CC BY
139
УДК 621.1
ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ РОТОРНО-КАВИТАЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ЖИДКОСТЕЙ
Б.М. Посметный, инженер, производственное предприятие “Весоизмеритель”, Ю.И. Горпинко, к. т.н., преподаватель, ХУВС
Аннотация. Разработаны роторные кавитационные теплогенераторы оригинальных конструкций, произведены испытания их натурных моделей. Исследованы вопросы согласования сверхъединичного теплогенератора и отопительной системы. Проанализированы перспективы применения роторно-кавитационных нагревателей жидкости.
Ключевые слова: сверхъединичный, роторный кавитационный теплогенератор, отопительная система, разводка верхняя, нижняя.
Введение
Современные роторные генераторы тепла, использующие явление кавитации, обладают сверхъ-единичной эффективностью; тем не менее, их конкурентоспособность низка. К тому же, характеристики агрегатов при подключении к реальной нагрузке могут сильно измениться в худшую сторону, по сравнению с теми, которые регистрируются при стендовых испытаниях. В работе приведены результаты исследований, посвященных указанным проблемам.
Анализ публикаций
Роторно-кавитационные генераторы тепла были впервые изготовлены в США [1], и сейчас их технологии активно разрабатывают в этой стране. Ионизирующее гамма-излучение у подобных агрегатов не регистрировалось. Конструкции представленных в литературе, например [1, 2] роторно-кавитационных генераторов тепла, можно свести к максимально упрощенной схеме, приведенной далее на рис. 1. Привод современных агрегатов осуществляется от электродвигателей. Ротор, чаще всего, имеет цилиндрическую форму и может быть монолитным, полым либо наборным, в общем случае - является телом вращения.
Существенный вклад в развитие указанного направления с попыткой построения теоретических моделей внесли исследователи из стран СНГ [2, 3]. Достигнутый при испытаниях уровень полезной эффективности агрегатов составляет около 200%. Рекомендации научной литературы, наиболее полно представленные в [4], касаются создания условий, благоприятных для кавитации при торможении вращающейся жидкости, обеспече-
ния резонансного усиления звуковых колебаний. Приведены экспериментальные доказательства достижения тормозным элементом статора температур уровня 500 °С, в связи с чем предложено использовать контакт теплоносителя с конструктивными элементами, для предварительного его подогрева перед подачей в зону кавитации.
Вопросы стыковки теплогенератора и его нагрузки - отопительной системы здания или сооружения - практически не рассматривались. Существуют проблемы и в прогнозировании давления в слоях вращающейся внутри агрегата жидкости. Оценки перспектив внедрения изделий и путей повышения их конкурентоспособности на рынках источников теплоснабжения противоречивы и, по нашему мнению, нуждаются в дополнениях.
Цель и постановка задачи
Исследование способов улучшения потребительских характеристик роторно-кавитационных теплогенераторов, путей сохранения их высокой эффективности при работе в составе отопительных систем; анализ современных перспектив применения и путей повышения экономичности.
Основные конструкции
Специалистами Харьковской ассоциации производителей измерительной техники «МЕРА» разработаны оригинальные конструкции роторнокавитационных нагревателей жидкостей, преимуществами которых являются сравнительно низкая стоимость и простота эксплуатации. Конструктивные схемы описанных в литературе агрегатов и оригинальных теплогенераторов подобны. Обобщающая схема приведена на рис. 1.
Технологический блок состоит из неподвижного корпуса - статора и ротора. Ротор устанавливается в статор с зазором; для интенсификации кавитации на теле ротора выполнены углубления. Вал ротора, чаще всего с двух сторон, опирается на подшипники, которые установлены в теле статора, но возможна и одноопорная схема. Возле отверстий статора вал оснащен уплотнением. Генерирование тепла обеспечивается физическими процессами, происходящими в жидкости, в зазоре между ротором и статором. Подача и отвод жидкости могут осуществляться на различных расстояниях от оси вращения, включая подачу в рабочий зазор и вывод вблизи указанной оси.
Рис. 1. Конструктивная схема роторно-кавитационных нагревателей жидкости: 1 - статор, 2 - ротор, 3 - вал, 4 - отверстия для усиления кавитации. Прямыми стрелками показана схема прокачки жидкости
Методика испытаний, их результаты
Испытания оригинальных роторно-кавитационных нагревателей жидкости производились на стенде, включающем собственно агрегат и накопительный бак для водяного конденсата. Такая схема позволяет легко измерять средние тепловыделения. Кроме того, была обеспечена возможность непосредственного подключения к реальной отопительной системе с нижней разводкой. Разработанный теплогенератор способен нагревать воду за один ее проход до температур 90°С, и выше. Выделение теплоты определялось посредством измерений температур воды на входе и выходе теплогенератора и ее расхода.
По нашим наблюдениям, которые согласуются с литературными данными, роторно-кавитационные источники тепла заметного вредного влияния не оказывают, что является их решающим преимуществом перед теплогенераторами на основе трубы Ранка [5]. Максимальный измеренный уровень эффективности агрегатов не превысил 200%. При высоте водяного столба отопительной системы выше уровня десяти - пятнадцати метров,
роторно-кавитационный нагреватель оказывался неспособным вытеснять в неё нагретую жидкость, сохраняя при этом сверхъединичную эффективность.
Интерпретация результатов
Анализ экспериментальных данных позволил заключить, что сверхъединичная эффективность устройства в целом связана с уменьшением в технологическом блоке поверхности трения жидкости без кавитации. При приближении зеркала жидкости к оси ротора (см. рис.1), полезная эффективность теплогенератора снижается (обычно до 60%). Мы предполагаем, что причиной тому является высокий уровень механических потерь на трение ротора о воду.
Вместе с тем, при работе теплогенератора в условиях неполного заполнения теплоносителем свободной полости статора необходимо обеспечить его выдавливание в отопительную систему. Для этого в указанном режиме есть единственная возможность - за счет давления столба вращающейся жидкости, который должен быть достаточно высоким. Другой причиной, оправдывающей увеличение высоты столба вращающейся жидкости, является необходимость обеспечения достаточной поверхности теплообмена между жидкостью и ротором. По осмотру стальных роторов, работавших в теплогенераторах оригинальных конструкций, их поверхность, не подвергавшаяся термической обработке при изготовлении, в некоторых зонах приобретала цвета побежалости, характерные для закалки.
Распределения давления во вращающейся жидкости
Для прогнозирования давления во вращающейся жидкости, предлагаем использовать формулу (1), полученную в результате аналитического решения соответствующей краевой задачи. Давление газа над поверхностью жидкости считалось заданным, в ряде ситуаций оно может быть принято равным давлению атмосферы.
Р(к) - Ргаза + 2
■ П2 • р • ЫсГ '
(к2 - кп
2), (1)
где Ргаза - давление газа над вращающейся жидкостью, ктт - расстояние от оси вала до зеркала жидкости, к - расчетное расстояние от оси вала; П - число пи, р - средняя плотность жидкости, Ыст - частота вращения столба жидкости, в первом приближении может быть выбрана по числу оборотов вала, уточнить ее значение можно при помощи формулы (1), если измерено давление в рабочем зазоре.
Как видно из формулы (1), прирост давления жидкости пропорционален квадрату расстояния от оси вращения. В связи с этим, даже на небольшой высоте столба жидкости, возможно существенное приращение ее давления.
Использование теплогенератора
в отопительных системах
Очевидно, что проще всего роторно-кавитационные генераторы тепла согласовывать с отопительными системами, в которых применена верхняя разводка. В такой системе влияние давления ее водяного столба будет минимальным, поскольку источник тепла устанавливается в верхней точке контура. Задача сохранения эффективности теплогенератора в наиболее часто применяемых отопительных системах с нижней разводкой оказывается технически сложной.
Решением проблемы теоретически могло бы стать разъединение контура отопительной системы и контура теплогенератора. Однако и постоянное, и временное разделение контуров резко ухудшают экономичность системы. Повышение уровня допустимого для эффективной работы теплогенераторов водяного столба нагрузки в перспективе связано с увеличением диаметра ротора и скорости его вращения (см. (1).
Сферы применения и пути повышения экономичности
При полезной эффективности диапазона 60-200% потребительские характеристики теплогенераторного агрегата определяются, главным образом, экономичностью привода. Существующие технологии позволяют преобразовать в электроэнергию в среднем лишь около 30% теплоты сгорания органических топлив. Поэтому прямое использование электрического отопления малорентабельно. Другим серьезным недостатком роторных источников тепла с электрическим приводом является повышенный уровень капитальных затрат, по сравнению с обычными водогрейными котлами. Высокие капитальные и эксплуатационные затраты сужают сферу использования, в том числе и сверхъединичных нагревателей, до обеспечения автономного или временного теплоснабжения, либо теплоснабжения по льготному тарифу оплаты электроэнергии.
Сверхъединичные системы отопления с приводом от энергии движения природных потоков теоретически имеют значительный потенциал конкурентоспособности. Основными их преимуществами являются отсутствие необходимости в использовании топлива и снижение потребностей в валовом отборе энергии от потока. Однако для их реализации необходимо решить сложные инженерные задачи, связанные с транспортировкой теплоты к месту потребления и возврату теплоносителя к генератору. Жидкий теплоноситель имеет ряд очевидных недостатков: необходимость перемещать большой его объем для переноса
тепла к потребителю, падение температурного потенциала в питающем трубопроводе и отопительных элементах, возможность замерзания обратного трубопровода. Сложность решаемых задач быстро нарастает при увеличении расстояния от теплогенератора до отапливаемых помещений. Резко изменить ситуацию в состоянии переход на использование парового теплоносителя в одноконтурной схеме, но для этого необходимо создание сверхъединичных генераторов пара.
Выводы
Для упрощения реализации потенциала эффективности роторно-кавитационных нагревателей жидкости необходимо специально проектировать под их использование отопительные системы с верхней разводкой, либо применять такие источники тепла в отопительных системах малоэтажных строений.
До разработки надежных и недорогих роторных парогенераторов либо до повышения полезной эффективности нагревателей жидкости к уровню 300%, перспективы их применения ограничиваются системами автономного либо резервного теплоснабжения и системами теплоснабжения с накоплением теплоты, при ее выработке по ночному тарифу оплаты электроэнергии.
Литература
1. Патент США № 5188 090, МПК F 24 С 9/00
U.S. Cl. 126-247. Apparatus for heating fluids / James L. Griggs // Бюл. №9. - 1994.
2. Патент РФ № 2142604, МПК F 24 J3/00 / Спо-
соб получения энергии и резонансный насос-теплогенератор / Петраков А. Д. //
Бюл. №3-4. - 1998.
3. Патент Украши № 50608 А, МПК F 24 J3/00.
На^вач рвдини / Потапов Ю.С. Фомин-ский Л.П., Потапов С.Ю. // Бюл. №10. - 2002.
4. Фоминский Л.П. Сверхъединичные теплогене-
раторы против Римского клуба. - Черкассы: «ОКО-Плюс», 2003. - 424 с.
5. Посметный Б.М, Горпинко Ю.И. Активизация
дополнительных энерговыделений в вихревых генераторах тепла на основе трубы Ранка // Вестник ХНАДУ / Сб. научн. тр. -Харьков: Изд-во ХНАДУ. - 2005. - Вып. 29. - С. 181-183.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 7 января 2005 г.
