专利名称：使流体变热的方法和体现该方法的装置的制作方法
背景技术：
本发明涉及到除作为燃烧的结果以外的产生和利用热的方法，以及藉助于机械作用处置流体而使之变热的方法和装置。
在技术领域中通常认为，流体变热的效应是一些作用力引起的机械作用的必然的或伴随的结果。这些作用力尤其如，在与装载工具接触时产生的摩擦力，在流体紊流流动期间产生的内摩擦力，以及流体急剧滞止或发生涡凹期间产生的作用力。在这些情况下，使流体变热所消耗的能量，被认为是自然能损失。
在技术领域中也已众所周知的是，流体变热效应是声波或超声波范围内机械振动的结果，这种结果是考虑到的，但并非以寻求加热为目的。在此情况下，使流体变热所消耗的能量也被传统地认作为自然能损失。尤其是，从技术状况而言(弗·埃·别格勒[V.I.Bigler]等所著的“在流体多孔发声型装置中某些材料的分散现象”一文，发表在由“冶金”出版社于1997年发行的莫斯科钢铁和合金研究院论文集第90卷第73-76页，该论文集的刊名为“超声波在冶金中的应用”)在通常称之为流体动力学多孔发声型装置中的流体快速变热效应是已知的。此种装置包括一个运转轮，它具有一个带有输入开孔的空间，该入口开孔用于供应流体，它还具有一系列沿着圆周线等距离分布的出口开孔，这些出口开孔被设置在具有锥形外表面的运转轮外周壁中，该装置还包括具有一个空间的定子，它带有一个用于流体流出的排放开孔，和沿着圆周线等距离分布的一系列入口开孔，这些入口开孔被设置在与运转轮相邻而与之有较小间隙的定子壁中，运转轮和定子的一系列开孔都位于相同的旋转平面中。在运转轮旋转过程中，从运转轮的出口开孔流向定子的入口开孔的流体，受到具有固定频率的强制机械振荡的作用，机械振荡的固定频率取决于运转轮的旋转频率和其出口开孔的个数。在上述论文所给定的情况下，采取在流体中激发所说的振荡，其目的仅在于使流体中包含的材料分散。虽然如此，论文的作者们还是注意到了流体反常地很快变热这一事实。对此现象，他们解释为是由于在流体从运转轮的空间泄入定子空间的过程中增大了流体的阻力，而并未对此现象的定量方面予以重视。
现有技术也已知一种藉助机械振荡处置液体使之变热的方法(国际专利申请号PCT/RU92/00194，1992)，包括“把要被处置的流体提供到旋转的运转轮的空间中；促使流体随着运转轮一起旋转；使流体通过设置在运转轮外周圆筒形表面上的一系列出口开孔，从运转轮的空间排出；使流体通过至少一个入口开孔流入定子空间，入口开孔被设置在与运转轮的外周圆筒形表面相邻而与之有极小间隙的定子同轴表面中；由此，实现了对流体流的周期性的、不连续的干扰，并在流体流中激发起机械振荡。正如已被作者们确定的那样，这样处置被输送到定子空间中的流体的结果，是使流体变热到大大超过用流体压力损失总量可以解释变热的程度。但是，这些初步显露出的非正常的流体变热的效果既不足以，也不能稳定地确保能把它成功地应用于实际用途。其原因在于对工艺参数的选择不正确，即对运转轮旋转频率，以及它与运转轮出口开孔的数目和形状尺寸的相互关系等参数的选择不正确。
考虑到上述这些情况，本发明的发明人按照美国专利申请号08/218620(1994年3月申请)，创立了较早的改进了的用于使流体变热的方法和装置。按照该专利申请，该方法包括把要被处置的流体提供到旋转的运转轮空间中；促使被处置的流体与运转轮一起旋转；通过设置在运转轮外周圆筒形表面上的一系列出口开孔，把流体从运转轮的空间中排出；使流体通过至少一个入口开孔进入定子空间中，入口开孔设置在邻近运转轮外周圆筒形表面并与之有极小间距的定子同轴表面上；由此，实现了对流体流的周期性的、不连续的干扰，并在其中激发起机械振荡。按照该可利用的信息，首次试图用数字方式表达流体沿着具有确定半径的圆周线运动的直线速率和该半径之间的从属关系，如下列经验公式所示
RV2＝253.264(米3/秒2)体现所描述的使流体变热方法的装置，包括装有一根在轴承中旋转的轴的转子；一个与轴连接的运转轮，它被做成如同一个具有外周环形壁的圆盘，该环形壁有圆筒形的内、外表面，在其中设置有一系列用于流体通过的开孔，这些开孔沿着圆周线等距离分布；一个容纳着运转轮的定子，所说的定子具有一个用于提供流体的输入开孔和一个用于排出流体的排放孔，所说的定子还具有两个同轴壁，它们邻近运转轮的外周环形壁，在其两侧留有极小的间隙；在定子的两个同轴壁中都至少设置有一个用作流体通道的开孔，这些开孔处在运转轮的一系列开孔的所在平面中。
所述的这种用于使流体变热的方法和装置，虽然保证了液体温度高于以液压损失为代价所达到的温度，但仍没有把握在实践中达到发明者企图取得的最大效率。其原因是在精确规定半径为R的圆周线位置方面明显地缺少足够的限定，而与此同时却明确规定了RV2的值，而且事实上，对于已离开运转轮的流体，其自由旋转的可能性在此也是不存在的。
本发明简介本发明的目的在于，在现有技术和自己研究的基础上，解决产生的诸如使流体变热的方法，以及用于实施此种方法的装置等问题，由此，就更有把握地实施使机械能有目的地转化为热能而具有更高的效率。
按照本发明，藉助于机械作用处置流体使问题得以解决，其中，沿着一个确定的旋转半径具有确定的线速度的旋转运动过程，伴随着具有确定频振荡作用的重叠。
为此目的，在该使流体变热的方法的基本实施例中设置成把要被处置的流体提供到旋转着的运转轮的空间中；使要被处置的流体从运转轮的空间中排出而进入一个环形腔中，该环形腔是由运转轮的外周圆筒形表面和定子的同轴表面形成的，流体从运转轮空间中排出是通过一系列设置在运转轮外周圆筒形表面上的出口开孔而实现的。这些出口开孔沿着圆周线等距离分布；流体通过至少一个排放孔从环形腔中排出。在此情况下，运转轮外周圆筒形表面的半径R和运转轮的旋转频率n都是在下列经验公式范围内，通过选定运转轮的出口开孔个数K而予以确定的R＝(1.05…1.28)K(毫米)，以及n＝(3.6…4.1)K-1.5.106(转数/每分钟)正如已由实验证实的，超过所说的参数范围，可能得到的流体不正常变热的效果，表明是不适当的。
在使流体变热的方法的最佳实施例中，运转轮的半径R和旋转频率n是按照下列经验公式，通过选择出口开孔个数K而予以明确确定的R＝1.1614K(毫米)，以及n＝3.8396K-1.5.106(转数/每分钟)在使流体变热的方法的另一个较佳实施例中，要被处置的流体从环形腔中排出是通过设置在定子的同轴表面上的排放孔而实现的，该环形腔是由运转轮的外周圆筒形表面和定子的同轴表面形成的，这些排放孔被布置成在运转轮旋转过程中依次地与运转轮的出口开孔相对置。
在上述使流体变热的基本实施例中，在所说的参数选择范围内，正如实验已证实的那样，流体变热的温度可根本上达到超过只作为流体压力损失的结果而获得的变热温度程度，并具有这样的稳定性，即有可能谈及该使流体变热的方法的这一实施例可相当有效地和有意义地用于实际目的。能量平衡的总的绝对值的综合能被阐明，而并不要彻底圆满性和正确性，并记住能量转换定律，通过在分子水平上释放流体互相键合的潜能，这是周期性激发显著的机械作用以足以产生链合反应的频率作用在流体上并在流体中产生谐波的结果。在使流体变热的方法的最佳实施例中，当所说的参数的明确值(这些参数值是由实验确定的)被选定时，能量平衡剩余的效应表现得最大。在使流体变热的方法的另一个较佳实施例中，由于首先当流体通过运转轮的出口开孔被排入环形腔中时，然后当流体通过设置在定子同轴表面上的一些排放孔而从环形腔中排出时，都有一个综合的振荡作用施加在流体上，从而使改善所得到的效应成为可能。
按照本发明，使流体变热的方法，仅藉助于下文将要阐述的装置可予以实施，这构成为本发明人的总的目的完整部分，而并非要用于其它目的。
在用于使流体变热的装置的基本实施例中，包括一个转子，它装着一个可在轴承中转动的轴；至少一个与轴连接的运转轮，它被做成如同一个带有外周环形壁的圆盘，环形壁具有一个圆筒形的外表面，在该环形壁中，沿着圆周线等距离地设置一系列用于流体的出口开孔；一个包容着运转轮的定子，它具有一个用于提供流体的输入开孔和一个用于排放流体的排放孔；一个用于容纳要被处置的流体的空间，所说的空间是由该圆盘和运转轮的外周环形壁，以及带有输入开孔并与运转轮相邻的定子壁所形成；一个用于容纳要被处置的流体的环形腔，所说的环形腔在径向上被运转轮的外周环形壁和定子的同轴壁所限定，并与用于流体流出的排放孔连通；该运转轮和环形腔的形状尺寸特征是R＝(1.05…1.28)K(毫米)，此处K是所选定的运转轮出口开孔个数，R是运转轮外周环形壁的外圆筒形表面的半径，以及ΔR＝(1.05…1.28)B(毫米)此处B是在1…K/2范围内所选定的整数，ΔR是环形腔的径向尺寸，在用于使流体变热的装置的最佳实施例中，半径R和ΔR的尺寸分别为R＝1.1614K(毫米)，ΔR＝1.1614B(毫米)，此处B是在1…K/5范围内选定的整数。
在用于使流体变热的装置的另一个较佳实施例中，一个定子具有一个邻近其同轴壁的空间，用以把流体从环形腔中输入该空间，该空间与用于排放流体的排放孔连通；该定子的空间通过一些设置在定子同轴表面中的排放孔与环形腔连通，这些排放孔位于运转输出口开孔的所在平面中，并沿着圆周线等距离分布；环形腔的排放孔的个数为1…K。
从以下对本发明实施例的详细阐述中可以了解到本发明的其它特征。
附图简述参考下列示意图所示的实施例，对本发明作更详细的描述
图1是本发明用于使流体变热的装置的最基本和最佳实施例的纵轴向断面图；图2和图4是环形腔的局部横断面图；图3是用于使流体变热的装置的较佳实施例之一的纵轴向断面图。
本发明详述按照藉助机械作用处置流体使其变热的方法的基本实施例(图1、2)，通过入口开孔3把要被处置的流体提供到旋转的运转轮2的空间1中。在运转轮2的旋转过程中，要被处置的流体通过一系列出口开孔8从空间1排入到环形腔4中，该环形腔4是由运转轮2的外周圆筒形表面5和定子7的同轴表面6形成的，一系列出口开孔8是沿着运转轮2的外周圆筒表面5并沿着圆周线等距离设置的。限制在环形腔4中的要被处置的流体，在其相对于中心轴9，按照自由流体法则而继续旋转的同时，受到机械振荡的作用。这种机构振荡是由于从运转轮2的每个出口开孔8中流出的单元流体流与定子7的同轴表面6之间的互相作用而产生的。处置过的流体通过排放孔10从环形腔4中排出。
运转轮2的旋转频率n和其外周圆筒形表面5的半径R，是在下列经验公式的范围内通过选定运转轮2的出口开孔8的个数K而确定的R＝(1.05…1.28)K(毫米)，n＝(3.6…4.1)K-1.5.106(转数/每分钟)。
根据使流体变热的方法的最佳实施例，半径R和运转轮2的旋转频率n，可按照下列经验公式，通过选定运转轮2的出口开孔8的个数K而明确地予以确定
R＝1.1614K(毫米)，n＝3.8396K-1.5.106(转数/每分钟)。
根据使流体变热的方法的另一个较佳实施例(图3-4)，要被处置的流体从环形腔4中的排出，是通过在定子7的同轴表面6上形成的一个、几个或一系列排放孔1 1而实现的，环形腔4是由运转轮2的外周圆筒形表面5和定子7的同轴表面6形成的。在运转轮2的旋转期间，环形腔4的所说的排放孔11被设置为依次与运转轮2的相应的出口开孔8相对置，从而在流体中引起了周期性的紊流和相应的机械振荡。通过环形腔4的排放孔11流出的流体，进入定子7的空间12中，处置过的流体从该处通过排放孔13排出。
环形腔4的排放孔11的数量可从一个到K个范围内选择，应考虑到随着排放孔11个数的增加，在其它方面都保持不变的情况下，处置容积能力相应提高，而流体变热的温度则降低。
按照用于实现所描述的使流体变热的方法的装置的基本实施例(图1、2)，该装置包括一个转子14，该转子14装有可在轴承16和17中转动的轴15，并设置着一个密封18。转子14还包括至少一个与轴15连接的运转轮2，它被做成如同一个具有外周环形壁20的圆盘19，环形壁20具有圆筒形外表面5。一系列用于流体的出口开孔8，沿着周边等距离地分布在所说的壁20中。
包容着运转轮2的定子7上设置有为提供要被处置的流体用的输入开孔3，和为处置过的流体流出用的排放孔10。一个空间1，用于接纳要被处置的流体，它是由圆盘19、运转轮2的环形壁20、和带有输入开孔3的定子7的相邻壁21所形成的。一个环形腔4，用于接纳要被处置的流体，环形腔4在径向上被运转轮2的环形壁20与定子7的同轴壁22限定，并与用于使处置过的流体从中流出的排放孔10连通。
运转轮2和环形腔4的形状尺寸特征设定如下R＝(1.05…1.28)K(毫米)，ΔR＝(1.05…1.28)B(毫米)，此处
K是运转轮的出口开孔所选定的个数，R是运转轮的外周环形壁的圆筒形外表面的半径，B是1…K/2范围内所选定的整数，ΔR是环形腔的径向尺寸。
在用于使流体变热的装置的最佳实施例(图1、2)中，半径R的标称值明确地设定为R＝1.1614K(毫米)，而径向尺寸ΔR的标称值设定为ΔR＝1.1614B(毫米)，在此。
B是1…K/5范围内所选定的整数。
按照用于使流体变热的装置的另一个较佳实施例(图3、4)，定子7具有一个空间12，它邻近定子7的同轴壁22，用以接纳从环形腔4中出来的流体，空间12与用于排放处置过的流体的排放孔13连通。定子7的空间12通过排放孔11与环形腔4连通，排放孔11用于使流体从环形腔4中排出，同时使它流入空间12，所说的排放孔11设置在定子7的同轴壁22中。所说的排放孔11位于运转轮2的一系列出口开孔8的分布平面中并沿着圆周线等距离分布。排放孔11的个数可从1到K设定，其个数超过K是没有益处的，因为在其它情况相同时，超过K值后，热效率明显降低。
转子14通过轴15的传动机构和联轴器23与其具有预定旋转频率的驱动装置(例如电动机24)相连接。
转子可以包括被装配在一根轴上的几个运转轮，所说的几个运转轮顺序地沿着流体流相接触。每个运转轮可装配上叶片。
该装置可制成带有截流或控制元件的内旁路或外旁路，用以使一部分已处置过的流体从该装置的出口流出而进入到其输入口中从而进行重复处置。
该装置作为整体可占用空间的任何位置。
运转轮2的出口开孔8的个数K，可基于在流体中已激发出的声波范围内所希望的强制振荡频率而予以选择，而用以下经验式可确定KF＝63.993K-0.5(千赫兹)应考虑该装置作为一个整体能实现的并有利的形状尺寸。
在上述范围内，参数B的选择，取决于要被处置的特定流体的物理性质，尤其是当其变热时其粘滞性和状态的改变，并要考虑该装置作为整体的合理的形状尺寸。
用于使流体从环形腔4中流出的排放孔11的个数的选择，取决于所希望的容积能力率和流体变热的温度。
运转轮2的出口开孔8在沿着外周表面5的圆周方向上的宽度，最好设定为在沿着R为半径的圆周上这些开孔8之间的圆周间距的1/2。环形腔4的排放孔11在沿着同轴表面6的圆周方向上的宽度，不论排放孔11的个数多少，最好不超过出口开孔8的宽度。开孔8和11的形状，如图3所示，最好是一致的，并以平行于中心轴9的方向延伸。
按照本发明用于使流体变热的装置以如下方式运行在该装置的基本的和最佳的实施例中(图1、2)，要被处置的流体通过输入开孔3以箭头所示的方向被提供到运转轮2的空间1中。藉助电动机24、通过联轴器23和轴15，使转子14和运转轮2一起，以预定的旋转频率n作旋转。在此情况下，进入运转轮2的空间1中的流体，在压力下通过在运转轮2的外周环形壁20中的一系列出口开孔8，进入到被运转轮2的环形壁20和定子7的同轴壁22所限定的环形腔4中。处置过的流体从环形腔4中以箭头所示方向通过排放孔10排出，用于消费、利用或再进行处置。
该装置的另一个较佳实施例(图3、4)的运作，除了要被处置的流体通过设置在定子7的同轴壁22中的排放孔11而离开环形腔4，并进入到定子7的空间12中以外，其它运行方式与以前所述的均类似。处置过的流体从空间12中，以箭头所示的方向通过排放孔13排出，用于消费、利用或再作处置。
下列表格中给出了按照本发明使流体变热的方法实施例及用于该实施例的装置的特例(表1、2)。
表1按照图1、2实施例的例子被处置的流体-水名称 符号 单位 数值运转轮的出口开孔数目K 个 120运转轮的外周圆筒形表面的半径R毫米 140.0英寸 5.512环形腔的径向尺寸ΔR 毫米 9.3英寸 0.366运转轮旋转频率 n转数/每分钟 2920机械振荡频率F 千赫兹 5.840能源E 兆焦耳 46.8开式运行能力G公斤/每分钟 64.0开式运行时温度增量 ΔT 摄氏度 3.250％闭路运行能力G1公斤/分钟32.050％闭路运行时温度增量 ΔT1摄氏度 6.4
表2按照图3、4的实施例的例子被处置的流体-水名称符号 单位 数值运转轮的出口开孔数目 K个 192运转轮的外周圆筒形表面的半径 R 毫米 223.0英寸 8.780环形腔的径向尺寸ΔR 毫米 41.8英寸 1.646运转轮旋转频率 n转数/每分钟 1440机械振荡频率 F 千赫兹4.620能源 E 兆焦耳64.8开式运行能力 G公斤/每分钟 102.8开式运行时温度增量 ΔT 摄氏度3.050％闭路运行能力 G1公斤/分钟 51.450％闭路运行时温度增量 ΔT1摄氏度6.0工业应用本发明的工业应用领域是相当广泛的，其应用领域也包括要求流体变热的很多情况下的许多工业分支。以一种消耗性的方式是不可能使这些情况发生的。可以指出如下各别的例子-小型固定设施本机用的配套电-热源；-传输设备和可移动设施的加热；-使流体在其输送过程中直接地有目的地升温；
-使流体在不同的技术过程中有目的地附带加热，等等。
藉助于为相似目的(电力的、水力的、风力的、机械的，等等)而特殊设计的发动机，或藉助于移动、尤其是转动传输设施(铁路车辆等)的部件，可使运转轮致动。
可被处置的流体的种类也很广泛，有从水到碳氢化合物和有机硅等的液体，也可以是在这些物质基础上的溶体、乳胶体和悬浮液，其沾滞性和其它物理性能的范围可很宽。
权利要求
1.一种藉助于机械作用处置流体使之变热的方法，它包括(1)把要被处置的流体提供到旋转着的运转轮的一个空间中；(2)把要被处置的流体从运转轮的空间排出而进入一个环形腔中，该环形腔是由所说的运转轮的外周圆筒形表面和一个定子的同轴表面形成的，其中(3)所说的排出是通过一系列出口开孔而实现的，所说的一系列出口开孔被设置在运转轮外周圆筒形表面上，并沿着圆周线等距离分布；(4)流体通过至少一个排放孔从所说的环形腔中排出，其中(5)运转轮的外周圆筒形表面的半径R的尺寸，是按照如下经验公式，通过选定所说的运转轮的出口开孔个数K而予以确定的，R＝(1.05…1.28)K(毫米)，(6)运转轮的旋转频率n，是按照如下经验公式藉助所说的K值而予以确定的，n＝(3.6…4.1)K-1.5.106(转数/每分钟)。
2.按照权利要求1所述的一种使流体变热的方法，其特征在于，运转轮的外周圆筒形表面的半径R的尺寸，是按照如下经验方式，通过选定所说的运转轮的出口开孔的个数K而予以确定的，R＝1.1614K(毫米)，而运转轮的旋转频率n，是按照如下经验式，藉助K值而予以确定的，n＝3.8396K-1.5.106(转数/每分钟)
3.按照权利要求2所述的一种使流体变热的方法，其特征在于，流体从环形腔排出是通过排放孔实现的，所说的环形腔是由运转轮的外周圆筒形表面和定子的同轴表面形成的，所说的排放孔设置在定子的同轴表面上，在所说的运转轮旋转过程中，所说的排放孔依次地与运转轮的出口开孔相对置。
4.一种藉助于机械作用处置流体使之变热的装置，它包括(1)一个转子，它装着一个可在轴承中转动的轴，(2)至少一个与轴连接的运转轮，它被做成一个带有外周环形壁的圆盘，环形壁具有一个圆筒形的外表面，在该环形壁中，沿着圆周等距离地设置一系列用于流体的出口开孔；(3)一个包含着运转轮的定子，它具有一个用于提供流体的输入开孔和一个用于排放流体的排放孔；(4)一个空间，用于容纳要被处置的流体，所说的空间由该圆盘和运转轮的环形壁，以及带有输入开孔并与所说的运转轮相邻的定子壁所形成；(5)一个环形腔，用于容纳要被处置的流体，它在径向上被运转轮的外周环形壁和定子的同轴壁所限定，并与用于排放流体的排放孔连通；其中，运转轮和环形腔的形状尺寸特征设定为(6)运转轮的外周环形壁的圆筒形外表面的半径R设定为R＝(1.05…1.28)K(毫米)，此外K是所选定的运转轮出口开孔个数，(7)环形腔的径向尺寸ΔR设定为ΔR＝(1.05…1.28)B(毫米)，此处B是1至K/2范围内所选定的整数，(8)用于驱动转子使之按预定旋转频率旋转的工具。
5.按照权利要求4所述的一种用于使流体变热的装置，其特征在于，运转轮的外周环形壁的圆筒形外表面的半径R设定为R＝1.1614(毫米)，此处K是所选定的运转轮出口开孔数目，而环形腔的径向尺寸ΔR设定为ΔR＝1.1614B(毫米)，此处B是1…K/5范围内所选定的整数。
6.按照权利要求5所述的一种用于使流体变热的装置，其特征在于(1)该定子具有一个邻近其同轴壁的空间，用以把流体从环形腔中引入该空间，所说的空间与用于排放流体的排放孔相连通，在此(2)该定子的空间通过设置在定子同轴壁中的排放孔与环形腔连通，所说的排放孔位于运转轮的出口开孔的所在平面中并沿着圆周线等距离分布，(3)该环形腔的排放孔的数目设定为1…K。
全文摘要
用于通过机械振荡作用而使流体变热的方法和装置,包括:把流体提供到旋转的运转轮(2)的空间(1)中,使流体通过一系列出口开孔(8)而进入由运转轮和定子形成的环形腔(4),然后流体排出。在此过程中,观测到如下经验公式:R=1.1614K(毫米)；△R=1.1614B(毫米),以及n=3.8396K
文档编号F24J3/00GK1181803SQ95197820
公开日1998年5月13日 申请日期1995年4月18日 优先权日1995年4月18日
发明者尼古拉·伊万诺维奇·谢利瓦诺夫 申请人:尼古拉·伊万诺维奇·谢利瓦诺夫