加热和净化流体的方法和装置与流程

本发明涉及一种产生热或冷流体的空化设备，该空化设备至少包括发动机、壳体、待加热的流体、以及在待加热的流体中旋转的海绵体，并由外部发动机驱动。

背景技术：

在诸如水的流体中产生热的空化现象在本领域中是公知的。

jacobs在美国专利no.3720372中提出了使用旋转体生产加热流体的空化系统的例子。其他使用空化现象产生热量的专利方案在20世纪50年代被开发，尤其是在美国。著名的专利是帕金斯公司(perkins)的美国专利no.4424797。在smith的美国专利no.2683448中介绍的解决方案的发展和现有技术就是该专利。在帕金斯公司的美国专利no.4779575中也公开了一种改进方案。

在griggs的美国专利no.5188090和no.5385298中也描述了空化装置。在这些装置中，圆柱形主体置于装置的壳体中，遮盖物设有空化孔。将待加热的流体置于带有空穴孔的旋转体和壳体内部遮盖物之间的圆柱形自由空间中；当空化体旋转时，流体的压力和温度增加。通过引用将griggs的专利整体并入本文。

在giebeler的美国专利no.6164274，selivanov的美国专利no.6227193和俄罗斯专利no.ru2262644中公开了其他空化装置。harris的美国公开专利申请no.2010/0154772中公开了来自空化观点的另一种方法。在该方法中，当转子旋转时，旋转转子的螺旋环和壳体的内部遮盖物共同产生空化热。fabian专利wo2012/164322a1教导了一种类似的空化装置。

上述现有技术系统具有许多缺点，包括效率低和产生噪声，这主要是由于这些概念将空化过程作为二维过程来考虑。本发明的一个目的是消除已知技术方案的缺点和空化装置中的有害空化效应，消除空化过程内部的破坏力，提高效率，并通过三维矢量方法减少空化噪声。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种空化装置，其产生足够的加热流体用于流体净化和其他传热方法，该空化装置包含至少一个发动机、壳体、待加热的流体，以及在待加热的流体中旋转的一个或多个海绵状空化体，由发动机驱动。本发明包括设备操作的程序。本发明的方案有利地消除了空化的其他有害和侵蚀特征，同时使用产生的空化泡来改变流体(主要是水)的热条件，用于水净化、hvac应用和需要热传递的其他类似过程。

更具体地，本发明的特征在于，在壳体中安装收缩构造，该收缩构造包括空化台阶、定向缓冲器和反弹缓冲器，以及用于在收缩构造和空化体(2)之间的待加热流体的自由收缩的通道，允许对形成的空化泡进行速度和方向控制，这对于工艺完整性和减少/消除与空化过程相关的破坏力是至关重要的。使用空化设备的方法也是本发明的一部分，因为整个空化系统的整体部件提高了降噪效果和处理效率。

附图简要说明

图1示出了本发明的一个实施例的透视图和分解图。

图2示出了图1的设备的顶部，其中部分被切除以示出细节。

图3示出了沿图2中线iii的截面图。

图4示出了图3中截面图的放大部分。

图5示出了图4的一部分的更放大的视图。

图6以标准二维方式示出了排出位置，以及空化孔位置，相对于电机速度和计算出的排出处的流体速度。

图7示出了第三维维度上空化头内的典型圆柱形流体路径。

图8示出了缓冲件相对于彼此的一般位置，以在第三维度上提供流体到空化孔的均匀排出速度。

图8a示出了图8中排出通道入口处的横截面，

图8b示出了图8朝向排出通道的横截面，

图9示出了水物理特性表，随温度变化而变化，需要对空化过程进行速度控制，

图10示出了在没有负破坏力的情况下产生受控三维空化过程的整体系统要求。

具体实施方式

空化现象及其在加热流体中的应用在现有技术中是众所周知的。

空化真空气泡产生于流体的低压部分，主要是在流体高速流动的区域。这种现象在中央泵，以及船舶螺旋桨或水轮机附近很常见，并且可能广泛地侵蚀旋转螺旋桨和所有受影响的材料表面。

该现象伴随着振动和类似敲击的噪音；扭曲了流动模式，降低了相关发动机的效率。无论螺旋桨叶片或涡轮叶片是由何种材料制成，空化都会侵蚀各自的表面，甚至最坚硬的合金，并在表面上形成微小的孔和腔。这种现象的名称就来源于此，因为空化意味着空腔的产生。由于上述原因，空化通常是需要消除的现象。

空化真空气泡通常很小，只有几毫米大小，这些气泡是由于流体分子间的高速流体流中的压力突然降低产生的。如果高压流体的压力突然下降，气泡进入高压区域时会发生碰撞，或者破裂并将空间均匀地填充液滴。在液滴和液滴分子之间产生小空腔，产生真正的真空泡。随后这种真空泡的碰撞伴随着低的碰撞噪声和光发射。大量流体分子的撞击会产生裂缝、弹跳和隆隆声。当气泡发生碰撞时，气泡中存储的能量，即大量的热量和光能，被释放出来。能量以不同的频率扩散，并被相邻分子吸收，从而提高其温度。换句话说，所产生的气体达到高于饱和气体的温度和压力的状态，破坏分子粘附，气泡会突然破裂。由此产生的高温被周围的流体分子吸收，从而加热流体。在空化过程中产生的热量足以消除流体中的任何细菌、病毒、重金属和其他污染物，从而提供额外的纯化益处。实际上，纯化的流体最适合控制三维空化过程。

同样，利用这一现象来加热流体已为人所知多年。然而，产生空化以加热流体一直是间接的，例如，使用由电动机驱动的旋转体，比直接使用电加热流体更昂贵。另一方面，如果是其他经济电源，例如涡轮机、汽油或柴油发动机等都可用，情况就不同了。使用这种电源，可以直接生产纯化的加热流体。

如上所述，在griggs的专利所示的系统中，在封闭系统中以选定的高速循环流体，并流经变窄的通道，流体突然被引入膨胀段(空化孔)，必须进行减压以产生空化。

空化通常是一种有害现象，因为它具有破坏性、产生大量的热能、高排放压力和噪音。然而，本发明基于这样的认识，即通过在旋转的空化体和包含该空化体的壳体的内表面之间，可选地，在旋转空化体和次级固定转子头的内表面之间，安装收缩或干涉构造，可以制造改进的空化装置。在这种情况下，确保真空气泡连续爆炸。通过设计具有干涉或收缩的壳体内部，待加热的流体在爆炸时围绕孔中的真空气泡，可以减少空化噪声，并且可以减少或消除空化的有害影响。

一方面，本发明提供了一种产生加热的纯化流体的空化装置，至少包括发动机、壳体、待加热的流体，和由发动机驱动的在待加热流体中旋转的旋转空化体。发动机可以是电动发动机，但是蒸汽或内燃机，或涡轮机的旋转轴也可用于驱动空化设备。可以在旋转空化体的内部放置固定转子头，形成第二流体加热区。本发明还包括该装置的操作方法，需要向该装置广泛地供应流体，例如水，用于空化目的，随后使用本领域已知的加热流体。虽然水是理想的流体，但如果需要，该装置可用于加热和净化任何流体。

通过使旋转空化体和转子头(如果存在的话)中具有空化孔来放大本发明的优点。像griggs的专利一样，旋转空化体外表面装有空化孔。空化孔以及旋转空化体和周围壳体之间的腔体形成空化流动区。在使用固定转子头的实施例中，转子头的外表面也装配有空化孔，以便朝向旋转空化体的内表面，该内表面通常为环形。这在旋转空化体的内部和转子头之间创建了另外的流体空化流动区，以增强流体的空化。

图1-10示出了本发明的一个实施例。该装置用附图标记10表示，包括外部电机1，用于经由直接驱动轴3来旋转旋转的空化体或外部转子5，该驱动轴3包括轴密封件7。驱动轴3延伸穿过壳体9的端部8的开口6和外转子5的开口12。外转子5可以以任意速度旋转，这取决于被加热流体的粘度。通常速度为2500-4000rpm，以产生最佳的流体空化，该速度与griggs专利中公开的速度接近。然而，为了改进griggs专利，并且在第三维度中精确定位排出到空化孔33、37的空化气泡，使用变速控制器301和定向缓冲器和反弹缓冲器，将电机速度调谐到装置10。这对于产生精确的轴速度sv是至关重要的，该速度确定了在装置10的排出区31、35处的流体的水平速度vx、垂直速度vy和第三维度速度vz。流体在排料漏斗内被压缩、被引导并以特定速度fv释放，该特定速度fv由空化区域(图6)之间的物理弧长度la确定，确定在任何特定电机速度下具有给定空化头的空化排出区域的实际数量。由于流体的速度fv可以调节，因此可以确定流体分子沿路径la行进所花费的时间，并且可以计算排出区31、35处的流体的水平和垂直分量。曲线运动水平速度的测定函数为vx＝dx/dt，而垂直速度为vy＝dy/dt，第三维度速度为vz＝dz/dt。设计定向缓冲器和反弹缓冲器的目的是将第三维度速度vz驱动为零，通过消除dz分量，从而通过求解dx和dy，可以相对于调谐的时间(即电机速度)确定空化孔33、37的位置，以及孔ba之间的距离。图6仅示出了两个空化孔，但应该理解，空化孔沿着如图3所示的外转子的圆周延伸。

设置转子壳体9，其没有内轴承。内轴承的存在是fabian专利的关键失效模式，因为在该设计中，轴承将在空化过程中直接受到流体到轴承的热传递的影响。因此，电机1的轴3延伸穿过壳体9，并支撑外转子5，以悬臂结构旋转。当轴3延伸穿过壳体9时，电机的轴3比电机中的正常轴承和内部轴承更长，以支撑平衡的外转子5。壳体9形成空腔11，以接收外转子5。传统的轴密封件(未示出)位于电机轴3和壳体9之间，用于密封。通过电机轴的悬臂设置，以及轴承与用于轴支撑的电机相关联，消除了现有技术装置中的轴承故障的问题。

在操作中，在设备10的运行过程中，根据电机对流体的最佳调谐速度，以一定的速率将流体(例如水)引入到腔11中。当外转子5位于壳体内时，外转子5的外表面13朝向壳体9的内表面15。在这两个表面13和15之间存在间隙17，该间隙17成为装置10的一个流体加热区，包括三个侧向空化区215。

在图1-10的实施例中，加热区17有三组三排出区31和35，加热区25具有相同设置，因而存在六个流体加热区，因此总共存在18个空化区215。通过改变空化头的尺寸可以增加或减少空化区的数量，以获得与所选电动机速度一致的额外弧长la。这通过提供具有特定旋转节距或结构的次级转子头19来实现，并且具有与外转子5类似的物理特性，以增强流体中的能量。转子头19的外表面21朝向外转子5的内表面23，在它们之间存在间隙。该间隙形成装置10的另一个流体加热区25。

还提供了壳体盖27。使用任何已知的紧固技术将壳体盖27与壳体9配合以形成包括转子头19和外转子5的密封的空化室。以任何传统方式将转子头19安装到壳体盖27上，以产生间隙25，作为转子头19的外表面21与外转子5的内表面23之间的第二流体加热区。作为安装的实施例，开口26可以与适当的紧固件一起使用。

外转子5和转子头19，以及壳体9和盖27的材料选择为使其获得最佳性能和安全性。壳体9和盖27的材料的例子包括聚合物，例如聚酰胺。外转子5和转子头19可以由金属材料如铝或其合金或不锈钢制成。

待加热或净化的流体经由位于壳体盖27上的引入口29被引入到空化装置10中。虽然引入口29的位置可以变化，但优选位于固定的内转子头19和外转子5之间，参见图4，从而使得流体进入第二流体加热区25。

空化区17和25具有特殊的特征使得空化最佳。图8示出了这些特征的位置。转子壳体9的内表面15和外转子5的内表面23分别具有定向缓冲器201和203，以及反弹缓冲器202和204，以将水沿着方向路径引导到这些缓冲器中的每一个中的斜坡部31和35。这些表面上的定向缓冲器201和203更长，而反弹缓冲器202和204的长度更短，从而允许水沿着天然流体方向fd引导至斜坡区31和35，如图7的第三维视图中所示。这些缓冲器中的每一组的内、中程偏移量为212，外、中程偏移量为213，以适应流体分子沿圆柱运动时间的变化，从而影响空化区速度分量vx、vy和vz以确定空化孔33和37位置。这使得内转子21和外转子5符合标准的制造工艺。

另外，允许排出的流体路径是三维的，其中定位和形成空化孔33和37存在几何制造问题，设置定向缓冲器201和203的垂直部210，以及反弹缓冲器202和204，以促进流体的二维排放至空化孔33和37。空化孔33和37位于二维平面上，因为第三维速度vz已经被驱动为零，使得排出区215和空化孔33、37之间的距离与流体速度fv直接相关。通过将排出流体精确地定位至与空化孔33和37对齐，防止了破坏性空化气泡在没有空化孔的区域中不受控制地释放。这是通过外转子5的内表面23在定向缓冲器201和反弹缓冲器202之间的漏斗区205中的形状来实现的。该斜坡表面具有螺旋形状，其由如装置10的中心轴和纵轴a测得的径向距离表示。参见图3，从装置的中心轴向点测量的一个半径r2小于另一个半径r4。外转子5的内表面23的半径和螺旋形状的这种差异产生波浪斜坡31。这种结构产生的压差对于在波形斜坡31处形成空化真空气泡至关重要。

转子头外表面21配置有多个间隔开的给定深度和周长的空化孔33。孔33与波形斜坡31和外转子5的内表面23的螺旋形状配合，以在转子头19的空化孔33的规则布置下产生连续且不断增长的真空气泡。热是通过流体的空化过程产生的，对转子头19或空化孔33几乎没有破坏性影响。如图4所示，运行时，外转子5沿顺时针方向旋转。流体在外转子5的旋转循环期内被压缩，流体空化区25和17中的压力增大。进入波形斜面31和35提供了产生快速压力损失的膨胀区域，并且这种压力降低形成空化气泡，其随后在空化孔33和37中爆炸。

在进入区域25后，流体经由外转子5的后表面36处的多个端口34离开区域25。然后，该流出的流体进入在壳体1的内表面15和外转子5的外表面13之间的空间中形成的另一个流体空化区17。实际上，流体被引入二次空化过程，其方向与流体被引入第一次空化过程的自旋流体流动方向相反，所述第一空化过程在转子头外表面21和外转子5的内表面23之间的区域25中发生。

壳体1的内表面15上有类似的螺旋结构，其具有如图3所示的径向差异形成的相应波形斜坡35。即，半径r1小于半径r3，以便在定向缓冲器203和反弹缓冲器204之间的通道区206中形成波形斜坡35。

外转子5包括空化孔37，类似于转子头19中的空化孔。

离开第一加热区25的流体被引入第二加热或空化区17。然后，其中的旋转流体以与将流体引入转子头19中的孔33相同的方式被引入至外转子空化孔37的规则布置中。腔室17和25之间的不同之处在于波形斜坡31和35的方向。波形斜坡35与波形斜坡31相对设置。

换句话说，参照图3，增大半径的螺旋沿相对于外转子5的表面23的顺时针方向移动，从短半径r2移动到较长半径r4。相对于壳体9的表面15，增大的半径沿逆时针方向直接移动，从短半径r1移动到较长半径r3。这意味着波形斜面31和35的面彼此相对。参见图5，波形斜坡35具有面39，其以直角结构示出。然而，面39也可以成角度。螺旋形结构确保产生最大的真空气泡，由此产生的热使气泡爆炸。区域17和区域25的双平衡空化过程同时发生。因此，经由电机和外转子5的单个旋转周期，对流体进行两次造穴处理。

如图3所示，对于空穴加热过程，还希望主波斜面31和35在静止时对齐。也就是说，波形斜面31和35都位于6点钟位置。

由于壳体1是固定的，并且装置的位置被设定为使得轴线a是水平的，因此将波形斜坡35设置在该位置不是问题。为了使外转子5的波形斜坡31能够在该位置由于其电机连接而移动，一种方式是经由多个出口34使外转子5平衡，使得当电机1不提供动力时，外转子5返回到相对于内波斜坡31和外波斜坡35的适当的启动位置。在该启动位置，流体在该过程内产生的热量最大。虽然外转子的波形斜坡位置可以从6点钟位置变化，甚至高达90度到任一侧，但是当从优选的启动位置变化时，空化效率会降低。还优选的是，波形斜面31和35位于6点钟位置，因为这有利于从启动的角度启动装置，入口29与波形斜坡31对齐，因为该装置不仅具有流体空化装置的功能，而且还具有泵的功能，将流体吸入该装置10并将其排出。从6点钟位置向3点钟或9点钟位置变化，可减小斜坡处的压降和/或减少空化。通过将空化区215的这种结构改变到替代位置例如3点钟或9点钟位置，同时改变弧长la，空化装置吸收流体的热量并产生冷却效果，同时保持空化装置的非破坏性。

然后被空化的流体在低压(<1大气压)下经由盖9中的出口41离开空化装置10。为了实现最大效率并消除空化的破坏性元素，整个系统至少应该包括变速电机控制器301、排放水锤箱303和进入的储罐304。排放水锤箱303设定为12-15psi，这确保了适当控制加热水的噪声，而进入的储罐304使空化装置10在环境流体流动下操作。因为每种流体的物理性质随着温度的升高而变化，如图9所示，其中流体为水，重要的是要连续调节电机速度以进行速度控制，从而确保空化过程，特别是控制了排放区到空化孔33、37的距离215。通过在任何给定温度或其他变量下根据流体的物理特性调节电机速度，可确保从漏斗区205到空化孔33、37的距离保持为非破坏性空化。另外的控制面板302将通过监测空化装置10的进口和出口的探针307处的流体温度来确保对处理中的流体的空化过程的优化。此外，控制阀306可以与交叉线路308一起配置，以增强某些应用如净化时的系统性能。加热的流体可用于任何已知的使用加热流体的应用场合。

本发明实现了提供一种空化流体加热装置的目的，该装置不具有现有技术中已知问题的，本发明的装置是这样获得的：使区域或腔室17和25中具有收缩构造或干涉，包括旋转外转子外表面13和壳体9的内表面15之间的波形斜坡35、定向缓冲器203和反弹缓冲器204，以及转子头外表面21和外转子内表面23之间相同的收缩构造或干扰，如波形斜坡31、定向缓冲器201，以及反弹缓冲器202。通过这种方式设计壳体1的内表面15和外转子5的内表面23，可以连续地确保真空气泡爆炸。通过设计螺旋面15和23、定向缓冲器201和203、以及反弹缓冲器202和204，使待加热流体在爆炸时围绕孔中的真空气泡，从而减少空化噪声，并减少或者消除空化的其他有害影响，例如，部件的腐蚀等。

在对fabian的设计的重大变化中，应该理解，图1-10的两个腔室或区域设计可以被修改，使得它仅是一个腔室设计并且仍然具有单个驱动电机的所有益处。因此，可以在没有空化孔的情况下制造转子头6，并且仅用作导管，将流体供给到壳体1和外转子5之间的区域17。在又一个实施例中，可以取消转子头6，这样只有具有空化孔37的外转子5、具有特殊构造的内表面15的壳体9、以及将相互作用以加热流体的适当入口和出口。本发明的这种改进允许多种尺寸的应用配置，不同的电动机尺寸适用于空化装置10，以实现特定于所需应用的能量效率。

虽然单腔装置提供加热的流体而没有现有技术装置的许多与空化有关的问题，但采用图1-10的实施例更有利，其中外转子安装有固定的转子头19，外表面配有额外的空化孔33。该结构与相关的系统部件一起使得转子泵能够以显著提高的能量利用率与消耗的比率产生热能，同时克服现有系统的传统问题，例如声波(噪音)、轴承故障，以及高排放压力能量损失。

本发明涉及释放热能以用于加热或冷却系统中的流体输送、流体净化和分离，以及任何需要加热以完成进展的流体处理。此外，本发明通过空化过程释放能量，比传统锅炉系统或炉子的功率消耗更低，显著改善了具有类似能力的净化系统的能量和安装成本。平衡的内部固定转子19、外转子5、波形斜面31和35、定向缓冲器201和203、反弹缓冲器202和204，以及重合的壳体1和盖27提供独特的物理特性，以便以增加的速率产生热量，在保持热特性的同时返回能耗。

本发明包括这些独特的部件特性，使得产生的热量的流体长时间保持，因此需要较低的能耗循环周期。

本发明的独特之处在于，使得多级空化过程最初通过静止的主空化转子头完成，外转子既作为初始过程的离心源又作为第二阶段的空化元件。外转子和转子壳体都具有波形斜坡以增强空化过程。这使得系统从空化过程释放的能量最大化，同时保持低排放压力，这样就不会因为将流体状态变为气体而损失能量。本发明的结构使得来自空化过程的通常相关的噪声被最小化，并且可控制。

如上所述，具有定向缓冲器201和203以及反弹缓冲器202和204的表面15和23的螺旋结构是本发明的重要特征。这种结构使得孔33和37中产生和生长真空气泡。在孔33和37中，真空气泡在分子之间产生，并被待加热的流体包围。当气泡到达空化孔33和37时，气泡实际上不会爆炸但会发生碰撞。

根据该方法，外转子5置于壳体1中，并与驱动发动机1一起旋转。在旋转过程中，待加热的流体经由入口29注入到壳体1中。借助于旋转，在转子头6(如果存在的话)的孔33和外转子5的孔37中的流体分子之间产生不断增长的真空气泡。一旦真空气泡到达空化台阶31或35，它们就会碰撞。待加热的流体以其他方式连续地流过腔室25和17，真空气泡在通过漏斗区域205后在膨胀流体中碰撞。在碰撞时，沿相反方向移动的流体分子爆炸。爆炸期间产生的热量被周围的流体吸收，加热后的流体最终经由出口41被提取出来。

根据本发明的空化装置的优点是，使用为待加热流体设计的流动通道和设备操作的程序，成功地消除或减少空化现象的有害影响。

回到上面讨论的实施例，本发明的一个实施例使用具有孔的单个旋转空化体，所述孔通向空化体的外表面。该空化体在壳体内旋转并与空化台阶相互作用，该空化台阶位于壳体的内表面上。在旋转过程中，在旋转体的孔中产生真空气泡。气泡最终生长，使得它们不再局限于孔内，并且撞击空化台阶。这种碰撞导致流体分子爆炸，这是能量释放，使水被加热。

在另一个实施例中，有两组孔，一组位于旋转体的外表面，另一组位于旋转体内的第二固定部件的外表面上。在该双孔实施例中，用于旋转体外表面上的孔的空化台阶或波形形状位于壳体的内表面上。用于固定转子头的外表面上的孔的空化台阶位于旋转体的内表面。

本发明的系统配置使空化装置以显著增加的能量利用率与消耗的比率产生热能，同时克服现有系统的传统问题，例如声波(噪音)、轴承故障和高排放压力能量损失。由控制面板302、变速电机控制器301、排放水锤箱303、进入的储罐304和具有交叉308的控制阀306组成的系统增强了空化装置10的能力。

本发明采用机械手段，经由平衡空化炉以降低能耗，以30-70％的降低的能耗比例(取决于系统中的流体体积)产生热水。

本发明的另一方面是该装置增加被加热流体(例如水)密度的能力。众所周知，加热密度更高的水所需的能量更少，因此水的密度的增加有助于提高流体加热过程的效率。

已经进行了测试以监测本发明装置的加热效果。该测试包括使用不同体积的待加热水运行空化装置，并监测入口水温、水流量体积、空化装置的出口水温、向装置供水温度、驱动电机功率、电力消耗、功率值、电力消耗和环境温度。该测试表明，与用于运行装置的功率相比，水加热量的效率很高。

因此，本发明公开了根据其优选实施例的发明，该发明实现了如上所述的本发明的每一个目标，并提供了一种使用空化的新的和改进的流体加热装置。

当然，在不脱离本发明的预期精神和范围的情况下，本领域技术人员可以预期来自本发明的教导的各种改变、修改和变更。本发明仅受所附权利要求条款的限制。