Наукове обгрунтування принципу роботи гідродинамічних теплогенераторів Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 510.223: 662.92

С. А. Беспалько, А. В. Йовченко, д-р техн. наук С. П. Поляков

канд.техн. наук С. Я. Губар Державний технолопчний ушверситет, м. Черкаси

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ ПРИНЦИПУ РОБОТИ Г1ДРОДИНАМ1ЧНИХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР1В

У статтi запропоновано один з алгоритмiв отримання нових конструктивних рiшень при створеннi теплових генераторiв. Використовуючи елементи теорИ множин, проводиться анализ та систематизацiя iснуючих винаходiв.

Постановка проблеми

На сучасному еташ розвитку людства поступове попршення еколопчно! ситуаци призвело до прийняття ООН жорстких обмежень на викиди парникових газiв в атмосферу [1]. Результатом цих обмежень став пе-рехщ розвинених кра!н свiту на автономне теплопос-тачання, зокрема з використанням електрично! енерги. У зв'язку з цим на свiтовому ринку виник великий попит на продукцш шдприемств-виробнишв рiзних систем електроопалювання (теплових насоав, елект-ричних котлiв, ТЕШв i т. д.) [2].

У кра!нах СНД останнiми роками вчеш зосереди-ли свою увагу на впровадженнi в системи опалювання i гарячого водопостачання установок, що використо-вують метод дисипативного названия рiдини - пдро-динамiчних теплогенераторiв [3]. Цi установки, на ввдшну вiд нагрiвачiв, що використовують ТЕНи, поз-бавленi багатьох суттевих недолiкiв. Зокрема, за !х допомоги можна нагрiвати практично будь-як1 рщини, оск1льки вони не вимагають спещально! пiдготовки теплоносiя i дорогого теплообмiнного устаткування [4].

Однак при цьому в науковiй лiтературi вiдсутнi результата комплексних дослщжень механiзму генеру-вання теплово! енерги в даних установках, а отже, i единого тдходу до !х створення.

Мета роботи

Виконати аналiз та систематизащю конструкцiй теплогенераторiв, що дозволяють здшснити метод дисипативного нагрiвання рщини.

Результата дослiджень

Для досягнення поставлено! мети, використовуючи оригшальну методику [5], було розглянуто ряд прин-ципових схем теплогенераторних установок, що пред-ставленi в патентах Укра!ни та Росп [6-10]. В основi оригинально! методики лежить використання елеменпв теорп множин, що дозволяе показати еволюцшний процес реалiзацi! концепцi! дисипативного на^ван-ня рiдини.

Проведений аналiз принципових схем показав, що кожна теплогенераторна установка фактично являе собою замкнуту гiдравлiчну систему, до складу яко! входять п'ять основних елементiв: насос Н, пристрш для нагрiвання рвдини П, активацiйний об'ем О, гiдравлiчнi труби Т та бак з рщиною Б (рис. 1); яш з позицi! теорi! множин розглядаються як вихiднi (або первиннi) ознаки функцiонально! (або конструктивно!) природи:

теплогенератор = Н и П и Т и О и Б , (1)

де Н - насос; П - пристрш для на^вання рщини; Т - гiдравлiчнi труби; О - активацшний об'ем; Б - бак з робочою рщиною.

Використовуючи операщю перетинання (I), з теорi! множин [11] до первинних ознак П, Т та О можна отримати перший змютовний результат:

ПТО = П П Т П О, (2)

що ввдповщае роботi пристрою для на^вання П в зам-кненому об'емi рiдини О, що обмежений трубою Т.

/■-ч

Теплогенератор

Рис. 1. Структурна схема теплогенератора: Н - насос; П - пристрш для нагр1вання рщини; О - активацшний об'ем; Т - пдравл1чш труби; Б - бак з робочою рщиною

© С. А. Беспалько, А. В. Йовченко, С. П. Поляков, е. Я. Губар, 2007

142

Замiна пристрою для нагрiвання П на екывалент-ний йому мехашзм, що складаеться з прискорювача руху рiдини С (виконаного у виглядi сопла) i гальмiв-ного пристрою Р (виконаного у виглядi стрижня), ство-рюе схему теплового генератора (рис. 2), що реалiзо-вана у винаходi [6].

П = С П Р. (3)

Застосовуючи перший змiстовний результат (2) i зробивши рiвнозначну замiну пристрою для названия П на мехашзм, що складаеться з циклону Ц (виконаного у вигляд цилшдрично! вихрово! труби) та галь-мiвного пристрою Р (виконаного у виглядi радiально розташованих ребер):

П = Ц П Р, (4)

одержимо схему конструкцп (рис. 3), що представлена у винаходi [7].

Б

Рис. 2. Схема теплогенератора [6]: Н - насос; Б - бак; С -прискорювач руху рщини; Р - гальм1вний пристрш; О -активацшний об'ем; Т - пдравл1чш труби

Наступний розвиток схемних ршень (рис. 2, 3) проведемо, застосувавши до першого змютовного результату (2) додатково операцш розбивання (и) [11]:

3

ПТО = и ПТ, О , (/ = 1,2,3), (5)

г=1

отримавши, таким чином, принцип трьохканально-го руху рщини. При цьому пристрiй для на^вання П., в даному випадку, рiвнозначний з'еднанню елементiв:

П = С, П Цг П Рг , (г = 1,2,3), (6)

Утворена схема вщповщае конструкцп названа, на-веденiй у патентi [8] (рис. 4).

Описаш вище схемш рiшення, на основi об'еднан-ня ПТО, умовно можна вiднести до теплових генера-торiв статичного типу. На^вання робочо! рiдини в даних теплогенераторах вщбуваеться в результатi ди-сипаци енергл рухомо! рiдини, яка зобумовлена тертям на обтiчних статичних елементах робочо! камери [12].

Робота статичного генератора значною мiрою виз-начаеться способом введення потоку рщини в його камеру: тангенцшним (рис. 3) або аксiальним (рис. 2).

Статичний гiдродинамiчний теплогенератор iз тан-генцiйним введенням (рис. 3) фактично е модифта-цiею вщомо! вихрово! труби, що працюе на ефекп Ранка-Хiлша [13]. Головна вщмшшсть вихрового теплогенератора вiд вихрово! труби Ранка полягае в замш газоподiбного робочого тша рiдиною.

У найпроспшому випадку тангенцiйне введення забезпечуе вхвд потоку холодно! води з насоса Н в при-стшну область цилiндрично! вихрово! камери Ц. У вихровш камерi тангенцiйно введений потж закру-чуеться, прискорюеться i обертаеться, рухаючись уз-довж камери в напрямку гальмiвного пристрою Р, де гальмуеться i виводиться через вихщний патрубок з

Рис. 3. Схема теплогенератора [7]: Н - насос; Б - бак; Р - Рис. 4. Схема теплогенератора [8]: Н - насос; Б - бак; С -

гальм1вний пристрш; Ц - циклон; О - активацшний об'ем; прискорювач руху рщини; Р - гальм1вний пристрш; Ц -

Т - пдравл1чш труби циклон; О - активацшний об'ем; Т - пдравл1чш труби.

1607-6885 Новi маmерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2007

143

установки. У процеа вихрового руху i гальмування частина кшетично! енергп рщини дисипуеться i переходить у тепло.

У модифшащях вихрових генераторiв тангенцiйний вх1д виконаний iз гвинтовим або спiральним профшем, одним або к1лькома входами, з постшним або кошч-ним перерiзом патрубков, з одною або бшьше робочи-ми камерами [8, 14, 15]. При цьому робочi камери вихрових теплогенераторiв можуть бути одинарними або подвшними прямоточними, цилiндричними, кошчни-ми або складно! форми [16-18]. Також кнують рiзнi конструкцп гальмiвних пристро!в - вiд тш обтiкання до лопатевих гальм [19].

1ншу будову мають статичнi пдродинашчш теплоге-нератори з аксiальним введенням потоку рщини (рис. 2). Основними елементами даних генераторiв е робоча ка -мера, що утворена розширеним трубопроводом Т; при-скорювач руху рвдини С у вигляд сопла, встановлений на входi в камеру та гальмiвний пристрiй Р.

При напканш прискореного струменя ршини на перешкоду (гальмiвний пристрiй) в робочш камерi збуджуються пульсацi! тиску (швидкостi), що зобумов-ленi явищем автоколивань [20]. Згiдно з роботою [21], пульсаци тиску (швидкосп) можуть використовуватись як додатковий мехашзм пiдвищення ефективностi ди-сипативного названия рiдини.

У конструкцiях статичних теплогенераторiв iз акс-iальним введенням рщини прискорювач руху мае рiзнi модифтацп. Вiн може бути виконаний iз цилiндрич-ними, конiчними, щiлинними та стральними отвора-ми; може мати один або бшьше отворiв, що розташо-ванi аксiально або змщеш в сторону [19, 22].

О^м статичних генераторiв з тангенцiйним та акаальним введенням рiдини, застосовують i генера-тори змiшаного типу (рис. 4), в яких для тдвищення ефективностi одночасно використовують як вихровi труби Ц, так i звужувальш пристро! С [8, 23].

Для подальшо! еволюцi! схемних рiшень теплових генераторiв створимо нове змiстовне з'еднання пер-винних елементiв:

НПО = Н П П П О . (7)

Отримане сполучення елеменлв НПО лежить в основi так званих динамiчних (або роторних) пдроди-намiчних нагрiвачiв. Пристроем для на^вання рши-ни в них е турбша В [9] (рис. 5) чи з'еднання клапана К (виконаного у виглядi перфорованого отворами ста-торного диска) та турбiни В (виконано! у виглядi криль-чатки, що мае отвори та перегородки вшповшно до конфiгурацi! статорних елеменпв) [10] (рис. 6):

П = В, (8)

П = К П В. (9)

До роторних вшносяться теплогенератори, в яких на^вання ршини вшбуваеться за рахунок дисипацi! механiчно! енергп обертових роторiв. При цьому ос-

н в

О,

— — — — -

\_

\-Ъ

Рис. 5. Схема теплогенератора [9]: Н - насос; Б - бак; В -турбша; О - активацшний об'ем; Т - пдравл1чш труби

К, о

\_/

1=4

Рис. 6. Схема теплогенератора [10]: Н - насос; Б - бак;

В - турбша; К - клапан; О - активацшний об'ем;

Т - пдравл1чш труби

новним вузлом динамiчного генератора е ротор або турбша В, вал яко! тд'еднаний до зовшшнього приводу.

При поданш на вхшний патрубок роторного генератора холодно! води вона потрапляе в поле ди обер-тового ротора, де за рахунок дисипацп на^ваеться, тсля чого через вихшний трубопровiд поступае назови.

Рiзновиди динамiчних теплогенераторiв вiдрiзня-ються мiж собою, в основному, конструкщями роторiв. Вони можуть бути виготовлеш у виглядi турбiн з пря-мими або профiльованими лопатками; у виглядi тiл обертання з поздовжньопрофшьованими поверхнями; перфорованих цилiндричних або кошчних барабанiв; однонапрямлених або протилежно обертових дисков [9, 10, 19, 22, 24-26].

У роторних гiдродинамiчних на^вачах необхш-ний режим роботи також може досягатися вибором оптимально! частоти обертання ротора (£=уаг) [27].

Таким чином, на основi виконаного аналiзу була складена систематизована таблиця схем роботи пдро-динамiчних теплогенераторiв (таблиця 1).

Таблиця 1 - Класифiкацiя схем роботи TeraoreHeparopiB

Ознаки

Схема конструкцп Елементи, що не перетинаються Перетинання Розбивання Замши Особливоста

Вихдаа концепщя Н, П, О, Т, Б - - - -

Патент Украши №22003 Н, Б О - п = с п р -

Статичш Патент Украши №7205 Н, Б £ £ и £ - п = ц п р -

Патент РФ № 2132517 Н, Б СЧ 3 ПТО = U П1Т1О1 i=1 Пг = Сг п Ц п Рг -

Патент РФ № 2142604 Т, Б о ¿я ¿н=оин 3 О = UOi i =1 П = В

я р о т о СМ Патент РФ № 2054604 Т, Б 4 О = иО i=1 4 П = и П i=1 П = кг п вi S3 >

Висновки

1. Виконаний аналiз схем роботи теплогенераторiв показав, що по-перше, фактично Bci теплогенераторш установки працюють у режимi рециркуляцп, по-дру-ге, пристро! для на^вання в конструкщях складаються з елеменпв, що в сукупностi забезпечують рiзний характер руху рiдини, серед яких слiд видiлити: пульсу-ючий, вихровий та рух у полi дп обертового ротора.

2. На основi проведеного аналiзу складена систе-матизована таблиця схем роботи гiдродинамiчних теп-логенераторiв.

Перелiк посилань

1. Беляев Л. С., Марченко О. В., Филиппов С. П. Энергетика мира как фактор устойчивого развития // Энергия, экономика, техника, экология. - 2001. - №11. - С. 2-11.

2. Арабаджев А. М. Почему электроотопление путь к энергосбережению //Энергосбережение. - 2004. -№5.- С. 6-8.

3. Беспалько С. А. Теоретическое моделирование теплогенераторов // Вюник Черкаського державного техно-лопчного ушверситету. - 2004. - №3. - С. 178-184.

4. Рыбка А. К. Бизнес - энергия воды // Украина промышленная. - 2004. - №3. - С. 20-21.

5. Дискретно-импульсный ввод энергии в теплотехноло-гиях / А. А. Долинский, Б. И. Басок, С. И. Гулый и др. -К.: Институт технической теплофизики НАН Украины, 1996. - 208 с.

6. Пат. 22003 А. Украша, МКИ 5 Б25Б29/00. Пристрш для на^вання рщини / Потапов Ю.С., Хлопков Л.П., 1ва-нов А.Я., Ткаченко А.В., Осаул О.1. Заявл. 21.07.1995; Опубл. 30.04.1998, Бюл. № 2. - 5 с.: ¡л.

7. Пат. 72505 А. Украша, МКИ 5 Б25Б29/00. Пристрш для на^вання рщини / Потапов Ю.С. Заявл. 15.09.1994; Опубл. 30.06.95, Бюл. № 2. - 7 с.: ¡л.

8. Пат. 2132517 С1. Россия, МКИ 6 Б24Н3/02. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости / Мустафаев Р.И. Заявл. 20.08.1997; Опубл. 27.06.1999, Бюл. № 18. -8 с.; ил.

9. Пат. 2142604 С1. Россия, МПК 6 Б24В/00. Способ получения энергии и резонансный насос-теплогенератор / Петраков А. Д. Заявл. 30.07.1997; Опубл. 12.03.1998, Бюл. № 34. - 12 с.: ил.

10. Пат. 2054604 С1. Россия, МПК 6 Б24В/00, 021Б1/00. Способ получения энергии / Кладов А.Ф. Заявл. 02.07.1993; Опубл. 20.02.1996, Бюл. № 5. - 11 с.: ил.

11. Александров П. С. Введение в теорию множеств и общую топологию. - М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1977. - 368 с.

12. Горячюн В. М. Дисипативне на^вання текучого сере-довища в канала Дис. канд. техн. наук: 05.14.06. -Дншропетровськ, 2005. - 125 с.

13. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М: Машиностроение, 1969. - 208 с.

14. Пат. 2045715 С1. Россия, МПК 6 Б25Б29/00. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей / Потапов Ю.С. Заявл. 26.04.1993; Опубл. 10.10.1995, Бюл. № 28.6 с.: ил.

ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2007

145

15. Пат. 2201561 С2. Россия, МПК 7 F24J3/00. Термогенератор кавитационного типа / Бритвин Л. Н. Заявл. 19.05.1999; Опубл. 27.03.2003, Бюл. № 9. - 7 с.: ил.

16. Пат. 2129689 С1. Россия, МПК 6 F25B29/00. Вихревой нагреватель / Кудашкина В. А., Кудашкин А. В., Палевич А. Ф., Костенко Г. А., Шиш С. И., Бережинс-кий В.Н. Заявл. 06.04.1998; Опубл. 27.04.1999, Бюл. №3.- 5 с.: ил.

17. Пат. 2177591 С1. Россия, МПК 7 F25B9/04, F25B9/02, F25B9/00. Термогенератор / Курносов Н.Е. Заявл. 08.12.2000; Опубл. 27.12.2001, Бюл. № 36. - 8 с.: ил.

18. Пат. 4333796 США, МКИ G21B1/00. Method of generating energy by acoustically induced cavitation fusion and reactor therefore: Пат. 4333796 США, МКИ G21B1/ 00; Hugh G. Flynn. - № 907737; Заявл. 19.05.1978; Опубл. 08.06.1982, НКИ 376/100. - 18 с.

19. Фурмаков Е. Ф. Могут ли гидродинамические теплогенераторы работать сверхэффективно? // Тр. Междунар. конгресса «Фундаментальные проблемы естествознания и техники». - Санкт-Петербург, 2004. - С. 350-359.

20. Антонов А. Н., Купцов В. М., Комаров В. В. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. - М.: Машиностроение. - 1990. - 272 с.

21. Ткаченко О. М., Федотюн I. М., Тарасов В. О. Вироб-ництво надлишково! енергп. - К.: Техника, 2002. - 332 с.

22. Пат. 2126117 С1. Россия, МПК 6 Б24В/00. Кавитатор для тепловыделения в жидкости / Ларионов Л. В., Ти-мин И. И., Петрухов В. Л., Миронидис Д. Е. Заявл. 10.11.1997; Опубл. 10.02.1999. - 5 с.: ил.

23. Пат. 2165054 С1. Россия, МПК 7 Б24В/00. Способ получения тепла / Потапов Ю. С., Толмачев Г. Ф. Заявл. 16.06.2000; Опубл. 10.04.2001. - 10 с.: ил.

24. Пат. 2162990 С1. Россия, МПК 7 Е24Б11/00, Б24Б15/02, Б24В/00. Автономная система отопления для здания индивидуального пользования / Цивинский С. В. Заявл. 06.07.2000; Опубл. 10.02.2001, Бюл. № 4. - 5 с.: ил.

25. Пат. 2201562 С2. Россия, МПК 7 Б24В/00. Термогенератор приводной кавитационный / Бритвин Л.Н., Брит-вина Т.В. Заявл. 19.05.1999; Опубл. 27.03.2003, Бюл. № 9. - 7 с.: ил.

26. Пат. 2160417 С2. Россия, МПК 7 Б24В/00, Б25В30/00. Насос-теплогенератор / Петраков А. Д., Маспанов Г. П. Заявл. 29.05.1998; Опубл. 10.12.2000. - 7 с.: ил.

27. Билан А. В. Пульсационная активация воды в вихревых теплогенераторах // Материалы научно-технической конференции «Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении». - Одеса-Киев, 2004. - С. 15-18.

Одержано 24.05.2007

В статье предложен один из алгоритмов получения новых конструктивных решений при создании тепловых генераторов. Используя элементы теории множеств, проводится анализ и систематизация существующих изобретений.

The algorithm of new constructive decisions of thermal generators receiving is offered. The analysis and system-atization of existing inventions, using the elements of the sets theory, is carried out.

УДК 531.8:075.8

Канд. техн. наук А. Ф. Коляда, К. В. Дидович, О. М. Никифоров,

О. Е. Шибалкин Национальный технический университет, г. Запорожье

КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И СИЛОВОЙ РАСЧЕТ МЕХАНИЗМОВ С НЕСКОЛЬКИМИ СТЕПЕНЯМИ ПОДВИЖНОСТИ

Рассматривается метод расчета механизмов с несколькими степенями подвижности, основанный на представлении задачи как многомерной и применении принципа возможных перемещений.

В механике машин исторически сложился раздельный расчет кинематических и силовых характеристик механизмов [1]. В большинстве случаев рассматриваются механизмы с одной степенью подвижности. Для механизмов с несколькими степенями подвижности используются методы, учитывающие специфические особенности схем [2, 3], нарушающие общность подхода и предопределяющие итерационное решение задачи (кинематический, силовой, энер-

гетический расчеты). Наряду с этим, при построении механизмов с несколькими степенями подвижности возникает ряд задач, связанных с выбором схем, оптимальных кинематических и силовых характеристик по возможным перемещениям и т. д. Поэтому наиболее удачным было бы использование методов, обладающих топологической общностью к рассматриваемому классу задач с одновременной оценкой основных характеристик.

© А. Ф. Коляда, К. В. Дидович, О. М. Никифоров, О. Е. Шибалкин, 2007

146