Патент на изобретение №2315248

(54) УСТРОЙСТВО НАГРЕВА ВОДЫ “РЕАКТОР”

(57) Реферат:

Устройство нагрева воды «Реактор» относится к теплоэнергетике и предназначено для производства горячей воды. Изобретение направлено на увеличение производства тепловой энергии при производстве горячей воды. Для решения поставленной задачи устройство нагрева воды содержит геттерный насос-тепловой с реакционной вакуумной камерой-теплообменником, образованной титановой трубой, крышкой с трубчатым отводом, крышкой-валом, которая установлена с возможностью вращения в емкости с нагреваемой водой и сообщается через крышку с трубчатым отводом с дополнительной вакуумной камерой, снабженной натекателем газов, причем титановая труба реакционной вакуумной камеры-теплообменника имеет внутреннюю реакционную поверхность, взаимодействующую посредством трения скольжения с твердосплавными элементами блока очистителей, расположенного внутри реакционной вакуумной камеры-теплообменника и выполненного в виде ряда диаметрально расположенных узлов очистки, каждый из которых включает комплект сформированных на ориентационной площадке очистительных пластин с твердосплавными элементами, имеющих возможность радиального перемещения относительно реакционной поверхности трубы посредством скользящих площадок под действием сильфонов, закрепленных на ориентационных площадках узлов очистки. Сильфоны в блоке очистителей установлены с обеспечением рабочего хода на сжатие, а крышки камеры-теплообменника, выполненные из металла с высокими антифрикционными свойствами, герметично соединены с титановой трубой через промежуточные металлические кольца и посажены через подшипники качения на осевую трубу, на которой неразъемно и герметично установлены через технологические отверстия передняя и задняя крышки герметичной цилиндрической емкости, на боковой поверхности которой установлены ориентационные площадки узлов очистки, а также посажены защитные экраны, которые неподвижно закреплены на передней и задней крышках с внешней стороны, а вокруг герметичной цилиндрической емкости между узлами очистки размещены с закреплением к ее передней и задней крышкам верхняя балластная емкость, емкости-сборники, снабженные желобами и щелевыми проходами, и нижняя балластная емкость таким образом, что между образованной ими сборной поверхностью и реакционной поверхностью титановой трубы реакционной вакуумной камеры-теплообменника обеспечивается кольцевой объем, который через газовые каналы, выполненные в крышке с трубчатым отводом, через кольцевой проход, образованный между осевой трубой и внутренней поверхностью трубчатого отвода крышки, соединен с дополнительной вакуумной камерой, в которой натекатель газов через вакуумный клапан соединен с фильтром очистки атмосферных газов, кроме того, дополнительная вакуумная камера соединена через вакуумный клапан и вакуумный вентиль с дополнительным вакуумным вводом. 4 ил.

Устройство нагрева воды относится к теплоэнергетике и предназначено для производства горячей воды, теплоносителя, а также может быть использовано в вакуумной технике и других отраслях народного хозяйства в качестве откачного вакуумного средства.

Известна конструкция устройства нагрева воды в «Способе нагрева воды» (патент РФ 2279610, МПК F24J 3/00, опубл 10.07.2006 г.), содержащая цилиндрическую емкость для воды с подставкой с закрепленными на ней входным и выходным патрубками и фланцами, с вводами вращения, геттерный насос-тепловой реактор с реакционной вакуумной камерой-теплообменником, имеющей крышку с трубчатым отводом, крышку-вал, трубу с реакционной поверхностью – все изготовленное из титана, блок очистителей, в котором размещены и присоединены сильфоны (работающие на растяжение), очистители с твердосплавными элементами, дополнительную вакуумную камеру, которая включает натекатель газов, вакуумный ввод вращения, стойку фиксации от проворота, манометр, вакуумметр, газовый редуктор, газовый баллон, механический насос с вакуумным клапаном.

Известное устройство имеет следующие недостатки. Большой объем вакуумной системы создает условия в вакуумной реакционной камере-теплообменнике для неэффективного вязкостного и переходного вязкостного-молекулярного течения газов, которое ограничивает диапазон необходимых технических параметров и снижает возможности (в значительных пределах) производства тепловой энергии и производства горячей воды.

Имеет место затруднительное поступление атмосферных газов (через подшипник качения) в реакционную вакуумную камеру-теплообменник, а вязкостное движение слоев газов в область откачки газов (на реакционную поверхность) неэффективно, к тому же образуемые слои газов часто встречают на своем пути движения блок очистителей и отдают ему свою тепловую энергию.

В результате снижается производство полезной тепловой энергии, направленной на нагрев воды.

В известном устройстве трущиеся поверхности узлов вращения, обеспечивающие герметичность, выполнены из титана, у которого низкие антифрикционные свойства, а поступающие из атмосферного воздуха через натекатель газов в вакуумную систему аэрозольные частицы осаждаются в зонах трения узлов. Это приводит к быстрому износу и выводу из строя устройства нагрева воды.

Большое влияние на снижение долговечности трущихся поверхностей в вакуумной системе оказывает действие частиц, образованных от очищения окисленных слоев геттерного материала.

Также ограничивает эксплуатационный ресурс работы геттерного насоса-теплового реактора применение в блоке очистителей сильфонов, «работающих на растяжение».

Задачей изобретения является повышение производительности, увеличение ресурса работы, расширение функциональных возможностей устройства для нагрева воды.

Поставленная задача решается устройством нагрева воды, содержащим геттерный насос-тепловой реактор с реакционный вакуумной камерой-теплообменником, образованной титановой трубой, крышкой с трубчатым отводом, крышкой-валом, которая установлена с возможностью вращения в емкости с нагреваемой водой и сообщается через крышку с трубчатым отводом с дополнительной вакуумной камерой, снабженной натекателем газов, причем титановая труба реакционной вакуумной камеры-теплообменника имеет внутреннюю реакционную поверхность, взаимодействующую посредством трения скольжения с твердосплавными элементами блока очистителей, расположенного внутри реакционной вакуумной камеры-теплообменника и выполненного в виде ряда диаметрально расположенных узлов очистки, каждый из которых включает комплект сформированных на ориентационной площадке очистительных пластин с твердосплавными элементами, имеющих возможность радиального перемещения относительно реакционной поверхности трубы посредством скользящих площадок под действием сильфонов, закрепленных на ориентационных площадках узлов очистки, в котором в отличие от прототипа сильфоны в блоке очистителей установлены с обеспечением рабочего хода на сжатие, а крышки камеры-теплообменника, выполненные из металла с высокими антифрикционными свойствами, герметично соединены с титановой трубой через промежуточные металлические кольца и посажены через подшипники качения на осевую трубу, на которой неразъемно и герметично установлены через технологические отверстия передняя и задняя крышки герметичной цилиндрической емкости, на боковой поверхности которой установлены ориентационные площадки узлов очистки, а также посажены защитные экраны, которые неподвижно закреплены на передней и задней крышках с внешней стороны, а вокруг герметичной цилиндрической емкости между узлами очистки размещены с закреплением к ее передней и задней крышкам верхняя балластная емкость, емкости-сборники, снабженные желобами и щелевыми проходами, и нижняя балластная емкость таким образом, что между образованной ими сборной поверхностью и реакционной поверхностью титановой трубы реакционной вакуумной камеры-теплообменника обеспечивается кольцевой объем, который через газовые каналы, выполненные в крышке с трубчатым отводом, через кольцевой проход, образованный между осевой трубой и внутренней поверхностью трубчатого отвода крышки, соединен с дополнительной вакуумной камерой, в которой натекатель газов через вакуумный клапан соединен с фильтром очистки атмосферных газов, кроме того, дополнительная вакуумная камера соединена через вакуумный клапан и вакуумный вентиль с дополнительным вакуумным вводом.

Изобретательский уровень предложенного технического решения достигается за счет следующих особенностей.

Наличие в крышке с трубчатым отводом вращающихся газовых каналов обеспечивает эффективное снабжение кольцевого объема вакуумной камеры-теплообменника атмосферными газами, что способствует увеличению производства тепловой энергии и повышению производительности устройства. Конструктивное выполнение блока очистителей позволяет существенно сократить вакуумный объем реакционной камеры и за счет этого обеспечить рациональное эффективное молекулярное течение газов, при котором внутреннее трение молекул отсутствует, а осуществляется со стенками реакционной вакуумной камеры-теплообменника. В результате этого исключается вязкостное «балластное» движение молекул газа, которое в устройстве-прототипе в основном уходит на нагрев блока очистителей, а следовательно, повышается эффективность теплообмена и производительность устройства нагрева воды.

Наличие фильтра очистки атмосферных газов обеспечивает увеличение ресурса работы узлов вращения в устройстве и долговечность трущихся уплотнительных материалов, обеспечивающих герметичность вакуумной системы. Кроме того, увеличение эксплуатационного ресурса обеспечивается наличием в реакционной камере-теплообменнике емкостей-сборников, которые осуществляют сбор основной массы мигрирующих частиц, образованных после очистки окисленных тонкопленочных слоев геттерного материала.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид устройства нагрева воды «Реактор» с частичным видом В, на фиг.2 – вид геттерного насоса-теплового реактора в сечении А-А, на фиг.3 – вид геттерного насоса-теплового реактора в сечении Б-Б, на фиг.4 представлены крепежные узлы и комплектующие.

Устройство фиг.1 содержит геттерный насос-тепловой реактор 1 с реакционной вакуумной камерой-теплообменником 2, цилиндрическую емкость для воды 3 с входным патрубком 4 и выходным патрубком 5, фланцами 6, общий корпус 7, подставку 8, вводы вращения 9, 10, опорные стойки 11, 12, 13, электродвигатель 14, дополнительную вакуумную камеру 15 с вакуумным вводом вращения 16, манометр 17, газовый редуктор 18, газовый баллон 19, вакуумметр 20, натекатель газов 21, вакуумные клапаны 22, 23, 24, вакуумные вентили 25, 26, фильтр очистки атмосферного воздуха 27, вакуумный ввод 28, механический насос 29, панель управления, содержащую амперметр 30, прибор для измерения температуры воды 31, прибор для фиксации количества оборотов 32. В геттерном насосе-тепловом реакторе 1 (фиг.2, фиг.3) реакционная вакуумная камера-теплообменник образована титановой трубой 33, латунной крышкой 34 с трубчатым отводом 35 и газовыми каналами 36, крышкой-валом 37, причем крышки герметично соединены с титановой трубой через промежуточные стальные кольца 38, 39. Обе крышки посажены посредством подшипников качения 40, 41 на осевую трубу 42, заглушенную со стороны крышки-вала. Внутри камеры-теплообменника на осевой трубе неразъемно и герметично установлены передняя 43 и задняя 44 крышки герметичной цилиндрической емкости 45. На осевую трубу также посажены защитные экраны 46, 47, которые неподвижно закреплены на передней и задней крышках с их внешней стороны. Защитные экраны изготовлены из листовой стали в форме круглой плоской шайбы. Между осевой трубой и внутренней поверхностью трубчатого отвода образован кольцевой проход 48.

На боковой поверхности герметичной цилиндрической емкости 45 на ориентационных площадках 49 расположены узлы очистки 50, образующие блок очистителей. Каждый узел очистки содержит комплект пластин, включающий очистительные пластины 51, компенсационные очистительные пластины 52, которые размещены на скользящей площадке 53 посредством оси 54 и отверстий 55, 56, установленных на боковых стенках ориентационных площадок. Каждая очистительная пластина имеет твердосплавный элемент 58. Эти элементы расположены с зазором 59. Каждый узел включает сильфон 60 с толкателем 61, установленный на втулке 62 в сильфонном стакане 63 и взаимодействующий со скользящей площадкой 53, и соединен с гибким трубопроводом 64. Вокруг цилиндрической емкости между узлами очистки 50 размещены верхняя балластная емкость 65, емкости-сборники 66, 67, нижняя балластная емкость 68. Между их сборной поверхностью 69 и реакционной поверхностью 70 титановой трубы 33 образован кольцевой объем 71. Емкости-сборники снабжены желобами 72 и щелевыми проходами 73. Конструктивное выполнение емкостей показано на фиг.4, они крепятся через петли 74 с помощью крепежных соединений 75 на передней и задней крышках 43, 44 цилиндрической емкости.

В устройстве нагрева воды на подставке 8 (в форме параллелепипеда с вогнутой поверхностью одной грани, выполненной из угловой и листовой стали), скрепленной с общим корпусом 7, установлена цилиндрическая емкость для воды 3 (выполненная из нержавеющей стали) с входным патрубком 4, с выходным патрубком 5, с фланцами 6, имеющими вводы вращения 9 и 10. В цилиндрической емкости для воды 3 размещен геттерный насос-тепловой реактор 1, в котором вакуумная реакционная камера-теплообменник 2 выполнена герметично с латунной крышкой 34, с латунной крышкой-валом 37, с титановой трубой 33, концы которой имеют переходные стальные кольца 38 и 39. Латунная крышка-вал 37 через ввод вращения 10, через опорную стойку 12 с закрепленным в ней подшипником качения соединена с электродвигателем 14. Трубчатый отвод 35 латунной крышки 34 через ввод вращения 9, через подшипник качения опорной стойки 11, через вакуумный ввод вращения 16 введен в дополнительную вакуумную камеру 15, выполненную из нержавеющей стали в форме прямоугольной трубы. Объем дополнительной вакуумной камеры через кольцевой проход 48, через газовые каналы 36 латунной крышки 34 соединен с объемом вакуумной реакционной камеры-теплообменника 2.

Осевая труба 42 одним концом через герметичный ввод дополнительной вакуумной камеры 15, через манометр 17, газовый редуктор 18 соединена с газовым баллоном 19, а другим концом (у которого отверстие заглушено) она проходит через сквозное отверстие трубчатого отвода 35, через подшипник качения 40 латунной крышки 34 и установлена в подшипнике качения 41 латунной крышки-вала 37.

На боковой поверхности цилиндрической емкости 45 закреплены ориентационные площадки 49 (выполненные из конструкционной стали), на боковых стенках которых выполнены отверстия 55, 56, в которых установлена ось 54 с размещенными на ней очистителями 51 (изготовленными из конструкционной стали и имеющими форму усеченного круглого плоского диска) с посадочным отверстием 57 и с твердосплавными элементами 58, имеющими трущиеся площадки-очистители (изготовленными из материала ВК-8) и установленными с рабочим зазором 59 между твердосплавными элементами 58 и с размещенным на оси 54 компенсационным диском 52.

Между боковыми стенками ориентационной площадки 49 размещена скользящая площадка 53, на которой расположены отверстия 76 (фиг.4) с находящимися в них скользящими пальцами 77, закрепленными на ориентационной площадке 49, в рабочем отверстии 78 которой также закреплена втулка 62, к которой присоединен сильфонный стакан 63 с размещенным в нем сильфоном 60 (с рабочим ходом на сжатие), приводящим в движение толкатель 61 при увеличении сильфонного объема, который соединен при помощи гибкого трубопровода 64 с глухим отверстием осевой трубы 42.

Дополнительная вакуумная камера 15, кроме вышеизложенного, через натекатель газов 21 и через вакуумный клапан 22 подсоединена к фильтру очистки атмосферного воздуха 27 с фильтровальными элементами, установленными в стальном корпусе с герметичной крышкой, при этом на дополнительной вакуумной камере 15 установлен технологический откачной вакуумный ввод 28 с вакуумным клапаном 23 и вакуумным вентилем 25. Для предварительной откачки вакуумной системы устройства нагрева воды «Реактор» дополнительная вакуумная камера 15 через вакуумный вентиль 26, через вакуумный клапан 24 соединена с механическим насосом 29. Управление режимами производства горячей воды находится на панели управления, установленной на общем корпусе 7, где размещены амперметр 30, прибор для измерения температуры воды 31, прибор для фиксации количества оборотов 32.

Основой в работе устройства нагрева воды является геттерный насос-тепловой реактор 1, сборка которого начинается с блока очистителей. Для этого на боковую поверхность цилиндрической емкости 45 устанавливают ориентационные площадки 49 с боковыми стенками. На ориентационные площадки 49 запрессовкой устанавливаются скользящие пальцы 77 (фиг.4), втулка 62. Присоединяют сильфонный стакан 63, сильфон 60 с толкателем 61. Соединяют один конец гибкого трубопровода 64 с сильфонным объемом, а другим концом гибкий трубопровод соединяют с отверстием осевой трубы 42. Надевают на осевую трубу 42 переднюю крышку 43 и заднюю крышку 44 через их технологические отверстия. Производят герметичное соединение (пайкой, сваркой) передней и задней крышек с боковой поверхностью цилиндрической емкости 45 и осевой трубой 42. На скользящие пальцы 77 через отверстия 76 устанавливают скользящие площадки 53. На боковых стенках ориентационных площадок 49 через отверстия 55, 56 устанавливают ось 54 с очистительными дисками 51, задвинутыми на ось 54 через посадочное отверстие 57, при этом твердосплавные элементы 58, устанавливаются с рабочим зазором 59. На каждую ось 54 устанавливается, кроме того, один компенсационный диск 52, но на каждой оси они располагаются у разных боковых стенок по диаметральной ориентации. Очистительные диски 51 с компенсационным диском 52 располагаются на скользящей площадке 53.

Производят установку на боковой поверхности цилиндрической емкости 45 верхней герметичной балластной емкости 65, нижней герметичной балластной емкости 68, емкости-сборника 66, емкости-сборника 67 с помощью петель 74 и крепежных соединений 75 на передней и задней крышках 43, 44 цилиндрической емкости 45. Устанавливают на осевую трубу 42 защитные экраны 46 и 47, которые закрепляются соответственно на передней и задней крышках 43, 44 цилиндрической емкости 45. Собранный блок очистителей проверяют на герметичность.

Далее соединяют латунную крышку-вал 37 через стальное кольцо 39 с титановой трубой 33 (сваркой, пайкой). В латунную крышку-вал устанавливают подшипник качения 41. Задвигают в собранную часть блок очистителей и концом с заглушенным отверстием осевую трубу 42 устанавливают в подшипник качения 41 латунной крышки-вала 37. Обеспечивают совмещение трущихся площадок элементов 58 с реакционной поверхностью 70 титановой трубы 33. Соединяют стальное кольцо 38 с концом титановой трубы 33. Задвигают в вышесобранное конструкционное соединение на осевой трубе 42 латунную крышку 34 через подшипник качения 36, через сквозное отверстие 48 трубчатого отвода 35 и производят соединение (пайкой, сваркой) латунной крышки 34 с металлическим кольцом 38. Проверяют герметичность реакционной вакуумной камеры-теплообменника 2 геттерного насоса-теплового реактора 1.

Геттерный насос-тепловой реактор 1 помещают в цилиндрическую емкость для воды 3, которая размещена на подставке 8 общего корпуса 7 и устанавливают трубчатым отводом 35 латунной крышки 34 через фланец 6 с вводом вращения 9 в подшипник качения на опорной стойке 11 с заходом через герметичный вакуумный ввод вращения 16 в дополнительную вакуумную камеру 15 с одной стороны, а с другой стороны устанавливают латунной крышкой-валом 37 через фланец 6 с вводом вращения 10 в подшипник качения на опорной стойке 12.

Перед запуском в работу устройства нагрева воды «Реактор» 1 все коммутирующие узлы (механические, электрические) находятся в отключенном состоянии, вакуумная система проверена на герметичность, на панели управления проверено функционирование амперметра 30, прибора для измерения температуры воды 31, прибора фиксации количества оборотов 32. Дополнительная вакуумная камера 15 соединена через вакуумный ввод вращения 16 с реакционной вакуумной камерой-теплообменником 2 (вращающейся во время работы в водной среде) и со всеми необходимыми во время работы геттерного насоса-теплового реактора 1 коммутационными узлами. Блок очистителей разворотом осевой трубы 42 устанавливают в рабочее положение, а именно так, чтобы верхняя герметичная балластная емкость 65 располагалась вверху, а нижняя герметичная балластная емкость 68 внизу. На опорной стойке фиксации от проворота 13 осевая труба 42 закрепляется в этом положении. (Установка рабочего положения производится по установленной заранее ориентационной метке на осевой трубе 42, на чертеже не показана.)

Устройство нагрева воды «Реактор», размещенное на общем корпусе 7, работает следующим образом. Цилиндрическую емкость для воды 3 с закрепленными на ней фланцами 6 с вводами вращения 9 и 10, установленную на подставке 8, заполняют водой. Обеспечивают циркуляцию воды через выходной патрубок 5, потребитель, входной патрубок 4, цилиндрическую емкость для воды 3. На панели устанавливается в приборе для измерения температуры воды 31 температура нагрева воды 85°С и длительный режим работы (с кратковременными отключениями) устройства нагрева воды. Обеспечивается предварительный параметр откачки вакуумной системы. Для этого включают механический насос 29, вакуумный клапан 24, вакуумный вентиль 26 (с учетом того, что объем вакуумной системы сравнительно мал, а именно на порядок меньше, чем у прототипа) и производят вакуумную откачку (предварительную) дополнительной вакуумной камеры 15. Через вакуумный ввод вращения 16, через кольцевой объем 48 между осевой трубой 42 и внутренней поверхностью трубчатого отвода 35, через выходы газовых каналов 36 производят также откачку объема реакционной вакуумной камеры-теплообменника 2. При достижении вакуумного давления газов 0,6 Па-0,3 Па закрывают вакуумный клапан 24, вакуумный вентиль 26, отключают механический насос 29. Вакуумное давление измеряют вакуумметром 20. В геттерном насосе-тепловом реакторе 1 на ориентационных площадках 49 блока очистителей устанавливают давление трущихся площадок элементов 58 очистителей 51 на реакционную поверхность 70. Для этого из газового баллона 19 через газовый редуктор 18, через манометр 17, по осевой трубе 42 через дополнительную вакуумную камеру 15, через сквозное отверстие трубчатого отвода 48, через подшипник качения 40 латунной крышки 34, через переднюю крышку 43 цилиндрической емкости 45, через соединение с гибким трубопроводом 64 подается избыточное давление атмосферных газов в сильфонный объем сильфонного стакана 63. Избыточное давление атмосферных газов обеспечивает увеличение сильфонного объема, которое, воздействуя на сильфон 60, сжимает его и приводит в движение толкатель 61 внутри втулки 62. На своем пути движения толкатель 61 упирается в скользящую площадку 53, которая установлена через отверстия 76 на скользящих пальцах 77 и имеет возможность движения по направлению воздействия на нее толкателя 61. На скользящей площадке расположены очистители 51, 52 с твердосплавными элементами 58, имеющими трущиеся площадки, которые обработаны «притиранием» к реакционной поверхности 70 перед эксплуатацией. Очистители 51 выполнены в форме усеченного круглого плоского диска и имеют посадочные отверстия 57, смещенные относительно центра вращения, через которые проходит ось 54, установленная на боковых стенках ориентационной площадки 49. На каждой оси 54 наряду с дисками 51 имеется один компенсационный диск 52, который размещен у боковой стенки ориентационной площадки, но у разных концов, работающих в паре диаметрально расположенных площадок. Скользящая площадка 53, двигаясь в направлении движения толкателя 61, поворачивает диски очистителей 51 вокруг оси 54 и двигает закрепленные твердосплавные элементы 58 к реакционной поверхности 70 титановой трубы 33, которые прижимаются к ней своими трущимися площадками.

Применяемые в конструкционных узлах сильфоны работают на сжатие, что позволяет увеличить толщину стенки титановой трубы 33 в 2-2,5 раза по сравнению с прототипом, так как рабочий ход на сжатие составляет 70-75% от максимального рабочего хода по ГОСТ 22388-77. Следовательно, ресурс работы устройства нагрева воды «Реактор» будет увеличен в 2-2,5 раза. Кроме этого, применение в конструкционных узлах сильфонов, работающих на сжатие, позволяет изготавливать блоки очистителей комплектно, на каждой ориентационной площадке 49 и проводить проверку их действия.

Установку и регулировку подаваемой величины избыточного давления атмосферных газов в сильфонные объемы производят газовым редуктором 18 с контролем давления по манометру 17. Подаваемую величину избыточного давления атмосферных газов устанавливают такую, чтобы трущиеся площадки твердосплавных элементов 58 (трением скольжения) обеспечивали бы полную отчистку пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала реакционной поверхности 70. Величину избыточного давления атмосферных газов, подаваемого в сильфонный объем и действующего твердосплавными элементами на реакционную поверхность 70, определяют расчетным и опытным путем в зависимости от площади трущихся площадок и типа геттерного материала. В образце площадь трущихся площадок равна 17.5 мм². Величина подаваемого избыточного давления атмосферных газов равна 3,5-4,5 ат, а применяемый геттерный материал ВТ-4. Далее в устройстве нагрева воды «Реактор» вводят в работу геттерный насос-тепловой реактор 1. Для этого запускают в работу электродвигатель 14 (Руст=2,5 кВт), который обеспечивает вращение вакуумной реакционной камеры-теплообменника 2 вместе с реакционной поверхностью 70 со скоростью вращения 60 об/мин. Производят контроль нагрузочной характеристики электродвигателя 14, по которой определяют состояние процесса очистки тонкопленочных слоев геттерного материала. От вращения реакционной вакуумной камеры-теплообменника циркулируемая вода в цилиндрической емкости для воды 3 активируется, а именно производятся круговые движения водных слоев. За счет суммарного воздействия на водную среду циркуляцией и активацией обеспечивается эффективное движение (контактирование) макроскопических частиц воды относительно друг друга и вращающейся поверхности реакционной вакуумной камеры-теплообменника, что обеспечивает высокоэффективную теплоотдачу производимой тепловой энергии (с высоким КПД) теплообменником.

В неподвижном состоянии реакционная поверхность 70 реакционной вакуумной камеры-теплообменника 2 покрыта образованным на ней тонкопленочным слоем химических соединений (окислов, нитридов, гидридов и т.д.)

Производят вращение реакционной поверхности 70 титановой трубы 33 и обеспечивают ее поверхностное трение – скольжение об прижатые к ней трущиеся площадки твердосплавных элементов 58, размещенных с рабочим зазором 59 на очистителях 51. В результате этого производится поверхностное деформационное разрушение тонкопленочного слоя из химических соединений и очистка его с геттерного материала (титана). Поверхностное деформационное разрушение тонкопленочного слоя из химических соединений и счистку его с геттерного материала производят по всей реакционной поверхности 70 за счет размещения очистителей 51 двумя рядами диаметрально и со смещением относительно друг друга на неподвижном блоке очистителей (при каждом обороте реакционной вакуумной камеры-теплообменника 2). Смещение обеспечивается за счет компенсационных дисков 52, установленных на осях 54. Это смещение обеспечивает ликвидацию необработанных участков реакционной поверхности между рабочими зазорами 59 твердосплавных элементов 58. Рабочий режим процесса деформационного разрушения и очистки тонкопленочного слоя из химических соединений с геттерного материала контролируется по изменению нагрузочной характеристики электродвигателя 14, измеряемой амперметром 30. В результате разрушения и очистки тонкопленочного слоя на реакционной поверхности 70 обеспечивают химически чистую поверхность геттерного материала. Произведенная при трении – скольжении механическая энергия превращается в тепловую энергию. Нагревается теплообменник. Выделяемая тепловая энергия за один оборот реакционной поверхности равна 1,5-2 ккал.

Созданная химически чистая поверхность геттерного материала взаимодействует с активными газами, находящимися в вакуумном объеме реакционной вакуумной камеры-теплообменника 2, при помощи физического и химического связывания молекул газов адсорбционным процессом (физической и химической адсорбцией) с выделением тепла. Обеспечивается адсорбция активных газов на химически чистой поверхности геттерного материала, которая называется геттерной откачкой газов. При этом превалирующим механизмом при адсорбционной откачке газов является химическая адсорбция (хемосорбция), которая обеспечивается производством химических реакций на химически чистой поверхности геттерного материала с образованием тонкопленочного слоя толщиной 2-3 ангстрема, полученного на сформировавшемся молекулярном слое в течение долей секунды. Образование тонкопленочного слоя из химических соединений производится с выделением тепловой энергии на реакционной поверхности 70. Нагревается теплообменник. Скорость откачки активных газов геттерной откачкой или геттерным насосом у образца (внутри вакуумной реакционной камеры) при температуре газов Т=293 К составляет:

при давлении газов Р=18,03×10^-5 Па – 37,6 л/с, а

при давлении газов Р=18,03×10^-4 Па – 376 л/с при активной площади геттерного материала 4520 см² и с количеством адсорбированных молекул на 1 см² химически чистой поверхности геттерного материала в 1 с,

при давлении газов Р=18,03×10^-5 Па – 0,7×10¹⁹ шт.,

при давлении газов Р=18,03×10^-4 Па – 0,7×10²⁰ шт.,

при этом величина тепловой энергии, выделяемая в одну секунду, равна:

при давлении газов Р=18,03×10^-5 Па – 12,08 ккал,

при давлении газов Р=18,03×10^-4 Па – 120,8 ккал.

Изложенная выше технологическая последовательность процесса нагрева воды, а именно разрушение и отчистка тонкопленочного слоя из химических соединений, выделение тепловой энергии, обеспечение химически чистой поверхности геттерного материала, адсорбция газов, геттерная откачка, образование тонкопленочного слоя из химических соединений, выделение тепловой энергии, относится к поверхностным структурным изменениям реакционной поверхности геттерного материала за один оборот реакционной вакуумной камеры-теплообменника. Далее последовательность нагрева воды повторяется с началом каждого оборота реакционной вакуумной камеры-теплообменника.

Продолжается откачка газов всей вакуумной системы устройства до величины максимального значения, которую способен обеспечивать геттерный насос – тепловой реактор. У образца она составила Р=9,33×10^-6 Па. Эта величина необходима для определения возможностей геттерного насоса при установке рабочего вакуумного режима. Выбираем режим рабочего вакуумного давления газов, работы теплового реактора – Р=18,03×10^-5 Па (сравнимый с режимом-прототипа) и устанавливаем его, производя нагрев воды. Для чего открываем вакуумный клапан 22, подсоединенный одним концом к фильтру очистки атмосферного воздуха 27, другим концом – к натекателю газов 21. Открываем натекатель газов 21, и воздух поступает через дополнительную вакуумную камеру 15 в вакуумную систему устройства, предварительно профильтровываясь через фильтровальные элементы фильтра очистки атмосферного воздуха 27 (элементы фильтра выполнены из материала ЛФС-2 и предназначены для тонкой очистки газов от частиц и пыли диаметром до 0,1 мкН, эксплуатация которых возможна в трубопроводах до – 2×10⁵ Па). Наличие фильтра обеспечивает увеличение ресурса работы узлов вращения от ремонта до ремонта и долговечность трущихся уплотнительных материалов, обеспечивающих герметичность вакуумной системы. Подаваемый атмосферный воздух в вакуумную систему (которая по сравнению с прототипом имеет вакуумный объем на один порядок меньше) через дополнительную вакуумную камеру 15, через кольцевой проход 48 между осевой трубой 42 и трубчатым отводом 35, через газовые каналы 36 (которые вращаются) заполняет кольцевой объем 71 и оставшуюся незначительную величину объема реакционной вакуумной камеры, где производится геттерная откачка активных газов с обеспечением их молекулярного течения.

Конструкционное исполнение блока очистителей на цилиндрической емкости 45 позволило сократить объем реакционной вакуумной камеры-теплообменника 2 на один порядок и обеспечить рациональное, эффективное, молекулярное течение газов, при котором внутреннее трение молекул отсутствует, а трение осуществляется со стенками «трубопровода» или камеры. В результате этого исключается вязкостное «балластное» движение молекул газов, которое у прототипа является основным и у которого большая часть тепловой энергии уходит на нагрев блока очистителей.

Молекулярное течение газов производится в кольцевом объеме 71 и объемах между латунной крышкой 34 и защитным экраном 46 и, соответственно, между латунной крышкой-валом 37 и защитным экраном 47. Кольцевой объем 71 образован вращающейся реакционной поверхностью 70 и неподвижной сборной поверхностью 69, которая состоит из поверхности герметичных балластных емкостей 65, 68, из поверхностей емкостей-сборников 66, 67, из очистителей 51, размещенных на ориентационных площадках 49. Перечисленные выше составляющие сборной поверхности 69 вместе с экранами 46, 47 составляют защитную, замкнутую «оболочку», у которой осуществляется молекулярное течение газов, при этом обеспечивается тепловая защита цилиндрической емкости 44 с размещенными в ней исполнительными узлами. Кроме этого, составляющими сборной поверхности 69 можно регулировать величину кольцевого объема 71, изменяя толщину составляющих.

У емкостей-сборников 66, 67 кроме вышеизложенного назначения основной задачей является сбор частиц после очистки окисленных тонкопленочных слоев геттерного материала очистителями. Происходящий процесс сбора следующий: в расположенные под очистителями 51 на ориентационных площадках 49 желоба 72 емкостей-сборников 66, 67 падают под своим весом образованные после очистки частицы окисленных слоев, которые скатываются по желобам в щелевые проходы 73 и оседают в емкостях-сборниках. Сбор основной массы мигрирующих частиц обеспечивает увеличение долговечности трущихся поверхностей в вакуумной системе геттерного насоса-теплового реактора и, как следствие, увеличение эксплуатационного ресурса устройства нагрева воды. Поступающий непрерывно поток атмосферного воздуха давлений P₁=1,013×10⁵ Па в объеме вакуумной реакционной камеры откачивается геттерным насосом со скоростью 37,6 л/с. Регулировкой натекателя газов устанавливается вакуумное рабочее давление газов P₂=18,03×10^-5 Па, которое обеспечивается образующимся противодействующим, результирующим потоком газов в объеме вакуумной реакционной камеры с давлением газов.

Р₃=1,0129999×10⁵ Па=101299,99 Па =0,9927399 кг/см²

P₃=P₁-P₂; P₃=F; F – общее нормальное усилие, при этом P₁ – давление газов у выхода газовых каналов 36 латунной крышки 34 (практически оно находится в дополнительной камере 15 на выходе газов с натекателя газов 21, но учитывая то, что это малые выделяемые тепловые величины, относящиеся к тепловым потерям, то в расчете они не учитываются),

P₂ – давление газов в конце трубопровода (кольцевого объема 71) у внутренней поверхности латунной крышки-вала 37. Так как давление газа характеризуется как

где F – нормальная сила, а

S – поверхностная площадка, стремящиеся к 0,

то результирующее давление, равное нормальной силе при S0 при своем перемещении будет совершать работу А, отсюда А=A₁+А₂,

где A₁ – работа, совершаемая нормальной силой F на S₁ – площади активной поверхности с перемещением l₁=0,67 м, а

А₂ – работа, совершаемая нормальной силой F на S₂ – площади пассивной поверхности (которая принята с учетом неровностей поверхности при обработке материала, выступов и т.д.) с перемещением 12=0,4м.

F=0,9927399 кг/см²,

S₁=4520 см², S₂=9589,62 см²,

l₁= 0,67 м, l₂=0,4 м,

F₁=4487 кг, F₂=9520 кг,

тогда A₁=4487×0,67=3006,29 кг/м,

A₂=9520×0,4=3808 кг/м,

А=6814,29 кг/м=66848,18 Дж,

А=15976,715 кал=15,976 ккал.

или Q₃=15,976 ккал.

В результате образец устройства нагрева воды «Реактор» при рабочем вакуумном давлении 18,03×10^-5 Па производит тепловой энергии:

Q=Q1+Q2+Q3=2+12,08+15,976=30,056 ккал,

где Q – суммарная тепловая энергия, производимая в 1 с,

Q₁ – тепловая энергия, производимая в 1 с в результате трения-скольжения твердосплавных элементов об реакционную поверхность 70,

Q₂ – тепловая энергия, производимая в 1 с при адсорбционном реакционном процессе геттерной откачки активных газов,

Q₃ – тепловая энергия, производимая в 1 с молекулярным движением газов с трением о внутреннюю вращающуюся поверхность реакционной вакуумной камеры теплообменника 2.

Производимая в этом режиме тепловая энергия (и как следствие производство горячей воды) увеличивается в 2 раза по сравнению с прототипом, в котором при указанном давлении газов это значение составляет 13-15 ккал и составляет примерно 10% увеличения на средних величинах вакуумного рабочего давления. Молекулярное течение газов нагревает также сборную поверхность 69, а именно балластные емкости, емкости-сборники, защитные экраны. При этом большинство молекул, находящихся в кольцевом объеме 71, переходит с одной поверхности трубопровода к другой без соударений и в основном на вращающуюся внутреннюю поверхность реакционной вакуумной камеры- теплообменника 2. В кольцевом объеме 71 при стабилизации процесса производства тепловой энергии при каждом определенном заданном режиме создается тепловой барьер за счет нагрева объемов сборной поверхности 69, который одновременно обеспечивает тепловую защиту блока очистителей, нагревающегося также малой интенсивностью течения газов. Температура нагрева блока очистителей должна быть не более заданной температуры нагрева воды. Фиксация этой температуры производится термопарой, установленной внутри цилиндрической емкости 45 блока очистителей (на чертеже не показано). При увеличении этой температуры при установившемся режиме производства тепловой энергии это сигнал того, что появились излишки производимой тепловой энергии, которые не успевает пропускать теплопроводность геттерного материала и которые идут на нагрев внутренних частей блока очистителей. Данное явление устраняется путем уменьшения подачи атмосферного воздуха натекателем 21 с увеличением рабочего вакуумного давления или же увеличением циркуляционной массы подаваемой воды. Устанавливается стабильная температура воды, подаваемая потребителю – 85°С, и температура нагрева блока очистителей 70°С. Устройство нагрева воды «Реактор» вышло на длительный эксплуатационный режим работы с установленными параметрами. При увеличении температуры воды, температуры блока очистителей выше пороговой величины, установленной на приборе (на чертеже не показано), отключается вакуумный клапан 22, прекращающий подачу атмосферного воздуха через натекатель газов 21, отключается электродвигатель 14 и происходит останов вращения реакционной вакуумной камеры-теплообменника 2. Происходит естественное охлаждение воды. При достижении температуры воды и температуры блока очистителей ниже пороговой величины, установленной на приборе (на чертеже не показано), включается в работу электродвигатель, возобновляется работа геттерного насоса-теплового реактора 1, включается вакуумный клапан 22 и подается через настроенный натекатель газов 21 атмосферный воздух, возобновляется работа по нагреву воды. Эксплуатационный процесс повторяется.

При переходе на другой вакуумный рабочий режим производства энергии, производства горячей воды меняют при необходимости задаваемую величину температуры воды, подаваемой потребителю, и осуществляют выход на эксплуатационный режим по вышеизложенному. При этом оставляют без изменения параметры механической обработки (очистки окисленной пленки) геттерного материала с помощью избыточного давления.

В устройстве нагрева воды «Реактор» на дополнительной вакуумной камере смонтирован технологический откачной вакуумный ввод, предназначенный для работы устройства нагрева воды «Реактор» в качестве геттерного насоса (откачного средства) для других технологических процессов. Откачка технологического объема (на чертеже не показано) производится следующим образом. Технологический объем подсоединяется через трубопровод (на чертеже не показано) к вакуумному вентилю 25, соединенному с вакуумным клапаном 23 технологического ввода 28, смонтированного на дополнительной вакуумной камере 15. У запущенного в работу на любом режиме устройства нагрева воды «Реактор» закрывают вакуумный клапан 22, перекрывая подачу атмосферного воздуха. Открывают вакуумный клапан 23. Открывают вакуумный вентиль 25 и производят откачку технологического объема. Скорость откачки зависит от площади сечения кольцевого прохода 48. У образца скорость откачки газов составляет 15 л/с. Максимальное давление, которое может быть получено, составляет 9,33×10 Па при условии герметичности откачиваемого объема его прогрева и удаления газов предварительной механической откачкой, которые плохо откачиваются геттерным насосом. При достижении требуемого вакуумного давления в технологическом объеме закрывают вакуумный клапан 23, закрывают вакуумный вентиль 25. Открывают вакуумный клапан 22 и устройству нагрева воды «Реактор» обеспечивают необходимый эксплуатационный режим.

Таким образом, новым в поданном техническом решении является следующее.

В устройстве нагрева воды «Реактор» создана практически новая конструкция геттерного насоса-теплового реактора, прогрессивность которого основана на взаимосвязи в технологическом процессе новых конструкционных узлов, таких как реакционная вакуумная камера-теплообменник с газовыми проходами и применением новых материалов, блок очистителей, скомплектованный на боковой поверхности цилиндрической емкости, герметичные балластные емкости, емкости-сборники, обеспечивающие вместе с защитными экранами защиту от теплового воздействия на исполнительные узлы. В результате их применения обеспечено рациональное, эффективное молекулярное течение газов, использование которых позволило увеличить производство тепловой энергии и производство горячей воды теплоносителя в режимах высокого рабочего давления газов в 2 раза, а в других режимах увеличение примерно составило 10%. Введение в конструкторской разработке емкостей-сборников позволило производить сбор образующихся частиц при очистке окисленной пленки геттерного материала, что значительно увеличило эксплуатационный ресурс геттерного насоса-теплового реактора.

В предложенном техническом решении применены новые комплектующие и материалы, такие как фильтр очистки атмосферного воздуха, сильфоны, работающие на сжатие, латунь, конструкционная сталь, технологический вакуумный ввод, которые примерно в 2 раза увеличили эксплуатационный ресурс устройства нагрева воды. Кроме того, предусмотрена возможность применения его в качестве вакуумного геттерного насоса в других технологических процессах.

Формула изобретения

Устройство нагрева воды, содержащее геттерный насос – тепловой реактор с реакционной вакуумной камерой-теплообменником, образованной титановой трубой, крышкой с трубчатым отводом, крышкой-валом, которая установлена с возможностью вращения в емкости с нагреваемой водой и сообщается через крышку с трубчатым отводом с дополнительной вакуумной камерой, снабженной натекателем газов, причем титановая труба реакционной вакуумной камеры-теплообменника имеет внутреннюю реакционную поверхность, взаимодействующую посредством трения скольжения с твердосплавными элементами блока очистителей, расположенного внутри реакционной вакуумной камеры-теплообменника и выполненного в виде ряда диаметрально расположенных узлов очистки, каждый из которых включает комплект сформированных на ориентационной площадке очистительных пластин с твердосплавными элементами, имеющих возможность радиального перемещения относительно реакционной поверхности трубы посредством скользящих площадок под действием сильфонов, закрепленных на ориентационных площадках узлов очистки, отличающееся тем, что сильфоны в блоке очистителей установлены с обеспечением рабочего хода на сжатие, а крышки камеры-теплообменника, выполненные из металла с высокими антифрикционными свойствами, герметично соединены с титановой трубой через промежуточные металлические кольца и посажены через подшипники качения на осевую трубу, на которой неразъемно и герметично установлены через технологические отверстия передняя и задняя крышки герметичной цилиндрической емкости, на боковой поверхности которой установлены ориентационные площадки узлов очистки, а также посажены защитные экраны, которые неподвижно закреплены на передней и задней крышках с внешней стороны, а вокруг герметичной цилиндрической емкости между узлами очистки размещены с закреплением к ее передней и задней крышкам верхняя балластная емкость, емкости-сборники, снабженные желобами и щелевыми проходами, и нижняя балластная емкость таким образом, что между образованной ими сборной поверхностью и реакционной поверхностью титановой трубы реакционной вакуумной камеры-теплообменника обеспечивается кольцевой объем, который через газовые каналы, выполненные в крышке с трубчатым отводом, через кольцевой проход, образованный между осевой трубой и внутренней поверхностью трубчатого отвода крышки, соединен с дополнительной вакуумной камерой, в которой натекатель газов через вакуумный клапан соединен с фильтром очистки атмосферных газов, кроме того, дополнительная вакуумная камера соединена через вакуумный клапан и вакуумный вентиль с вакуумным вводом.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 01.08.2008

Извещение опубликовано: 10.07.2010 БИ: 19/2010