Источники тепла на базе насосных агрегатов

Механическое воздействие на жидкость приводит к ее нагреву, установили Д. Джоуль и Р. Майер. И полтора века спустя создавались изобретения на эту тему [1]. Обнаружено, что в тепло может быть превращена и внутренняя энергия жидкости (в режиме кавитации), при этом температура воды может не соответствовать затраченной механической энергии, http://www.jurle.com/. Для возбуждения кавитационного режима используется вихревой эффект. Первенство в создании вихревого нагревателя жидкости (ВНЖ) принадлежит профессору Куйбышевского авиационного института А.П.Меркулову(1960-е годы). Энергоресурсы в те годы особо не считали, поэтому открытие ещё долго не получало развития.

В настоящее время в России ВНЖ производятся рядом фирм (Москва, Санкт-Петербург, Тула и др.). Использование ВНЖ выгодно при строительстве электрифицированных объектов, прокладка газовых коммуникаций и труб ТЭЦ к которым невозможна или не экономична. КПД аппаратов может быть весьма высоким, поскольку “потери” в насосе полностью идут на нагрев отапливаемой системы. С помощью ВНЖ можно нагревать любые жидкости, в то время как ТЭНы пожароопасны и подвержены воздействию накипи.

Известно два типа ВНЖ. Статические аппараты не содержащат подвижных деталей и отличаются низкой себестоимостью, высокой надёжностью в работе; содержат завихритель, камеру с выходным патрубком и тормозным устройством; эффективность статических ВНЖ мала, они не экономичны. К динамическому типу относятся ВНЖ, в которых имеются роторы, связанные кинематически с источником крутящего момента. Динамические ВНЖ обеспечивают значительно большую эффективность, чем статические, но имеют свои недостатки. Подробнее оба типа описаны ниже.

Авторская разновидность ВНЖ (гидроимпульсная, турбинного типа) представляет собой новый тип нагревателя (смешанный), сочетающий преимущества статических и динамических ВНЖ. Рабочий процесс ВНЖ описан на основе теории структурирования жидкости, разработанной киевским профессором И.М.Федоткиным.

Согласно этой теории, значения относительной статической диэлектрической проницаемости , теплоемкости С, других показателей структурированной воды могут существенно отличаться от справочных значений (принятых для обычной воды). Причиной этих отличий служат кавитационные явления. 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 С_в может приближаться к параметрам твердой фазы. Т.к. удельная теплоемкость воды в 2 раза превышает удельную теплоемкость льда, изменение теплоемкости воды при переходе из жидкого состояния L₁ в структурированное, подобное льду состояние L₂, сопровождается избыточным тепловыделением Q_изб:

Количество тепла Q, выделяющееся при работе ВНЖ, представляет собой сумму двух составляющих:

где Q_изб вызвана экзотермическим превращением воды(теплота перехода ), а получена путем преобразования электроэнергии U в эквивалентную ей теплоту.

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

где: C_в1 и C_в2 – удельные теплоемкости при постоянном давлении свободной воды L₁ и кавитирующей воды L₂, соответственно.

C_в2 можно представить в виде C_в2 = k₂C_л, где:

• – константа, характеризующая степень отличия теплоемкости C_в2 структурированной воды (фаза L₂) от теплоемкости льда C_л;

  ");

• k₁ – коэффициент структурирования воды, вызванного кавитацией(массовая парциальная доля частично упорядоченной фазы В₂ в активированной воде), ;

• m – масса структурированной воды;

• T₁ и T_пл – температура воды, поступающей в ВНЖ, и точка плавления льда, соответственно;

• m = 18,015 – молярная масса воды.

В случае полного структурирования , где k – постоянная, .

Т.о., в ВНЖ происходит существенное дополнительное тепловыделение Qизб.

В замкнутой схеме работы (ВНЖ 1, насос 2 и теплообменник 3 соединены последовательно, рис.1) выделение теплоты Q_изб происходит без изменения энергосодержания контура.

Рис.1

Теплопроизводительность контура за время определяют по перепаду температуры на теплообменнике и расходу G воды:

,

где k – коэффициент пропорциональности.

Эффективность работы ВНЖ:

,

где U – электроэнергия, потребляемая насосом за время , а всегда , поскольку .

Эффективность ВНЖ определяется с помощью калориметра 4(на рис. 1 изображен пунктиром). По изменению температуры Т образцовой жидкости в резервуаре за время , можно определить количество тепла , отданного теплообменником образцовой жидкости за это время, и достоверно оценить эффективность ВНЖ по формуле (5). Вначале выделяемая, а затем поглощаемая теплота не может изменить производительность генератора таким образом, чтобы его эффективность превысила единицу.

Но совсем иначе обстоят дела при разомкнутой схеме работы ВНЖ (от «магистрали-донора» - трубопровода проточной воды), рис.2. Если возвращать в магистраль - донор релаксирующую воду, а в ВНЖ 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[44], [45]. Такой режим обеспечивается не только самим ВНЖ, но и методом отбора тепла от внешнего низкотемпературного источника – системы водоснабжения, с затратой механической работы.

Рис.2

С учётом изложенных тенденций автором разработана принципиально новая разновидность ВНЖ с роторным активатором-турбиной, приводимой текущим рабочим телом (патентная заявка RU2005136836) , рис.3.

Рис.3

Вихревые камеры в аппарате нового типа расположены на периферии первого ротора, являющегося активной гидротурбиной. Второй ротор выполнен в виде реактивной гидротурбины. Роторы вращаются в противоположном направлении, при этом циклически генерируются гидроудары (путём перекрытия вторым ротором срезов части вихревых камер). Гидроударные волны перепускаются в тыловые зоны открытых камер. Предусмотрены также средства саморегулирования энергообмена роторов с рабочим телом. Всё это обеспечивает большую амплитуду и широкий частотный спектр колебаний, а также высокую эффективность кавитации при малом гидравлическом сопротивлении. Конструкция аппарата по рис.3 обеспечивает уход от общего недостатка аналогов – наличия валов с жёстко посаженными на них роторами (см .ниже). Оптимальными по соотношению «себестоимость - эффективность» средствами повышена эффективность и расширены его функциональные возможности аппарата (направленные, в частности, на повышение КПД паровых котлов).

Чтобы принципиальные отличия нового ВНЖ стали понятны читателю, рассмотрим особенности известных типов КА.

В статических КА отсутствуют подвижные конструктивные элементы [2] - [19], [21] - [26] и необходимо наличие тормозного устройства, имеющем большое гидравлическое сопротивление (например, [11] и 18]). Известны также гидродинамические генераторы волн в жидкости [27]. Известны каскадные соединения таких генераторов - последовательные и параллельные [28]. Эти аппараты не нагревают рабочее тело и не могут быть средством повышения КПД паровых котлов.

Динамические КА имеют роторные (перфорированные [20], [25], [31], [33] - [40], либо лопаточные [32]) активаторы, жёстко скрепленные с приводными валами, а также образованные полостью корпуса неподвижные рабочие камеры с входным и выходным патрубками. Большой момент инерции роторов, кинематически связанных с валом приводного электродвигателя - общий недостаток всех известных ВНЖ динамического типа. Этот недостаток присущ и ВНЖ «ТС» ( г. Тула), рис.4. Аппаратам «ТС» необходим энергоёмкий привод вала ротора, дорогостоящая динамическая балансировка массивного ротора, применения выносных подшипниковых опор с радиальными уплотнениями. «ТС» требуют применения аппаратуры плавного пуска и непригодны для повышения КПД паровых котлов при совместной работе со штатными питательными насосами котлов без дополнительного электропривода.

Рис.4

Автор располагает документальными свидетельствами ростовских предпринимателей о низких потребительских качествах и надёжности «ТС», что обусловлено упомянутыми выше органическими свойствами конструкции.

Среди аналогов такого рода известны средства создания автоколебаний в рабочей камере [20],[41], сходного с заявляемым устройством назначения. Например, в «Роторном гидроударном насосе - теплогенераторе» [42] совмещена зона кавитации с рабочим колесом насоса, что снижает КПД последнего [29] и эффективность всей нагревательной системы. Это присуще и остальным подобным КА [32], [35], [38], [39].

Нагрев рабочего тела при автономной работе рассмотренных выше КА начинается с начальной (сетевой) температуры, не превышающей обычно двадцати градусов Цельсия. Это влечёт большие затраты энергии и увеличивает срок окупаемости КА.

Применение изобретения совместно с котлами

В современных котлах рабочее тело питательным насосом прокачивается через экономайзер в зону парообразования. При этом не используется впервые найденная автором возможность повысить температуру рабочего тела прямым воздействием штатного питательного насоса. Согласно изобретению, в паровом котле рабочее тело также прокачивают питательным насосом через экономайзер, где тепло продуктов сгорания топлива нагревает рабочее тело до температуры не ниже 336 оК. Из экономайзера рабочее тело направляют в зону кавитационного и волнового воздействия, которую создаёт генератор. Время сжатия кавитационного пузырька очень мало, процесс его коллапса происходит адиабатически. Внутри пузырьков давление может повышаться до величины 10⁸ Па , а температура увеличиваться до 10⁴ °С [43]. Происходит высвобождение внутренней энергии рабочего тела, в результате чего последнее скачкообразно закипает[10]. Схлопывание кавитационных каверн приводит к генерированию ультразвуковых колебаний. Это вызывает вторичную кавитацию (лавинообразный процесс с положительной обратной связью). При этом затраты энергии питательного насоса на генерацию кавитации и волн несопоставимо меньше, чем высвобожденная внутренняя энергия рабочего тела (в форме теплоты). Подогрев питательной воды котла отходящими газами в экономайзере до температуры не ниже 336°К, последующее направление её в генератор, а из него - в зону подвода внешней теплоты, обеспечивает сверхсуммарный эффект - повышение КПД котла при несопоставимо малых затратах энергии питательного насоса на проталкивание воды через генератор.

Рис.5 Использование изобретения для интенсификации и сокращения токсичности сгорания.

Необходимо обратить внимание также и на целесообразность использования изобретения для интенсификации и сокращения токсичности сгорания тяжёлых фракций нефти (путём кавитационно - волновой обработки паромазутной смеси перед подачей в горелки или камеры сгорания).

Схема работы аппарата в таком качестве приведена на рис.5, где позициями обозначены: 20 - гидродинамический генератор, 21- насос, 22- форсунка, 23 - камера сгорания с рубашкой охлаждения 24, 25 - теплообменник, 26 - расходный бак, 27 - эжектор, 28 - двухканальный регулятор расхода, 29 - газовая горелка.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР N1627790 на изобретение, 1991 г.

2. Патент RU по заявке № 200110 5711/06, 2001 г.
3. Теплогенератор кавитационного типа. Патент RU2201561
4. Гидродинамический кавитационный теплогенератор. Заявка RU 99110779/06, 2001 г.
5. Теплогенератор гидравлический. Заявка RU 2000129736/06.
6. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости. Патент RU2132517. 
7. Термогенерирующая установка. Патент RU2190162.
8. Гидродинамический нагреватель. Заявка RU 2004 105 629, 2004г.
9. Устройство для нагрева жидкости. Патент RU2171435.
10. Е.Ф. Фурмаков. Выделение тепла при изменении фазового равновесия в струе воды. В сб. «Фундаментальные проблемы естествознания», том I, РАН, СПБ, 1999 г.
11. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости. Заявка RU96124293106.
12. Термогенератор. Патент RU2177591.
13. Патент США № 4333796, 1982 г.
14. Вихревая система отопления. Патент RU2089795.
15. Установка для нагрева жидкости и теплогенератор. Патент RU2135903.
16. Теплогенератор. Заявка RU 98105105/06, 1999 г.
17. Способ нагрева жидкости. Патент RU2262046.
18. Устройство для нагрева жидкости. Патент RU2162571. 
19. Теплогенератор струйного действия «Тор». Патент RU2096694.
20. Кавитационно - роторный теплогенератор. Патент RU2258875.
21. Кавитационный тепловой генератор. Патент RU2131094.
22. Способ тепловыделения в жидкости и устройство для его осуществления. Патент RU2177121.
23. Гидродинамический кавитационный аппарат. Заявка RU 98114517/06, 2000 г.
24. Кавитатор гидродинамического типа. Патент RU2207450
25. Кавитатор для тепловыделения в жидкости. Заявка RU 97118384/06, 1999г. 
26. Способ получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлива. Патент RU2165054.
27. Ганиев Р.Ф. и др., Волновая технология в машиностроении. - «Проблемы машиностроения и надёжности машин», 1996, №1, с.80-86.
28. Жебышев Д.А. Возбуждение колебаний в жидких средах гидродинамическими генераторами. «Справочник. Инженерный журнал», 2004г., №12, стр. 19-24.
29. Байков О.В. Вихревые гидравлические машины. М.: Машиностроение, 1981, с.100-111.
30. Кавитационно-вихревой теплогенератор. Патент RU2235950.
31. Автономная система отопления для здания индивидуального пользования. Патент RU2162990. 
32. Кавитационный энергопреобразователь. Патент RU2224957.
33. Теплогенератор кавитационно-вихревого типа. Заявка RU 99110397/06, 2001 г.
34. Теплогенератор приводной кавитационный. Патент RU2201562 
35. Способ получения энергии и резонансный насос-теплогенератор способ получения энергии и резонансный насос-теплогенератор. Патент RU2142604.
36. Способ нагревания жидкости и устройство для его осуществления. Заявка RU 96104366/06, 1998 г.
37. Кавитационно-вихревой теплогенератор. Заявка RU 2002119773/06, 2003г. 
38. Роторный насос - теплогенератор. Патент RU2159901.
39. Насос-теплогенератор для автономных замкнутых систем теплоснабжения. Патент RU2160417.
40. Способ получения энергии. Патент RU2054604.
41. Способ тепловыделения в жидкости. Патент по заявке RU 95110302/06.
42. Роторный гидроударный насос – теплогенератор. Патент RU2202743.
43. Физика /Большой энциклопедический словарь/ - М.: Большая Российская энциклопедия 1999, с.236-237. 
44. М.Вукалович и др. Техническая термодинамика.- М.: Энергия, 1961.
45. Д. Рей, Д. Макмайка. Тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1982.

Разместил статью: sergej_geller
Дата публикации:  22-08-2006, 20:25

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Сергей Геллер  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!