RU2160417C2 - Heat generating pump - Google Patents

Abstract

FIELD: constructions of heat generating pumps suitable for using in autonomous closed systems for heat supply and for heating liquid in manufacturing equipment without burning organic fuel. SUBSTANCE: rotor pump-heat generator includes hollow housing with suction branch pipe for supplying heated liquid and pumping branch pipe for discharging heated liquid. Rotor in the form of centrifugal wheel with peripheral openings and stator with openings are arranged inside housing. Stator is mounted coaxially with rotor. Centrifugal wheel is double-flow one. Openings of rotor are in the form of conical nozzles narrowed towards stator side. Openings of stator are in the form of sharply widened nozzles with transition to cone flare nozzle with flare angle α=90 degrees. Such openings allow to eliminate effect of sticking boundary layer of liquid to wall and to increase zones of hydrodynamic cavitation. EFFECT: simplified design, intensified liquid heating due to increased effort of hydraulic shock and hydrodynamic cavitation. 4 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям насосов-теплогенераторов, которые могут быть использованы преимущественно в автономных замкнутых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий, а также для нагрева жидкостей в технологических системах. The invention relates to constructions of heat-generating pumps, which can be used mainly in autonomous closed systems for heat supply of residential, public and industrial buildings, as well as for heating liquids in technological systems.

Ближайшим технологическим решением является ультразвуковой активатор (патент RU N 2054604 C1 от 20.02.1996), содержащий две или более соединенные последовательно рабочие камеры, в каждой из которых установлены рабочие колеса центробежного насоса, скрепленные 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. Последняя рабочая камера соединена с первой камерой циркуляционным контуром. The closest technological solution is an ultrasonic activator (patent RU N 2054604 C1 of 02.20.1996) containing two or more working chambers connected in series, in each of which impellers of a centrifugal pump are mounted, fastened at the periphery by rotors in the form of perforated rings. Coaxial to the rotors in the housings of the working chambers opposite each rotor is a stator made in the form of a perforated ring. The working chambers are interconnected by means of diffusers. The last working chamber is connected to the first chamber by a circulation circuit.

Недостатками известного устройства являются:
большие осевые нагрузки на подшипники;
нетехнологичность сборки, так как требуется поэлементная единовременная сборка ротора, деталей корпуса, статора;
трудность обеспечения взаимной центровки спрягаемых деталей;
сложность обеспечения высокой плотности корпуса устройства при колебаниях давления и температуры.The disadvantages of the known device are:
large axial loads on bearings;
low-tech assembly, since a one-time simultaneous assembly of the rotor, housing parts, and stator is required;
the difficulty of ensuring mutual alignment of the conjugated parts;
the difficulty of ensuring a high density of the device casing with fluctuations in pressure and temperature.

Задача изобретения - создание более простого устройства, а также интенсификация нагрева жидкости за счет повышения силы гидравлического удара и гидродинамической кавитации. The objective of the invention is the creation of a simpler device, as well as the intensification of fluid heating by increasing the force of hydraulic shock and hydrodynamic cavitation.

Поставленная задача достигается тем, что в роторном гидроударном насосе-теплогенераторе, содержащем корпус с патрубками для подвода и отвода жидкости, внутри корпуса концентрично друг другу расположены ротор и статор. В периферийной части ротора выполнены отверстия в виде коноидальных насадков, расширяющиеся части которых расположены к центру ротора. В статоре отверстия выполнены расширяющимися в сторону корпуса и имеющими форму внезапно расширяющегося насадка с переходом в конический расходящийся насадок с углом расширения α =90^o.The problem is achieved in that in a rotary hydraulic shock pump-heat generator containing a housing with nozzles for supplying and discharging fluid, the rotor and the stator are arranged concentrically to each other inside the housing. In the peripheral part of the rotor, holes are made in the form of conoidal nozzles, the expanding parts of which are located to the center of the rotor. In the stator, the holes are made expanding towards the body and having the shape of a suddenly expanding nozzle with a transition to a conical diverging nozzle with an expansion angle α = 90 ^° .

Такая форма отверстий статора позволяет устранить эффект Коанда - прилипания пограничного слоя жидкости к прилегающей стенке и в большей степени способствует возникновению гидродинамической кавитации, чем, например, отверстия статора, выполненные в виде конического расходящегося насадка. This shape of the stator holes allows you to eliminate the Coanda effect - adhesion of the fluid boundary layer to the adjacent wall and contributes to a greater degree of hydrodynamic cavitation than, for example, the stator holes made in the form of a conical diverging nozzle.

Ротор оснащен лопатками, как центробежный насос, предназначенными для сообщения центробежной силы нагреваемой жидкости. The rotor is equipped with vanes, like a centrifugal pump, designed to communicate the centrifugal force of the heated fluid.

На фиг. 1 изображен продольный разрез насоса-теплогенератора, состоящего из следующих основных деталей:
1 - полый корпус (статор);
2 - кольцо статора с отверстиями;
3 - ротор, выполненный в виде двухпоточного центробежного колеса;
4 - вал ротора;
5 - кольцо ротора с отверстиями;
6 - всасывающие патрубки корпуса насоса-теплогенератора;
На фиг. 2 изображен поперечный разрез насоса-теплогенератора:
7 - патрубок для отвода нагреваемой жидкости;
8 - всасывающие полости ротора.In FIG. 1 shows a longitudinal section of a heat pump, consisting of the following main parts:
1 - hollow body (stator);
2 - stator ring with holes;
3 - a rotor made in the form of a double-flow centrifugal wheel;
4 - rotor shaft;
5 - a rotor ring with holes;
6 - suction nozzles of the pump-heat generator body;
In FIG. 2 shows a cross section of a heat pump:
7 - pipe for draining the heated fluid;
8 - suction cavity of the rotor.

На фиг. 3 изображено положение колец ротора и статора при совмещении отверстий. В этом положении в зонах II возникает гидродинамическая кавитация. In FIG. 3 shows the position of the rotor and stator rings when aligning the holes. In this position, hydrodynamic cavitation occurs in zones II.

На фиг. 4 изображено положение колец ротора и статора при несовпадении (перекрытии) отверстий. В этот момент в зонах I ротора возникают гидравлические удары, а в зонах II исчезают кавитационные пузырьки под действием гидростатического давления в нагнетательной полости. In FIG. 4 shows the position of the rings of the rotor and stator in case of mismatch (overlap) of the holes. At this moment, hydraulic shocks occur in zones I of the rotor, and cavitation bubbles disappear in zones II under the influence of hydrostatic pressure in the injection cavity.

Работает описанный насос-теплогенератор следующим образом. The described heat pump is as follows.

Нагреваемая жидкость по всасывающему патрубку 6 полого корпуса 1 фиг. 1 поступает во всасывающую полость 8 и, разделившись на два потока, направляется в ротор 3, выполненный в форме двухпоточного рабочего колеса центробежного насоса. The heated fluid along the suction pipe 6 of the hollow body 1 of FIG. 1 enters the suction cavity 8 and, divided into two streams, is sent to the rotor 3, made in the form of a double-flow impeller of a centrifugal pump.

Ротор 3, вращаясь, воздействует лопатками на жидкость, отбрасывая ее к периферийной части и сообщая потоку жидкости кинетическую энергию. The rotor 3, rotating, acts with the blades on the fluid, discarding it to the peripheral part and communicating kinetic energy to the fluid flow.

Жидкость, проходя через коноидальные отверстия, разделяется на струи с максимальной удельной кинетической энергией и максимальной скоростью по сравнению с другими формами насадок. The fluid, passing through the conoidal openings, is divided into jets with a maximum specific kinetic energy and maximum speed compared with other forms of nozzles.

В момент перекрытия отверстий ротора 5 боковыми стенками статора 2 фиг. 4 происходит резкое повышение давления (в зоне I фиг. 4) - прямой гидравлический удар. Так как количество отверстий в роторе и статоре одинаковое, то радиальные направления гидравлических ударов струек равномерно распределены по окружности статора. В момент совмещения отверстий ротора и статора происходит резкое снижение давления и часть энергии жидкости переходит в тепловую энергию, которую можно определить по формуле:
V • ΔP = V • ν • C • m • Δt ,
где V - объем жидкости, протекающей через насадок в см³;
ΔP - потеря (перепад) давления в насадке в кг/см²;
ν - объемный вес жидкости в кг/см³;
C - удельная теплоемкость жидкости в ккал/(кг•град);
m - механический эквивалент тепла в кг•см³/ккал;
Δt = t-t₀ - повышение температуры жидкости;
t и t₀ - искомая и начальная температуры жидкости в ^oC.At the moment of overlapping of the rotor holes 5 with the side walls of the stator 2 of FIG. 4 there is a sharp increase in pressure (in zone I of Fig. 4) - a direct hydraulic shock. Since the number of holes in the rotor and stator is the same, the radial directions of hydraulic impacts of the jets are uniformly distributed around the circumference of the stator. At the time of combining the rotor and stator holes, a sharp decrease in pressure occurs and part of the liquid energy passes into thermal energy, which can be determined by the formula:
V • ΔP = V • ν • C • m • Δt,
where V is the volume of fluid flowing through the nozzles in cm ³ ;
ΔP - pressure loss (differential) in the nozzle in kg / cm ² ;
ν is the volumetric weight of the liquid in kg / cm ³ ;
C is the specific heat of the liquid in kcal / (kg • deg);
m is the mechanical equivalent of heat in kg • cm ³ / kcal;
Δt = tt ₀ - increase in temperature of the liquid;
t and t ₀ - the desired and initial temperature of the liquid in ^o C.

В соответствии с приведенной формулой

Для воды ν = 0.001 кг/см³;
C = 1 ккал/кг • град;
m = 42700 кг•см/ккал.In accordance with the above formula

For water, ν = 0.001 kg / cm ³ ;
C = 1 kcal / kg • deg;
m = 42700 kg • cm / kcal.

В момент совмещения отверстий ротора 5 и статора 6 жидкость, получившая высокую кинетическую энергию, попадает в расходящиеся отверстия статора, где происходит резкое повышение давления и падение скорости жидкости, а из-за внезапного расширения отверстий в статоре и из-за большого угла расширения стенок отверстий - фиг. 3 - происходит отрыв струи жидкости от стенок. В зоне II фиг. 3 происходит резкое понижение давления ниже давления водяных паров, жидкость вскипает, возникает гидродинамическая кавитация. В момент следующего перекрытия отверстий ротора стенками статора в отверстиях статора, в зонах II, давление повышается, и кавитационные пузырьки "схлопываются", вызывая местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся высокими забросами давления до 1500-2000 кг/см² и температуры 1000-1500^oC.At the moment of combining the holes of the rotor 5 and the stator 6, the liquid, which received high kinetic energy, enters the diverging holes of the stator, where there is a sharp increase in pressure and a drop in the speed of the liquid, and due to the sudden expansion of the holes in the stator and due to the large angle of expansion of the walls of the holes - FIG. 3 - there is a separation of the liquid stream from the walls. In zone II of FIG. 3 there is a sharp decrease in pressure below the pressure of water vapor, the liquid boils, there is hydrodynamic cavitation. At the time of the next overlapping of the rotor holes by the stator walls in the stator holes, in zones II, the pressure rises and the cavitation bubbles "collapse", causing local hydraulic micromolts, accompanied by high pressure surges up to 1500-2000 kg / cm ² and a temperature of 1000-1500 ^o C .

Колебания гидравлической системы, вызванные гидравлическими ударами и гидродинамической кавитацией, налагаясь, способствуют возникновению режима автоколебаний. С момента установления режима автоколебаний скорость нагрева жидкости резко возрастает. Fluctuations in the hydraulic system caused by hydraulic shocks and hydrodynamic cavitation, superimposed, contribute to the emergence of a mode of self-oscillations. Since the establishment of the regime of self-oscillations, the heating rate of the liquid increases sharply.

Жидкость, нагретая в результате выделения энергии, вытесняется к выпускному патрубку 7 фиг. 2 и направляется в систему теплопотребления. The liquid heated as a result of the energy release is displaced to the outlet pipe 7 of FIG. 2 and sent to the heat consumption system.

Указанный насос-теплогенератор можно применять для отопления и горячего водоснабжения коттеджей, сельских, гражданских и промышленных объектов, а также для нагрева жидкостей в технологических процессах. The specified heat pump can be used for heating and hot water supply of cottages, rural, civil and industrial facilities, as well as for heating liquids in technological processes.

Использование предлагаемого насоса-теплогенератора позволяет обеспечить горячей водой и тепловой энергией объекты, удаленные от магистральных трубопроводов, а окружающая среда не загрязняется продуктами сгорания топлива в местах выработки тепловой энергии. Using the proposed pump-heat generator allows you to provide hot water and thermal energy to objects that are remote from the main pipelines, and the environment is not polluted by the products of fuel combustion in places of heat energy production.

Список использованной литературы
1. Т.М. Башта. Машиностроительная гидравлика. - М.: Машиностроение, 1971 г., стр. 44-49, 118, 349, 375, 379-381, 509-512.List of references
1. T.M. Bashta. Engineering hydraulics. - M.: Mechanical Engineering, 1971, pp. 44-49, 118, 349, 375, 379-381, 509-512.

2. Л. М. Курганов, Н.Ф. Федоров. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. - Ленинград: Стройиздат, 1973 г., стр. 56-67, 185-194. 2. L. M. Kurganov, N.F. Fedorov. Handbook for hydraulic calculations of water supply and sewage systems. - Leningrad: Stroyizdat, 1973, pp. 56-67, 185-194.

3. Л.И. Богомолов, К.А. Михайлов. Гидравлика. - М.: Стройиздат, 1972 г., стр. 87-92, 142-150, 398-405. 3. L.I. Bogomolov, K.A. Mikhailov. Hydraulics. - M .: Stroyizdat, 1972, pp. 87-92, 142-150, 398-405.

Claims (1)

Роторный насос-теплогенератор, содержащий полый корпус со всасывающим патрубком для подвода нагреваемой жидкости и нагнетательным патрубком для отвода нагретой жидкости и расположенные внутри корпуса ротор в виде центробежного колеса с отверстиями по периферии и статор с отверстиями, установленный коаксиально ротору, отличающийся тем, что центробежное колесо выполнено двухпоточным, отверстия в роторе - в виде коноидальных насадок, сужающихся в сторону статора, а отверстия последнего - в виде внезапно расширяющихся насадков с переходом в конические расходящиеся насадки с углом расширения α = 90^o.A rotary heat pump, comprising a hollow body with a suction pipe for supplying a heated fluid and a discharge pipe for removing heated fluid and a rotor located inside the body in the form of a centrifugal wheel with holes along the periphery and a stator with holes installed coaxially to the rotor, characterized in that the centrifugal wheel made by two-flow, holes in the rotor - in the form of conoidal nozzles, tapering towards the stator, and the holes of the latter - in the form of suddenly expanding nozzles with a transition m in conical diverging nozzles with an expansion angle α = 90 ^o .

Images