Настоящее изобретение относится к теплотехнике, в частности к вихревым турбо компрессионным системам с реверсивным циклом для нагрева или охлаждения, работающим на принципе нагрева или охлаждения любого теплоносителя — жидкости или газа за счет происходящих в них вихревых процессов.
ГИПОТЕЗА:
Объединение двух процессов нагнетания и энерго разделения теплоносителя в одном процессе позволит значительно повысить КПД термопреобразования на примере охлаждения.
Техническим результатом является создание принципиально нового вихревого турбо компрессионного термопреобразователя (холодильника) с большим КПД.
Вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь содержит два нагнетателя -энерго разделителя, каждый с установленными внутри двумя осевыми турбинами с полыми втулками по центру, которые вращаются вокруг общей оси в противоположных направлениях. Вращающиеся нагнетатели-энерго разделители по краям входят в стационарно закреплённые теплообменники, которые в зависимости от направления вращения системы используются в качестве источника тепла или холода.
Пневмо-гидравлическая связь двух рабочих полостей вихревого турбо генератора тепла / холода с внешней средой отбора тепла осуществляется через щель посредине между двумя вращающимися в противоположных направлениях нагнетателях-энерго разделителях, и через два заборника энергоносителя между теплообменниками и нагнетателями-энерго разделителями по бокам. Вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь может быть использован в качестве источника тепла или холода для различных целей.
Из существующего уровня техники известен вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша) — эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре — закрученный охлажденный поток. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х годов при измерении температуры в промышленном циклоне. Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы. В настоящее время реализован огромное количество аппаратов, в которых используется вихревой эффект.
Существенным недостатком всех систем разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две температурные фракции заключается в обязательном наличии отдельного нагнетателя, не возможность реверсирования процесса энерго разделения и невозможности напрямую использовать одну из температурных фракций многократно для целей увеличения температурного градиента.
Наиболее близким к заявленному техническому решению являются патент RU 2321804, опубликованный 10.04.2008, и патент RU 2407955, опубликованный 27.12.2010 в которых авторы попытались совместить осевой нагнетатель с вихревой трубой. Недостатками данного технического решения является однократность прохождения газа или жидкости через камеру энерго разделения, тем самым получение низкого КПД и не возможность реверсирования теплового потока при изменении направления вращения нагнетателя.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание принципиально нового термопреобразователя путём объединения процессов нагнетания и энерго разделения в один процесс с использованием многократного прохождения одной и той же ступени энерго разделения одним и тем же носителем (газ / жидкость).
Данная задача решается за счет того, что в вихревом реверсивном турбо компрессионном термопреобразователе объединены в одно не делимое целое процесс нагнетания и процесс энерго разделения теплоносителя за счёт использования двух осевых турбокомпрессоров особой конструкции, вращающихся контрроторно друг напротив друга вокруг общей втулки (холодного потока) с использованием многократного прохождения одной и той же ступени энерго разделения одной и той же порцией энергоносителя (газ / жидкость) с возможностью реверсирования нагрев-охлаждение за счёт изменения направления вращения полостей турбо генератора тепла / холода.
Техническим результатом является создание принципиально нового вихревого турбо компрессионного термопреобразователя, в работе которого одновременно участвуют несколько процессов – нагнетание и энерго разделение, благодаря тому, что вихревой компрессионный термопреобразователь содержит два нагнетателя-энерго разделителя каждый с установленными внутри двумя вывернутыми наизнанку осевыми турбинами с полыми втулками по центру, которые вращаются вокруг общей оси в противоположных направлениях и создают друг в друге эффект разделения газа или жидкости. Происходит это благодаря тому, что внутри каждого нагнетателя-энерго разделителя формируются два потока, один в другом, с противоположной круткой и с противоположным направлением движения. На периферии каждой полости образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре — закрученный поток с меньшей температурой. По краям двух полостей расположены теплообменники, которые в зависимости от направления вращения нагнетателей-энерго разделителей используются в качестве источника тепла или холода благодаря использованию многократного прохождения одной и той же ступени энерго разделения одним и тем же носителем (газ / жидкость).
Сущность изобретения поясняется чертежами № 10.10.1 и 10.10.2, на которых представлен вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь.
Рис. № 10.10.1 Цилиндрические турбины с полно проходными отверстиями.
Рис. № 10.10.2. 3-D вид двух цилиндрических турбин с полно проходными отверстиями.
Вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь включает в себя по две осевые турбины особой конструкции с полыми втулками по центру 3, 6 и 10, 13, которые закреплены в двух нагнетателях-энерго разделителях 5, 11. Нагнетатели-энерго разделители 5, 11 вращаются вокруг общего центрального потока в противоположных направлениях в которых протекает основной процесс энерго разделения в камерах 4,12. По краям стационарно расположены теплообменники 1, 15 с внешними заборниками энергоносителя 1-5, 11-15. Внутри каждого теплообменника расположено спрямляющее воздушный поток устройство. Посредине двух, вращающихся в противоположные направления нагнетателях-энерго разделителях 5, 11 расположен регулируемый дроссель 8 с камерами разделения потоков 7, 9 по обе стороны.
Работает устройство следующим образом.
- Рассмотрим процесс охлаждения теплообменников 1, 15.
При включении привода два нагнетателя-энерго разделителя 5,11 с расположенными внутри в каждом по две осевые турбины особой конструкции с полыми втулками по центру 3, 6 и 10, 13, начинают вращаться в противоположные стороны захватывая энергоноситель из полостей теплообменников 2, 14 через внешние заборникамии энергоносителя 1-5, 11-15 . При втекании энергоносителя в полости энерго разделения 4, 12 образуются интенсивные круговые потоки по периферии с противоположной круткой, которые встречаются друг с другом в камерах разделения потоков 7, 9 и вытекают через дроссель 8 в виде горячего потока. В камерах разделения потоков 7, 9 одновременно формируются приосевые обратные круговые потоки, которые направлены противоположно круговым потокам по периферии и имеют противоположную крутку. Благодаря организации такого процесса вращения одного потока внутри другого в противоположных направлениях и с противоположной круткой осуществляется процесс энерго разделения. Источником приосевого обратного потока для камеры энерго разделения 4 является нагнетатель-энергоразделитель 11. И наоборот. Источником приосевого обратного потока для камеры энерго разделения 12 является нагнетатель –энергоразделитель 5. Приосевые обратные потоки заметно охлаждаются в полости энерго разделения 4, 12, отводятся в виде холодного потока в теплообменники 1, 15 где спрямляются (убирается крутка) и тормозятся в полостях 2, 14 , отдавая им тепло. Смешиваются с небольшой частью энергоносителя от внешнего заборника 1-5, 11-15 и весь процесс повторяется снова. Регулируя ширину дросселя 8 и входные площади внешних заборников энергоносителей 1-5, 11-15 изменяем общий уровень давления энергоносителя в системе , тем самым изменяем общее количество холодного потока, который будет многократно использоваться в работе системы.
2. Рассмотрим процесс нагрева теплообменников 1, 15.
При включении привода два нагнетателя-энерго разделителя 5, 11 с расположенными внутри в каждом по две осевые турбины особой конструкции с полыми втулками по центру 3, 6 и 10, 13, начинают вращаться в противоположные стороны, захватывая энергоноситель из полостей камеры разделения потоков 7,8 через окно 8 и одновременно из противоположных приосевых зон осевых турбин особой конструкции 6, 10. При втекании энергоносителя в полостях энерго разделения 4, 12 образуются интенсивные с повышенной температурой круговые потоки по периферии с противоположной круткой. Благодаря организации такого процесса вращения одного потока внутри другого в противоположных направлениях и с противоположной круткой осуществляется процесс энерго разделения. Источником приосевого обратного потока для камеры энерго разделения 4 является нагнетатель-энергоразделитель 11. И наоборот. Источником приосевого обратного потока для камеры энерго разделения 12 является нагнетатель-энергоразделитель 5. Круговые потоки по периферии с повышенной температурой поступают в теплообменники 1, 15 где спрямляются и тормозятся в полостях 2, 14 , отдавая им тепло. Большая часть потока с небольшой частью новой порции энергоносителя от внешнего заборника 1-5, 11-15 снова поступает с одной стороны в приосевую полость 4 за счёт всасывания нагнетателя-энергоразделителя 11, с другой стороны в приосевую полость 12 за счёт всасывания нагнетателя-энергоразделителя 5 и весь процесс повторяется снова. Регулируя ширину дросселя 8 и входные площади внешних заборников энергоносителей 1-5, 11-15 изменяем общий уровень давления энергоносителя в системе, тем самым изменяем общее количество тёплого потока, который будет многократно использоваться в работе системы.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Была собрана упрощённая модель вихревого реверсивного турбо-компрессионного термопреобразователя, см. рис. № 10.10.3.
Рис. № 10.10.3. Модель вихревого реверсивного турбо-компрессионного термопреобразователя.
Упрощённая модель тестировалась на нагрев / охлаждение боковых статических теплообменников. Изменение направления вращения ротора должно привести к изменению направления нагрева / охлаждения теплообменников. В упрощённой модели теплообменниками являлись обыкновенные стальные банки.
ВЫВОД.
Экспериментальные работы подтвердили гипотезу — объединение процесса нагнетания и процесса энерго разделения теплоносителя в один процесс повышает КПД терморазделения.
Упрощённая модель вихревого реверсивного турбо[1]компрессионного термопреобразователя (холодильника) обеспечила вращение двух роторов с скоростями вращения +1000 об/мин и – 1000 об/мин относительно друг друга.
Упрощённая модель вихревого реверсивного турбо-компрессионного термопреобразователя (холодильника) обеспечила нагрев / охлаждение теплообменников в пределах +-5 градусов, в зависимости от направления вращения (направления вихревых потоков внутри вихревого турбо-компрессионного термопреобразователя).
Вихревой реверсивный турбо-компрессионный термопреобразователь, изготовленный с полноценными теплообменниками способен обеспечить охлаждение воздуха на порядок лучшее, чем удалось зафиксировать в эксперименте с упрощённой моделью вихревого реверсивного турбо-компрессионного термопреобразователя.