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.
|
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.)
|
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.
|
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
