CC BY
150
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Перспективы использования аппаратов БРАВО в теплоснабжении
С.В. Геллер,
директор по науке ЗАО "БРАВО Технолоджиз"
Фото Ларисы Ильченко
В статье классифицированы известные источники тепла гидродинамического типа. Описан гидродинамический аппарат для отопления, горячего водоснабжения, а также безопасного нагрева технологических жидкостей. Указаны экономически обоснованные области его промышленного применения. Опытный образец такого аппарата (БРАВО, см. рис.1, фото) в настоящее время проходит испытания на одном из предприятий ВПК города Москвы. Совместно со специалистами Московского института энергобезопасности и энергосбережения ведётся подготовка к приборным замерам эффективности аппарата. Предварительные испытания показали, что один и тот же объём воды (при одинаковом питающем электронасосном агрегате) нагревается до заданной температуры в 1,8 раза быстрее, чем при использовании функционального аналога производства Ковровского завода имени Дегтярёва, (см. рис.2). Соответственно во столько же раз меньше затрачивается электроэнергии.
Механическое воздействие на жидкость приводит к ее нагреву. Д. Джоуль и Р. Майер в середине ХК века сформулировали механический эквивалент теплоты. Даже спустя полтора века на эту тему создавались изобретения [1]. При этом обнаружено, что в тепло может быть превращена не только подводимая извне механическая энергия, но и внутренняя энергия жидкости (в режиме кавитации), (см. http://www.jurle.com/). Для возбуждения кавитации широко используется метод закрутки жидкости (вихревые эффекты). В настоящее время в России ВНЖ производятся рядом фирм (Санкт - Петербург, Ростов - на - Дону, Пенза, Тула), а также на Украине (Донецк, Харьков, Киев). Использование ВНЖ
выгодно на электрифицированных объектах, прокладка газовых коммуникаций и теплоцентралей к которым невозможна или не экономична.
В частности, ВНЖ пригодны в качестве мини-котельных для зданий и сооружений (рис.3). С помощью ВНЖ можно нагревать любые жидкости, в то время как ТЭНы недолговечны, пожароопасны, подвержены воздействию накипи и не могут применяться в агрессивных средах (нагрев растворов гальванических ванн).
Заслуживают особого внимания факторы (не технического свойства!), дискредитирующие ВНЖ. Приобрели скандальную известность аппараты г-на Потапова, которые якобы выдавали "сверхъединич-ную" тепловую энергию на основании холодного ядер-
Рис. 1. Опытный образец аппарата БРАВО
Рис. 2. Фото тепловой установки, содержащей статический ВНЖ (завод имени Дегтярёва)
Рис. 3. Мини-котельная на базе ВНЖ:
1- погружной насос; 2-ВНЖ; 3-манометр; 4-бойлер; 5- воздушный кран;
6 - трубопровод подачи нагретой воды; 7-термодатчик; 8 - блок автоматического управления; 9 - теплообменник; 10 - радиатор отопления;
11-расширительный бачок; 12 - фильтр; 13-дроссель - регулятор
ного синтеза, а затем торсионных полей и энергии "физического вакуума". По мере практической проверки данные спекуляции неоднократно развенчивались (например, в МЭИ в 2002-м году) (см. http://www.energy-saving-technology.com/page-ru/ blask-bill/black-list-ru.html, http://www.ras.ru/digest/ showdnews.aspx?id = 0f97818d-c4b4-41e1-a2a0--d87c084e5099&_Language=ru, а также http:// www.thermonews.ru/news/news.jsp?id=6649). На другом полюсе дискредитации ВНЖ находятся эксперты -теоретики, лишённые своего интереса и оттого огульно критикующие ВНЖ. Если Потапов и "иже с ними" пытаются вывести ВНЖ из-под действия незыблемых законов Природы, то эксперты - перестраховщики те же законы упоминают не к месту (в силу нежелания вникнуть в суть внутренних процессов в рабочем теле). Такие "эксперты" хотели бы лишить ВНЖ права на существование, но им мешает сделать это успешная практика коммерциализации ВНЖ. Самую же малочисленную категорию причастных к ВНЖ лиц составляют собственно их конструкторы и изобретатели (к числу которых относится и автор статьи).
Рабочий процесс ВНЖ в настоящее время не исследован, попытаемся восполнить этот пробел на основе теории структурирования жидкости. Согласно этой теории, значения относительной статической диэлектрической проницаемости є, теплоемкости С, других показателей структурированной воды могут существенно отличаться от справочных значений (принятых для обычной воды). Причиной этих отли-
чии 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 Св может приближаться к параметрам твердой фазы. Так как 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 Qизб:
^ ^ Ь2 + 0изб. (1)
Количество тепла Q, выделяющееся при работе ВНЖ, представляет собой сумму
9 = 9изб + АС, (2)
где 9изб вызвано экзотермическим превращением воды (теплота перехода ^ Ъ2 ), а А9 получена путем преобразования электроэнергии и в эквивалентную ей теплоту.
9изб зависит от интенсивности кавитации, степени различия молярных теплоемкостей воды в свободном и структурированном состояниях, а также начальной температуры воды:
ди3б = к,ш /мсв1 - сВ2) ( т - тш), (3)
где Св1 и Св2 - удельные теплоемкости при постоянном давлении свободной воды L1 и кавитирующей воды L2, соответственно.
Св2 можно представить в виде Св2 = к2Сл, где к2 (1 < к2 < 2)- константа, характеризующая степень отличия теплоемкости Св2 структурированной воды (фаза L2) от теплоемкости льда Сл;
к1 - коэффициент структурирования воды,
вызванного кавитацией(массовая парциальная доля частично упорядоченной фазы В2 в активированной воде), к1= шВ2/(шВ1 + тВ2),0<к1 <1; т - масса структурированной воды; Т1 и Тпл - температура воды, поступающей в ВНЖ, и точка плавления льда, соответственно;
ш = 18,015 - молярная масса воды.
В случае полного структурирования к1=к2=1,
Оизб = кш (Т1 - Тпл ), 3
где к - постоянная, к@ 2,1 -10 Дж/К• кг.
Т2 = Т+д^/ (шсв).
Таким образом, в ВНЖ происходит существенное дополнительное тепловыделение дизб.
В замкнутой схеме работы (ВНЖ , насос и теплообменник соединены последовательно) выделение теплоты Qиз6 происходит без изменения энергосодержания контура.
Теплопроизводительность контура за время т определяют по перепаду температуры на теплообменнике АТ = Т2 - Т и расходу G воды:
Q = kДTGт,
где к - коэффициент пропорциональности. Эффективность работы ВНЖ:
п=д/и
(4)
(5)
где и - электроэнергия, потребляемая насосом за время т, а ^ всегда < 1, поскольку Ад < и.
Эффективность ВНЖ определяется с помощью калориметра. По изменению температуры Т образцовой жидкости в резервуаре за время т можно определить количество тепла Дд, 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 "донора" - трубопровода проточной воды) (рис.4).
Если, согласно рис.5, 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 методом отбора тепла от внешнего низкотемпературного источника - системы водоснабжения, с затратой механической работы.
С учётом изложенных тенденций автором разработана принципиально новая разновидность ВНЖ с роторным активатором - турбиной, приводимой в движение текущим рабочим телом (рис.5).
В аппарате БРАВО (Би- роторный аппарат волновой отопительный, патентная заявка с приоритетом от 25 ноября 2005 г.) на периферии первого ротора, являющегося активной гидротурбиной, расположены вихревые камеры. Второй ротор выполнен в виде
Рис. 4. Импульсно-разомкнутая схема отопления
Рис. 5. БРАВО, принципиальная схема
реактивной гидротурбины. Роторы вращаются встречно. При этом циклически генерируются гидроудары путём перекрытия вторым ротором выходов вихревых камер. Гидроударные волны из перекрытых камер перепускаются в тыловые зоны открытых камер. Имеются средства саморегулирования энергообмена роторов. Всё это обеспечивает большую амплитуду и широкий частотный спектр колебаний, а также высокую эффективность кавитации при малом гидравлическом сопротивлении. Конструкция аппарата позволяет избежать общий недостаток аппара-
тов динамического типа - наличия валов с жёстко посаженными на них роторами (см. ниже).
Чтобы принципиальные отличия БРАВО от известных ВНЖ стали понятны читателю, рассмотрим особенности известных типов ВНЖ и классифицируем их.
В статических ВНЖ отсутствуют подвижные конструктивные элементы [2] - [19], [21] - [26], [28] и имеется тормозное устройство, имеющее большое гидравлическое сопротивление. Самый распространённый аппарат такого рода был упомянут выше и
НЯ5ІІИИИИ0И
приведён на рис.2 (фото автора) (см. также http://www.zid.ru/ru/products/perspective/vtu.htrnl).
Динамические ВНЖ имеют размещённые в полости корпуса активаторы, жёстко скрепленные с приводными валами (роторные [20], [25], [27], [31], [33] -[40]) либо лопаточные [32]). Некоторые из аппаратов снабжены средствами создания автоколебаний в потоке жидкости (сходного с БРАВО назначения). Например, в "Роторном гидроударном насосе -теплогенераторе" [20] совмещена зона кавитации с рабочим колесом насоса, что снижает КПД последнего [29] и эффективность всей нагревательной системы. Это присуще всем подобным ВНЖ (в частности, [32], [35], [38], [39]). Большой момент инерции роторов, кинематически связанных с валом приводного электродвигателя, - общий недостаток всех известных ВНЖ динамического типа.
Этот недостаток присущ, в частности, ВНЖ марки "ТС" (производства ФГУП "СПЛАВ", г. Тула),
приведённому на рис.6 (фото с электронного ресурса http://teplo.esa-energo.ru/irnages/gener/gen-er_04.jpg). Аппаратам "ТС" необходимы энергоёмкий привод вала ротора, дорогостоящая динамическая балансировка массивного ротора, применение выносных подшипниковых опор с радиальными уплотнениями, а также циркуляционного насоса. "ТС" требуют также применения аппаратуры плавного пуска (именно ввиду больших моментов инерции роторов).
Сопоставление с существующими аналогами позволяет сделать вывод, что БРАВО представляет собой новый тип нагревателя (смешанный), сочетающий преимущества статических и динамических ВНЖ и лишённый их недостатков. Оптимальными по соотношению "себестоимость -эффективность" средствами повышена эффективность и расширены функциональные возможности аппарата.
Рис. 6. ВНЖ "ТС" ФГУП "СПЛАВ"
ИЕИМИИИИИи
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А. с. СССР № 1627790.
2. Обзорная информация "Гидродинамическая кавитация (свойство, расчёты, применение). Раздел "Кавитационные теплогенераторы". - М: Информационно-рекламный центр газовой промышленности (ООО "ИРЦ Газпром"),2003. С.110-117.
3. Вихревой нагреватель. Патент RU 2129686.
4. Вихревой нагреватель. Патент RU2 293 260.
5. Теплогенератор гидравлический. Заявка RU 2001109964.
6. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости. Патент RU 2132517.
7. Термогенерирующая установка. Патент RU 2190162.
8. Гидродинамический нагреватель. Заявка RU 2004 105 629.
9. Устройство для нагрева жидкости. Патент RU 2171435.
10. Хасанов Х. Термоэффект в текучих средах. В сб. "Структурно-динамические процессы в неупорядоченных средах". Самарканд, Изд. СГУ, 1992.
11. Теплогенератор Горлова. Патент RU 2204090.
12. Термогенератор. Патент RU 2177591.
13. Патент США иБ4333796.
14. Вихревая система отопления. Патент RU 2089795.
15. Установка для нагрева жидкости и теплогенератор. Патент RU 2135903.
16. Теплогенератор. Патент RU 2125215.
17. Способ нагрева жидкости. Патент RU 2262046.
18. Устройство для нагрева жидкости. Патент RU 2162571.
19. Теплогенератор электрогидродинамический. Патент RU 2301946.
20. Гидродинамический теплогенератор. Патент RU2247906.
21. Кавитационный тепловой генератор. Патент RU 2131094.
22. Способ тепловыделения в жидкости и устройство для его осуществления. Патент RU 2177121.
23. Теплогенератор. Патент RU 2272226.
24. Кавитатор гидродинамического типа. Патент RU 2207450.
25. Кавитатор для тепловыделения в жидкости. Заявка RU 97118384.
26. Способ получения тепла. Патент RU 2165054.
27. Устройство для нагрева жидкости. Патент RU 2 290 573.
28. Установка для нагрева текучей среды. Патент RU 2 301 947
29. Байков О.В. Вихревые гидравлические машины. М.: Машиностроение, 1981. С. 100-111.
30. Кавитационно-вихревой теплогенератор. Патент RU 2 235 950.
31. Автономная система отопления для здания. Патент RU 2162990.
32. Кавитационный энергопреобразователь. Патент RU 2224957.
33. Kavitationsrzeutung. Патентная заявка Германии DE 10 20006 161.
34. Теплогенератор. Патент RU 2307988.
35. Резонансный насос - теплогенератор. Патент RU 2142604.
36. Способ нагревания жидкости и устройство для его осуществления. Заявка RU 96104366/06.
37. Кавитационно-вихревой теплогенератор. Заявка RU 2002119773/06.
38. Роторный теплогенератор. Патент RU 2298740.
39. Насос - теплогенератор. Патент RU 2160417.
40. Способ получения энергии. Патент RU 2054604.
41. Способ тепловыделения в жидкости. Заявка RU 95110302/06.
42. Роторный гидроударный насос - теплогенератор. Патент RU 2202743.
43. Физика /Большой энциклопедический словарь/ - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. С. 236-237.
44. Вукалович М. и др. Техническая термодинамика.- М.: Энергия, 1961.
45. Рей Д., Макмайка Д. Тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1982.
НЯ511И1
ЕЖИ
