Энергоинформ – развитие энергетики и информационных технологий

Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии

Энергоинформ / Опыт профессионалов / Теплогенераторы: Аппарат волновой обработки и нагреватель нового типа

Аппарат волновой обработки и нагреватель нового типа

То, что механическое воздействие на жидкость в замкнутом объеме приводит к ее нагреву, установили еще в 1840-х годах Дж. П. Джоуль и Р.Ю. Майер. Сегодня эта тема продолжает привлекать изобретателей. Разными исследователями было установлено и неоднократно фиксировалось, что в тепло может быть превращена не только механическая работа привода, но и внутренняя энергия жидкости – в режиме кавитации, а температура воды на выходе агрегата, в котором создается такой режим, может не соответствовать энергии привода на нагревание воды. На основе этих эффектов были созданы генераторы тепла различной конструкции – вихревые нагреватели жидкости (ВНЖ). В странах бывшего СССР на них поданы сотни патентных заявок. В настоящее время ВНЖ производит ряд фирм из московского региона, Пензы, украинского Донецка и других городов.

Рабочие процессы ВНЖ объясняются теорией, разработанной киевским профессором И.М. Федоткиным. В ее основе лежит понятие структурированной жидкости, значения относительной статической диэлектрической проницаемости, теплоемкости, других показателей которой могут существенно отличаться от справочных (принятых для данной жидкости в обычном состоянии). Причина этих отличий – развитая кавитация в рабочем теле (в каждом кубическом миллилитре жидкости содержится до 105 кавитационных каверн со средним диаметром около 10 мкм).

Удельная теплоемкость структурированной воды Св сопоставима с аналогичным параметром льда (в два раза меньше удельной теплоемкости обычной, "свободной" воды). Поэтому переход из воды в структурированное состояние сопровождается тепловыделением.

Общее количество тепла, вырабатываемого ВНЖ, представляет собой сумму двух составляющих:

Q = Qизб + ΔQ, где

Qизб – тепло перехода воды в структурируемое состояние, а ΔQ – тепло, полученное преобразованием энергии привода.

Значение Qизб зависит от интенсивности кавитации, степени различия молярных теплоемкостей воды в свободном и структурированном состояниях, а также начальной температуры воды:

Qизб = (k1•m) / μ (Cв1 – Cв2) • (T1 – Tпл), где

k1 – коэффициент структурирования воды (0 < k1 ≤ 1); m – масса структурированной воды; T1 и Tпл – температура воды, поступающей в ВНЖ, и точка плавления льда, соответственно; μ = 18,015 – молярная масса воды; Cв1 и Cв2 – удельные теплоемкости при постоянном давлении свободной и структурированной воды, соответственно.

Cв2 = k2•Cл, где

Cл – теплоемкость льда, а k2 – коэффициент, характеризующий отличие теплоемкостей структурированной воды и льда (1 ≤ k2 < 2).

В случае полного структурирования жидкости значения коэффициентов k1 и k2 равны 1, и актуальна следующая формула:

Qизб ∼= 2100•m (T1 – T пл), Дж/кг.

В замкнутой схеме (рис.1) полученное при структурировании жидкости тепло в последующем ею же и поглощается, поэтому коэффициент эффективности работы теплогенератора (отношение количества полученной тепловой энергии к количеству затраченной электрической) никогда не превышает единицу.

Аппарат волновой обработки и нагреватель нового типа - Рис. 1. Работа вихревого нагревателя жидкости в замкнутой системе.
Рис. 1. Работа вихревого нагревателя жидкости в замкнутой системе:
1 – ВНЖ; 2 – насос; 3 – теплообменник; 4 – калориметр.

Но совсем иначе обстоят дела при работе ВНЖ в разомкнутой схеме – от трубопровода проточной воды. Если возвращать в магистраль релаксирующую воду, а в насосный агрегат постоянно подавать свежую, с неиспользованной для тепловыделения внутренней энергией, эффективность нагревательной системы заметно превысит единицу. Закон сохранения энергии не нарушается, процесс проходит по обратному термодинамическому циклу. Такой режим обеспечивается не только самим ВНЖ, но и отбором тепла от внешнего низкотемпературного источника – системы водоснабжения, с затратой механической работы.

Известно два типа вихревых нагревателей жидкости – статический и динамический. Статические аппараты не содержат подвижных деталей (их основные элементы – завихритель, камера с выходным патрубком и тормозным устройством), отличаются низкой себестоимостью и высокой надежностью в работе, но не экономичны.

Динамические ВНЖ имеют роторные (перфорированные либо лопаточные) активаторы, жестко скрепленные с приводными валами, а также образованные полостью корпуса неподвижные рабочие камеры с входным и выходным патрубками. Такие агрегаты характеризуются значительно большей эффективностью, но и у них есть свои недостатки.

Большой момент инерции роторов, кинематически связанных с валом приводного электродвигателя – общий недостаток всех известных ВНЖ динамического типа. В качестве примера можно рассмотреть тульские нагреватели "ТС". Эти аппараты нуждаются в энергоемком приводе вала ротора, дорогостоящей динамической балансировке массивного ротора, выносных подшипниковых опорах с радиальными уплотнениями, аппаратуре плавного пуска. Это сказывается на потребительских качествах и надежности теплогенераторов, ограничивает область их применения.

Нагрев рабочего тела при автономной работе рассмотренных выше моделей ВНЖ начинается с сетевой температуры, обычно не превышающей 20ºС. Это влечет большие затраты энергии и увеличивает срок окупаемости аппарата.

Автором данной статьи разработан новый тип вихревого нагревателя (патентная заявка RU2005136836), сочетающего преимущества статических и динамических аппаратов. Его конструкция включает роторный активатор – турбину, приводимую в движение протекающим рабочим телом. (см. рис. 2.)

Аппарат волновой обработки и нагреватель нового типа - Рис. 2. Конструкция С.В. Геллера гидроимпульсного вихревого нагревателя жидкости.
Рис. 2. Конструкция С.В. Геллера
гидроимпульсного вихревого нагревателя жидкости.

Вихревые камеры в аппарате расположены на периферии первого ротора, являющегося активной гидротурбиной. Второй ротор выполнен в виде реактивной гидротурбины. Роторы вращаются в противоположных направлениях. В моменты перекрытия вторым ротором срезов части вихревых камер циклически генерируются гидравлические удары. Эти волны перепускаются в тыловые зоны открытых камер. Предусмотрены также средства саморегулирования энергообмена роторов с рабочим телом.

Такие решения обеспечивают большую амплитуду и широкий частотный спектр колебаний, а также высокую эффективность кавитации при малом гидравлическом сопротивлении. Аппарат лишен упомянутого выше недостатка динамических ВНЖ – наличия валов с жестко закрепленными на них роторами. Оптимальными по соотношению "себестоимость – эффективность" средствами повышена эффективность и расширены функциональные возможности аппарата.

Надо сказать, что среди запатентованных ВНЖ известны аппараты, работающие по принципу создания автоколебаний в рабочей камере (например, роторный гидроударный насос-теплогенератор – патент RU 2202743). Однако в их конструкциях зона кавитации совмещена с рабочим колесом насоса, что снижает КПД последнего и эффективность всей нагревательной системы.

Рассматриваемая инновация – основа для создания мини-котельных на базе стандартных насосных агрегатов (область применения – автономное теплоснабжение негазифицированных и удаленных от тепловых сетей объектов), а также мобильных тепловых агрегатов, работающих от двигателя транспортного средства. В последнем случае такие установки, в частности, могут применяться для гидравлического разрыва пласта на нефтяных и газовых промыслах.

Кроме того, аппарат может использоваться в качестве нагревательного элемента, приводимого в действие потенциальной энергией магистрали холодной воды. Еще одно перспективное направление – оснащение ВНЖ традиционных котлоагрегатов – для экономии топлива.

В современных паровых котлах рабочее тело питательным насосом прокачивается через экономайзер в зону парообразования. Предлагается повысить температуру рабочего тела прямым воздействием штатного питательного насоса. Согласно изобретению, в паровом котле рабочее тело также прокачивают питательным насосом через экономайзер, где оно нагревается теплом отходящих газов до температуры не ниже 336 оК, а затем направляют в зону кавитационного и волнового воздействия, которую создает генератор гидравлических ударов. Структурирование питательной воды с высвобождением внутренней энергии приводит к ее скачкообразному закипанию. Схлопывание кавитационных каверн вызывает появление ультразвуковых колебаний, а те в свою очередь – вторичную кавитацию (лавинообразный процесс с положительной обратной связью). При этом дополнительное потребление энергии питательным насосом несопоставимо меньше количества тепла, полученного при высвобождении внутренней энергии рабочего тела.

Еще одно применение: кавитационно-волновая обработка паро-мазутной смеси перед подачей в горелку или камеру сгорания, позволяющая улучшить сжигание тяжелых фракций нефти и снизить эмиссию в окружающую среду вредных веществ. Схема работы аппарата в таком качестве приведена на рис. 3. Аналогичные системы дооснащения топок, в которых на водомазутную смесь производится энергоемкое механическое воздействие, а также ультразвуковые форсунки для сжигания мазута известны, но новое решение представляется более прогрессивным.

Аппарат волновой обработки и нагреватель нового типа - Рис. 3. Схема подготовки и сжигания активированной паро-мазутной смеси на базе ВНЖ.
Рис. 3. Схема подготовки и сжигания активированной паро-мазутной смеси на базе ВНЖ:
1 – гидродинамический генератор, 2 – насос, 3 – форсунка,
4 – камера сгорания с рубашкой охлаждения 5, 6 – теплообменник,
7 – расходный бак, 8 – эжектор, 9 – двухканальный регулятор расхода,
10 – газовая горелка.

В настоящее время автором данной статьи разработана конструкторская документация на две модификации аппаратов волновой обработки, которые могут использоваться и как ВНЖ тоже. Подписан стратегический меморандум с инвестиционной венчурной структурой о реализации проектов. Изготовление опытных образцов намечено на первый квартал 2007г.

С.В. Геллер, Ростов–на–Дону (863)270-13-49, 2007
© 2005–2020 Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии