znajduje się płynny elektrolit i bezpośrednio podawany od dołu pomiędzy elektrodę neutralną (g) a trzy niezależne elektrody fazowe (a, b, c). Przy braku zasilanie elektrod fazowych elektrolit swobodnie wypływa z przestrzeni między dyskowej postrzegalnych elektrod. Natomiast po podłączeniu zasilania elektrycznego do elektrod przedmiotowego kotła jego zasada pracy opiera się na bezpośrednim przepływie prądu przez elektrolit znajdujący się pomiędzy elektrodami fazowymi (a, b, c), a neutralną (g) w trzech niezależnych częściach między dyskowych stanowiących obciążenie poszczególnych faz. Wytworzona para w części między dyskowej wydostaje się przez otwory perforacyjne elektrod fazowych i zewnętrzny pierścień między dyskowy przyspieszając wyrzut nadmiaru elektrolitu z tej części. Praca opisanego generatora pary jest podtrzymywana przez elektrolit podawany pomiędzy elektrody za pomocą wewnętrznej pompy (4 rys. 1) przez dyszę (e rys. 2) i jej kierownice (j rys. 2). Bezpośredni przepływ prądu w niewielkiej objętości elektrolitu znajdującego się pomiędzy elektrodami generuje ciepło skumulowane w parze, która unosząc się ku górze trafia na wymiennik membranowy 12, ochładzając się, a po kondensacji spływa do z powrotem do komory generatora. Należy zaznaczyć iż pompa cyrkulacyjna zasysa elektrolit ze środkowej części komory wypełnionej elektrolitem ze strefy uspokojonej i ochłodzonej do ustalanej temperatury, ponieważ komora generatora pary jest chłodzona obiegiem zewnętrznym (centralnego ogrzewania - CO) przez króćce 15. Przy czym wlot czynnika (CO) znajduje się bezpośrednio w płaszczu komory generatora pary.After turning on the circulation pump 4, the internal (short) circuit, the electrolyte is sucked from the central part of the steam generator chamber 1, in which there is a liquid electrolyte, and directly fed from the bottom between the neutral electrode (g) and three independent phase electrodes (a, b, c ). In the absence of power to the phase electrodes, the electrolyte flows freely from the disc space between the sensible electrodes. However, after connecting the power supply to the electrodes of the boiler in question, its operating principle is based on the direct current flow through the electrolyte located between the phase electrodes (a, b, c) and the neutral electrode (g) in three independent parts between the discs constituting the load of the individual phases. The generated steam in the inter-disc part escapes through the perforations of the phase electrodes and the outer ring between the discs, accelerating the discharge of excess electrolyte from this part. The operation of the described steam generator is supported by the electrolyte fed between the electrodes by means of an internal pump (4 fig. 1) through the nozzle (e fig. 2) and its guides (j fig. 2). The direct flow of current in a small volume of electrolyte between the electrodes generates heat accumulated in the steam, which, rising upwards, reaches the membrane exchanger 12, cools down, and after condensation flows back to the generator chamber. It should be noted that the circulation pump sucks the electrolyte from the central part of the chamber filled with electrolyte from the calmed and cooled zone to the set temperature, because the steam generator chamber is cooled by the external circulation (central heating - CO) through stub pipes 15. The inlet of the medium (CO) is located directly in the jacket of the steam generator chamber.

Moc przedmiotowego kotła jest determinowana poprzez konstrukcję generatora pary tj. średnicę elektrod, dystans pomiędzy elektrodami fazowymi a neutralną oraz wydajność wewnętrznej pompy obiegowej. Natomiast regulacja mocy kotła może być wewnętrzna, poprzez zmianę wydajności wewnętrznej pompy cyrkulacyjnej, lub zewnętrznie przez elektryczny trójfazowy regulator (prądu) mocy.The power of the boiler in question is determined by the construction of the steam generator, i.e. the diameter of the electrodes, the distance between the phase and neutral electrodes and the efficiency of the internal circulation pump. On the other hand, boiler power regulation can be internal, by changing the efficiency of the internal circulation pump, or externally by an electric three-phase power (current) regulator.

Generacja ciepła, pary następuje po równoczesnym podłączeniu zasilania trójfazowego do elektrod i po zasileniu pompy cyrkulacyjnej. Podłączenie elektrod fazowych do zasilania można traktować, jako stan czuwania, który nie naraża kotła na uszkodzenia.Generation of heat and steam takes place after simultaneous connection of three-phase power supply to the electrodes and after powering the circulation pump. Connecting the phase electrodes to the power supply can be treated as standby mode, which does not expose the boiler to damage.

Rozwiązanie według wynalazku zmniejsza opór elektryczny na elektrodach i ułatwia wydobycie się pęcherzyków pary z cieczy (brak zanurzenia).The solution according to the invention reduces the electrical resistance on the electrodes and facilitates the emergence of vapor bubbles from the liquid (no immersion).

Claims (3)

1. Grzewcze urządzenie przepływowe kawitacyjno - kondensacyjne zawierające komorę generatora pary, zespół generatora kawitacyjno-parowego, elektrolit, pompę cyrkulacyjną wewnętrzną, płaszcz wodny chłodzenia elektrolitu, wymiennik ciepła, oraz komorę parową, znamienne tym, że w dolnej części komory (1) umieszczono zespół generatora kawitacyjno-parowego (2) z elektrodami znajdującymi się ponad elektrolitem (3), zaś wymiennik pionowy membranowy (12) w połączeniu z komorą generatora (1) jest jednocześnie naczyniem kondensacyjnym i rozszerzalnym, przy czym zespół kawitacyjno - parowy połączony jest z pompą cyrkulacyjną wewnętrzną (4) przez dyszę (e) znajdującą się w gładkiej elektrodzie neutralnej (f), która to w połączeniu z kierownicą (j) stanowi strumieniowe urządzenie rozprowadzające elektrolit pomiędzy dyskowymi elektrodami.1. A cavitation-condensation flow heating device containing a steam generator chamber, a cavitation-steam generator assembly, an electrolyte, an internal circulation pump, an electrolyte cooling water jacket, a heat exchanger, and a steam chamber, characterized in that in the lower part of the chamber (1) there is a cavitation-steam generator (2) with electrodes located above the electrolyte (3), and the vertical membrane exchanger (12) in connection with the generator chamber (1) is both a condensation and expansion vessel, while the cavitation-steam unit is connected to a circulation pump internal (4) through the nozzle (e) located in the smooth neutral electrode (f), which in connection with the stator (j) is a jet device distributing the electrolyte between the disk electrodes. 2. Grzewcze urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że konstrukcja zespołu kawitacyjno - parowego (2) zbudowana jest z czterech elektrod w kształcie dwóch dysków pomiędzy którymi są uformowane trzy niezależne komory parowe dla poszczególnych faz, przy czym dla wszystkich komór jest wspólna elektroda neutralna (f), i trzy elektrody fazowe odpowiednio (a, b, c) przedzielone dystansem (d) pełniącym funkcję izolatora elektrycznego i elementu stabilizującego położenie elektrod.2. A heating device according to claim 2, characterized in that the construction of the cavitation-steam unit (2) is made of four electrodes in the shape of two disks between which three independent steam chambers for individual phases are formed, with a common neutral electrode (f) for all chambers, and three phase electrodes (a, b, c), respectively, separated by a distance (d) acting as an electrical insulator and an element stabilizing the position of the electrodes. 3. Grzewcze urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że kształt elektrod fazowych (a, b, c) stanowi wycinek koła w udziale mniejszym niż 1/3 jego części ze ściętym narożem, w której wykonano otwory perforacyjne dwustronnie fazowane, umożliwiające rozprężenie i wydostanie się pary z przestrzeni pomiędzy elektrodami.3. A heating device according to claim 3, characterized in that the shape of the phase electrodes (a, b, c) is a section of a circle with a share of less than 1/3 of its part with a truncated corner, in which double-sided chamfered perforations were made, enabling steam to expand and escape from the space between the electrodes .