28 и 29 октября. Проблемы экологии в контексте цифровой трансформации общества... Архитектура. Инженерия. Цифровизация. Экология» пройдет в...


Перспективы использования аппаратов БРАВО в теплоснабжении

Перспективы использования аппаратов БРАВО в теплоснабжении



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. Ведётся подготовка к приборным замерам эффективности нашего аппарата. Предварительные испытания показали, что один и тот же объём воды (при одинаковом питающем электронасосном агрегате КМ100-65-200)нагревается до заданной температуры (70 градусов Цельсия) в 1,8 раза быстрее, чем при использовании ВНЖ статического типа производства Ковровского завода имени Дегтярёва, см. рис.2. Соответственно, электроэнергии затрачивается меньше во столько же раз.



Рис.1



Фото тепловой установки, содержащей статический ВНЖ (завод имени Дегтярёва)
Рис.2
Области применения данного аппарата представлены в таблице:



№ п/пОбласть применения инновацииВ каком виде применяется
1Системы отопления и горячего водоснабжения операторов системы «Водоканал», в частности, бестопливное теплоснабжение насосных станцийКак преобразователь энергии трубопроводов холодной воды (модуль, позволяющий вырабатывать тепло от проточных трубопроводов холодной воды)
2Котлоагрегаты котельных, работающих на органических видах топлива (торфе, угле, мазуте, природном газе)Как встраиваемый между экономайзером и кипятильными трубами котла модуль (что до сих пор никем не осуществлялось), обеспечивающий снижение удельного расхода топлива и повышение КПД существующих газовых и мазутных котлов
3Горелочные устройства котлоагрегатов, работающих на мазутеКак система дооснащения топок (есть менее совершенные аналоги, в которых на водомазутную смесь производится энергоёмкое механическое воздействие, а также ультразвуковые форсунки для сжигания мазута). Конструктивно новое решение более прогрессивно, что обеспечит снижение токсичности выбросов и повышение эффективности сжигания тяжёлых фракций нефти (путём кавитационно-волнового воздействия на мазут и попутной организации оптимальных теплотехнических условий для сгорания активированной паромазутной смеси)
4Коммунальное хозяйство и теплоснабжение объектов в полевых условияхКак автономная отопительная система - альтернатива котельным для зданий, лишённых газовых и ТЭЦ коммуникаций
5Автономные источники нагрева жидкостей, а именно:
- растворов гальванических ванн на заводах;
- рабочих растворов мобильных комплексов для гидроразрыва пласта (ГРП) на нефте- и газопромыслах;
- гидродинамический нагрев жидкостей в аэродромных заправщиках питьевой воды и топливозаправщиках в условиях северных аэродромов;
- гидродинамический нагрев дизельного топлива в контейнерных автозаправочных станциях (АЗС).
- Как замена работающих от паровых теплосетей подогревателей гальванических растворов.
- Как система дооснащения автоцистерны ГРП (что позволит вытеснить с рынка прямотрубные котлы на дизтопливе, имеющие неоправданно большой расход дизтоплива).
- Как альтернатива электрокотлам, более безопасная и экономичная;
- Как встраиваемый в состав штатной насосно-трубопроводной системы АЗС модуль.


Механическое воздействие на жидкость приводит к ее нагреву. Д. Джоуль и Р. Майер в середине ХIХ 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). Первенство в создании вихревого нагревателя жидкости (ВНЖ) принадлежит профессору Куйбышевского авиационного института А.П.Меркулову(1960-е годы). Энергоресурсы в те годы не считали, открытие ещё долго не получало развития. 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).


1.Погружной электродвигатель 2. гидрогенератор3. 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
Мини-котельная на базе ВНЖ
Рис.3


Заслуживают особого внимания факторы (не технического свойства!), дискредитирующие ВНЖ. Приобрели скандальную известность аппараты г-на Потапова, которые якобы выдавали «сверхъединичную» тепловую энергию на основании холодного ядерного 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 используют те же законы Природы (упоминаемые не к месту в силу нежелания напрягаться и вникнуть в суть внутренних процессов в рабочем теле) для того, чтобы лишить ВНЖ права на существование. Самую же малочисленную категорию причастных к ВНЖ лиц составляют собственно их конструкторы и изобретатели (к числу которых относится и автор статьи).

Рассмотрим рабочий процесс ВНЖ на основе теории структурирования жидкости. 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 Св 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 Qизб:

Количество тепла Q, выделяющееся при работе ВНЖ, представляет собой сумму , где Qизб вызвана экзотермическим превращением воды (теплота перехода , а получена путем преобразования электроэнергии U в эквивалентную ей теплоту.

Qизб зависит от интенсивности кавитации, степени различия молярных теплоемкостей воды в свободном и структурированном состояниях, а также начальной температуры воды: , где: Cв1 и Cв2 – удельные теплоемкости при постоянном давлении свободной воды L1 и кавитирующей воды L2, соответственно.
Cв2 можно представить в виде Cв2 = k2Cл, где:
– константа, характеризующая степень отличия теплоемкости Cв2 структурированной воды (фаза L2) от теплоемкости льда Cл;
k1 – коэффициент структурирования воды, вызванного кавитацией(массовая парциальная доля частично упорядоченной фазы В2 в активированной воде), ; m – масса структурированной воды; T1 и Tпл – 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.4, выделение теплоты Qизб происходит без изменения энергосодержания контура.


Рис.4

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 «донора» - трубопровода проточной воды), рис.5.



Рис.5


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 текущим рабочим телом , рис.6.


Схема устройства аппарата «БРАВО»
Рис.6


В аппарате «БРАВО»(Би- Роторный Аппарат Волновой Отопительный, патентная заявка с приоритетом от 25 ноября 2005г.) на периферии первого ротора, являющегося активной гидротурбиной, расположены вихревые камеры. Второй ротор выполнен в виде 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 с рабочим телом. 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 аппаратов динамического типа – наличия валов с жёстко посаженными на них роторами (см. ниже).

Чтобы принципиальные отличия «БРАВО» от известных ВНЖ стали понятны читателю, кратко рассмотрим особенности известных типов ВНЖ и классифицируем их.

В статических ВНЖ отсутствуют подвижные конструктивные элементы [2] - [19], [21] - [26], [28] и имеется тормозное устройство, имеющем большое гидравлическое сопротивление. Самый распространённый аппарат такого рода был упомянут выше и приведён на рис.2(фото автора), см. также http://www.zid.ru/ru/products/perspective/vtu.html.

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), приведённом на рис.7(фото с электронного ресурса http://teplo.esa-energo.ru/images/gener/gener_04.jpg). Аппаратам «ТС» необходимы энергоёмкий привод вала ротора, дорогостоящая динамическая балансировка массивного ротора, применения 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.7

Особо необходимо отметить возможность (и целесообразность!) использования «БРАВО» для интенсификации и сокращения токсичности сгорания тяжёлых фракций нефти (путём кавитационно - волновой обработки паромазутной смеси перед подачей в горелочные устройства).
Схема работы аппарата в таком качестве приведена на рис.8.



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.
Рис.8


ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А. с. СССР N 1627790, 1991 г.
2. Патент RU по заявке № 200110 5711/06.
3. Теплогенератор кавитационного типа. Патент RU 2201561
4. Гидродинамический кавитационный теплогенератор. Заявка RU 99110779/06.
5. Теплогенератор гидравлический. Заявка RU 2000129736/06.
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. Х.Хасанов. Термоэффект в текучих средах. В сб. «Структурно-динамические процессы в неупорядоченных средах». Изд. СГУ, Самарканд, 1992 г.
11. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости. Заявка RU 96124293106.
12. Термогенератор. Патент RU 2177591.
13. Патент США № 4333796, 1982 г.
14. Вихревая система отопления. Патент RU 2089795.
15. Установка для нагрева жидкости и теплогенератор. Патент RU 2135903.
16. Теплогенератор. Заявка RU 98105105/06.
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. Гидродинамический кавитационный аппарат. Заявка RU 98114517/06.
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. Теплогенератор кавитационно-вихревого типа. Заявка RU 99110397/06г.
34. Теплогенератор приводной кавитационный. Патент RU 2201562
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 насос - теплогенератор. Патент RU 2159901.
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. М.Вукалович и др. Техническая термодинамика.- М.: Энергия, 1961.
45. Д. Рей, Д. Макмайка. Тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1982.

Сергей Геллер