CC BY
59
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Перспективы использования кавитационно - вихревых аппаратов в энергетике и теплоснабжении
С.В. Геллер,
директор по науке ЗАО "БРАВО Технолоджиз" Фото Ларисы Ильченко
Механическое воздействие на жидкость приводит к ее нагреву, установили Д. Джоуль и Р. Майер. И спустя полтора века эта тема использовалась в тех-нике[1]. Было также доказано, что в тепло может быть превращена и внутренняя энергия жидкости (в режиме кавитации), при этом температура воды может не соответствовать затраченной механической энергии. 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 Москвы, Санкт-Петербурга, Тулы и некоторых других городов. Использование ВНЖ выгодно при строительстве электрифицированных объектов, прокладка газовых коммуникаций и труб ТЭЦ к которым невозможна или неэкономична. 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 содержат подвижных деталей и отличаются низкой себестоимостью, высокой надёжностью в работе; содержат завихритель, камеру с выходным патрубком и тормозным устройством. Эффективность статических ВНЖ мала, они неэкономичны. К динамическому типу относятся ВНЖ, в которых имеются роторы, связанные кинематически с источником крутящего момента. Динамические ВНЖ обеспечивают значительно большую эффективность, чем ста-
тические, но имеют свои недостатки. Подробнее оба типа описаны ниже.
Авторская разновидность ВНЖ (гидроимпульсная, турбинного типа) представляет собой новый тип ВНЖ (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 е, 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. 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:
Ч ^ Цг + физб. . (1)
Количество тепла ф, выделяющееся при работе ВНЖ, представляет собой сумму двух составляющих:
ф = физб + Аф (2)
где физб вызвано экзотермическим превращением воды (теплота перехода Ц ^ Ъ2 ), а Аф получено путем преобразования электроэнергии и в эквивалентную ей теплоту.
ИВИИВИ 2007
О
= 20
Энергобезопасность в документах и фактах
Qизб зависит от интенсивности кавитации, степени различия молярных теплоемкостей воды в свободном и структурированном состояниях, а также начальной температуры воды:
Физб = (кат)/ т (Св1 - Св2 ХТ - ТПл ) (3)
где С в и С в - удельные теплоемкости при постоянном давлении свободной воды L1 и кавитирующей воды L2, соответственно;
СВ2 можно представить в виде Св 2 = к2С л , где к2 (1 < к2 < 2)- константа, характеризующая степень отличия теплоемкости С В2 структурированной воды (фаза L2) от теплоемкости льда Сл;
к1 - коэффициент структурирования воды, вызванного кавитацией (массовая парциальная доля частично упорядоченной фазы В2 в активированной
водеХ к! = тВ2 /(тВ1 + тВ2 ) 0 < к1 <1
т - масса структурированной воды;
Т1 и Тпл - температура воды, поступающей в ВНЖ, и точка плавления льда, соответственно; т = 18,015 - молярная масса воды.
В случае полного структурирования к1 = к2 = 1,
^зб = кт ( Т1 - Tпл ),
где к - постоянная, к @ 2,1 • 103 Дж/К-кг.
Т2 = Т1 + физб / (т Св).
Таким образом, в ВНЖ происходит дополнительное тепловыделение Qизб.
В замкнутой схеме работы (ВНЖ 1, насос 2 и теплообменник 3 соединены последовательно, рис.1) выделение теплоты физб происходит без изменения энергосодержания контура.
Теплопроизводительность контура за время определяют по перепаду температуры на теплообменнике Т = Т2 - Т1 и расходу G воды:
ф = к АТОт, (4)
где к - коэффициент пропорциональности. Эффективность работы ВНЖ:
л = о/и,
(5)
Рис.1
превысит единицу! Закон сохранения энергии не нарушается, процесс проходит по обратному термодинамическому циклу[2, 3]. Такой режим обеспечивается не только самим ВНЖ, но и 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 (патентная заявка RU2005136836), (рис. 3).
Вихревые камеры в аппарате нового типа расположены на периферии первого ротора, являющегося
где и - электроэнергия, потребляемая насосом за время т, а ^ всегда < 1, поскольку Аф < и .
Эффективность ВНЖ определяется с помощью калориметра (рис. 1). По изменению температуры Т образцовой жидкости в резервуаре за время т можно определить количество тепла Аф, 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 так, чтобы эффективность превысила единицу. Любые утверждения о получении "сверх-единичного" тепла в замкнутой отопительной системе (подобной изображённой на рис. 4) являются злонамеренными спекуляциями.
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
Рис.2
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 оригинальные средства саморегулирования энергообмена роторов с рабочим телом (положительная обратная связь). Всё это обеспечивает высокую эффективность кавитации при малом гидравлическом сопротивлении. Оптимальными по соотношению "себестоимость - эффективность" средствами повышена эффективность и расширены функциональные возможности аппарата (направленные, в частности, на повышение КПД паровых котлов). Конструкция аппарата по рис. 3 обеспечивает уход от общего недостатка аналогов - наличия валов с жёстко посаженными на них роторами (см. ниже).
Рис.3
ИВИИВИИИЙИ
= 22
Энергобезопасность в документах и фактах
Чтобы принципиальные отличия нового ВНЖ стали понятны читателю, рассмотрим особенности известных типов КА.
В статических КА отсутствуют подвижные конструктивные элементы и необходимо наличие тормозного устройства, имеющего большое гидравлическое сопротивление.
Динамические КА имеют роторные (перфорированные, либо лопаточные) активаторы, жёстко скрепленные с приводными валами, а также образованные полостью корпуса неподвижные рабочие камеры с входным и выходным патрубками [4]. Большой момент инерции роторов, кинематически связанных с валом приводного электродвигателя, - общий недостаток всех известных ВНЖ динамического типа. Среди КА такого рода известны такие, в которых организованы автоколебания в рабочей камере [5, 6], а зона Рис.
кавитации совмещена с рабочим колесом насоса, что снижает его КПД [7] и ресурс.
Применение изобретения совместно с котлами
Нагрев рабочего тела при автономной работе рассмотренных выше КА начинается с начальной (сетевой) температуры, не превышающей обычно 20 °С. Это влечёт большие затраты энергии и увеличивает срок окупаемости КА. Гораздо эффективнее применять ВНЖ в составе существующих котлов. 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 К.
Из экономайзера рабочее тело направляют в зону кавитационного и волнового воздействия, которую создаёт генератор. Время сжатия кавитационного пузырька очень мало, процесс его коллапса происходит
5. Использование изобретения для интенсификации и сокращения токсичности сгорания
адиабатически. Внутри пузырьков давление может повышаться до величины 108 Па , а температура увеличиваться до 104 °С [9]. Происходит высвобождение внутренней энергии рабочего тела, в результате чего последнее скачкообразно закипает [8]. Затраты энергии питательного насоса на генерацию кавитации и волн несопоставимо меньше, чем высвобожденная внутренняя энергия рабочего тела (в форме теплоты).
Отдельно необходимо сказать об использовании 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.
На рис. 6 изображена зависимость перепада температур на входе и выходе ВНЖ от расхода рабочего тела и частоты вращения ротора.
Пакет областей перспективного использования
№ Область применения технологии Вид применения
1 Отопление зданий, лишённых газовых и ТЭЦ коммуникаций Как автономная отопительная система (альтернатива котельным)
2 Повышение КПД существующих газовых и мазутных котлов путём придания нового качества штатным питательным насосам Как встраиваемый между экономайзером и кипятильными трубами модуль (полностью оригинальное решение)
3 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 Как система дооснащения топок (есть менее совершенные аналоги - миксеры, в которых на водомазутную смесь производится энергоёмкое механическое воздействие, а также ультразвуковые форсунки для сжигания мазута). Конструктивно новое решение более прогрессивно
4 Снижение расхода дизтоплива установок нагрева рабочих растворов при гидроразрыве пласта (ГРП) на нефте-и газопромыслах Как система дооснащения автоцистерны ГРП(коммер-циализация такого конструкторского решения позволит вытеснить с рынка прямотрубные американские котлы на дизтопливе, которые требуют неоправданно большого расхода дизтоплива)
нааивмкийи
Рис. 6. График зависимости перепада температур на выходе и входе ВНЖ от подачи и окружной скорости ротора
Таким образом, инновация является основой для создания двух линий продукции:
-мини-котельных на базе стандартных насосных агрегатов;
-мобильных тепловых агрегатов, приводимых ДВС транспортного средства (в частности, мобильных установок для гидроразрыва пласта при нефте -и газодобыче).
Изобретение может быть эффективно применено в качестве:
а) нагревательного элемента без электропривода, приводимого потенциальной энергией магистрали холодной воды - "донора";
б) дополнения к действующим котлоагрегатам, снижающего удельный расход топлива;
в) средства повышения полноты сгорания тяжёлых углеводородных топлив, сопутствующего снижению токсичности процессов сгорания.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 1627790 на изобретение, 1991 г.
2. Вукалович М. и др. Техническая термодинамика.- М.: Энергия, 1961.
3. Рей Д., Макмайка Д. Тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1982.
4. Кавитационно - роторный теплогенератор. Патент RU 2258875.
5. Способ тепловыделения в жидкости. Заявка RU 95110302/06.
6. Роторный гидроударный насос - теплогенератор. Патент RU 2202743.
7. Байков О.В. Вихревые гидравлические машины. - М.: Машиностроение, 1981. С. 100-111.
8. Хасанов Х. Термоэффект в текучих средах. В сб. Структурно - динамические процессы в неупорядо-
ченных средах. Самарканд: Изд-во СГУ, 1992.
9. Физика/Большой энциклопедический словарь/ Большая Российская энциклопедия 1999. С. 236-237.
Учебно-производственная фирма МИЭЭ «Энергопроектмонтаж»
Проектирует:
✓ системы электроснабжения объектов;
✓ трансформаторные подстанции;
✓ кабельные и воздушные линии электропередачи;
✓ системы тепло-, водоснабжения, вентиляции;
✓ системы пожарной и охранной сигнализации
Осуществляет:
✓ авторский надзор;
✓ техническое сопровождение проектных решений;
✓ электромонтажные работы;
✓ гарантийное обслуживание
Провозит
сертификационные, приемо-сдаточные и контрольные испытания электрооборудования
105425, г. Москва, Щелковский пр., д. 13А, стр. 1 тел.: 164-97-93, 652-20-05, 164-93-62, факс: 652-20-07 www.miee.org,[email protected]
нвиивиюиИи
