Як підвищити ефективність вихрових нагрівачів рідини - Енергетика України

В даний час у ряді регіонів України ведуться інтенсивні розробки вихрових нагрівачів рідини (ВНЗ). Зокрема, подібна продукція випускається низкою фірм Москви, Іжевська та Пензи.

ВНЖ - пристрої гідродинамічного типу. Від існуючих електронагрівачів вони відрізняються більш високою ефективністю - ставленням теплоти, що виробляється, до споживаної енергії.

Типи сучасних нагрівачів

Можна виділити три основні різновиди ВНП:

статичні тангенційні;
статичні аксіальні;
динамічні.

До статичних відносяться ВНЖ, що не містять рухомих деталей. Різновиди їх різняться характером введення потоку в робочу камеру.

До динамічних відносяться ВНЗ, у яких активація робочого тіла відбувається рухомими активаторами.

Елементами статичного ВНЖ є завихрювач, робоча вихрова камера з вихідним патрубком і гальмівний пристрій. Іноді ВНЖ додатково містить перепускну магістраль.

Завихрювач виконаний у вигляді равлика, що підводить потік холодної води з насоса на периферію вихрової циліндричної камери. У камері потік закручується і рухається до осьового вихідного патрубка, перед яким гальмується спеціальним пристроєм. В процесі вихрового руху та гальмування рідина в робочій камері активується, нагрівається, і вихідного патрубка виходить гаряча вода. Частина води підвищення ефективності може відводитися з виходу нагрівача на вхід через перепускну магістраль.

Ще простіше конструкція статичного ВНЗ із аксіальним введенням потоку рідини.

Основними елементами такого нагрівача служать робоча камера з вхідним патрубком і пристрій, що звужує, з вихіднимпатрубком. Іноді ВНЖ додатково містить турбулізатор. Звужуючий пристрій (діафрагма, сопло, дросель, фільєра тощо) статичного нагрівача зазвичай являє собою встановлену в робочій камері перегородку з отвором.

У динамічних ВНЖ активацію робочого тіла роблять приводні елементи роторного типу, кінематично пов'язані з джерелом моменту, що крутить.

Активатор, як правило, жорстко сидить на приводному валу і обертається в робочій циліндричній камері, забезпеченій вхідним і вихідним патрубками, а також гальмівним пристроєм. При подачі у вхідний патрубок холодна вода закручується активатором, що обертається, прискорюється, активується і нагрівається. Це відбувається в процесі руху у бік нерухомого гальмівного пристрою, на якому потік загальмовується додатково активується і нагрівається. Через вихідний патрубок гаряча вода подається до споживача.

Причини високої продуктивності

Незважаючи на відсутність рухливих частин та низьку вартість статичних нагрівачів, динамічні ВНЖ перспективніші, оскільки забезпечують значно більшу ефективність.

Температура води на виході ВНЖ може досягати точки кипіння за загальних витрат енергії на нагрівання води, явно недостатніх для отримання такого результату.

При часто використовуваної калориметричній процедурі виміряне збільшення кількості тепла, виробленого генератором за одиницю часу, може істотно перевищити виміряну за той же час енергію, що споживається генератором. Ефективність нагрівання стає особливо помітною, коли температура вихідної води, що піддається механоактивації, становить 665 ± 35 оС. Витрати енергії на нагрівання води з початковою температурою t = 66,5 оС до точки кипіння мінімальні та явнонееквівалентні потрібному для цієї мети кількості тепла.

Запропоновано різні гіпотези про причини надпродуктивності ВНЗ. Найбільш переконливою причиною виділення надлишкового тепла в ВНЖ є механоактивація рідини.

Багато фізичних властивостей рідини можуть оборотно змінюватися в результаті її механічної обробки. Так, наприклад, значення відносної статичної діелектричної проникності, теплоємності, коефіцієнта заломлення світла та інші показники механоактивованої води можуть істотно відрізнятися від значень довідкових для звичайної води.

Причиною цих відмінностей є кавітаційні явища. Розвинена кавітація у робочому тілі пов'язана з наявністю великих поверхонь розділу фаз (у кожному кубічному мілілітрі рідини міститься до 105 кавітаційних каверн із середнім діаметром близько 10 мкм). Діелектрична проникність води в тонкій плівці або краплі, починаючи з певної товщини плівки (або діаметру краплі), стає значно меншою проникності води у вільному обсязі. При зменшенні товщини плоского шару води від 40 мкм до 10 мкм її відносна діелектрична проникність поступово зменшується майже на порядок. Подібний процес спостерігається при зменшенні діаметра краплі води від 60 до 10 мкм.

Товщина поверхневого шару води, у якому частково зберігається дальній порядок молекул, становить приблизно 20 мкм, а товщина частково впорядкованого поверхневого шару краплі води – 30 мкм. Ефективні товщини поверхневих шарів для плоскої поверхні та краплі становлять близько 11 мкм та 16 мкм відповідно. При зменшенні товщини плоского шару води і діаметра краплі значення діелектричної проникності води в межі прагне до величини, близької до діелектричної проникності льодуНайбільш поширеною кристалічною модифікацією. Це дає підставу припускати, що не тільки діелектрична проникність, а й питома теплоємність може наближатися до параметрів твердої фази.

Так як питома теплоємність води в два рази перевищує питому теплоємність льоду, зміна теплоємності води при переході з рідкого стану в частково впорядковане, подібне до льоду, супроводжується значним тепловиділенням.

ВНЖ із роторним нагрівачем

Автором пропонується принципово новий різновид ВНЖ з роторним активатором, що наводиться від турбіни.

У ньому привід роторів-активаторів здійснюється робочим тілом, що прокачується через генератор. Робочі камери розташовані на периферії першого ротора, що є активною гідротурбіною. Другий ротор виконаний у вигляді реактивної гідротурбіни. Ротори обертаються у протилежні сторони. Гідроудари циклічно генеруються перекриттям другим ротором зрізів частини робочих камер. Гідроударні хвилі перепускаються в тилові осьові зони робочих камер. Конструкцією передбачено також засоби саморегулювання енергообміну роторів з робочим тілом, які забезпечують велику амплітуду та широкий частотний спектр коливань, а також високу ефективність кавітації при малому гідравлічному опорі.

Додаткові області застосування агрегату – безпечний підігрів паливно-мастильних матеріалів (в аеродромних заправниках та контейнерних заправних станціях), диспергування, гомогенізація, аерація стоків та знезараження води, екстрагування.

Сучасні засоби нагрівання

Використовуються також гідродинамічні генератори хвиль рідини. Відомі каскадні сполуки таких генераторів – послідовні та паралельні. Але ці апарати не нагрівають робоче тіло і неможуть бути засобом підвищення ККД парових казанів.

Крім того, для автономного опалення та гарячого водопостачання застосовуються тепловиділяючі кавітаційні апарати (альтернатива паровим котлам). Нагрів робочого тіла при автономній роботі в них вимушено починається з початкової (мережевої) температури, яка не перевищує зазвичай двадцяти градусів Цельсія. Це тягне за собою великі витрати енергії та збільшує термін окупності кавітаційних апаратів (як статичних, так і динамічних). У статичних апаратах відсутні рухомі конструктивні елементи і необхідна наявність гальмівного пристрою, що має великий гідравлічний опір.

Як підвищити ККД теплогенератора?

Прототипом нового винаходу був обраний кавітаційно-вихровий теплогенератор, що містить ротори, що обертаються в протилежних напрямках, нагнітальний та випускний патрубки прокачування робочого тіла, корпус-статор. Два його перфоровані ротори розміщені в розточках статора і закріплені на валах, які встановлені в ущільнювальних та підшипникових вузлах. При цьому є можливість їхнього обертання в протилежних напрямках. Внутрішні кільцеві виступи статора також перфоровані.

Однак прототип має недоліки. Тепловиділення у ньому відбувається у хаотичних (турбулентних) потоках з допомогою диссипації (розсіювання) енергії на місцевих гідравлічних опорах. Необхідність малих зазорів між роторами та статорами роблять конструкцію дорогою (як і радіальні ущільнення валу з виносними підшипниковими вузлами та два електродвигуни).

Як це завдання вирішується?

Принцип дії гідроімпульсного нагрівача

Принцип дії апарату такий. Робоче тіло прокачується живильним насосом через генератор, нагнітаючи в патрубок і випускаючись із патрубка.Усередині корпусу воно потрапляє у завихрювачі шести робочих камер. У камерах поділяється на окремі закручені потоки, що мають різкі пульсації тиску, напруги зсуву і області розриву. В результаті утворюються численні кавітаційні каверни, схлопування яких призводить до генерування ультразвукових коливань. Останні викликають вторинну кавітацію (лавиноподібний процес із позитивним зворотним зв'язком). Гідроударні хвилі створюють у робочому тілі значні знакозмінні напруги та зсувні деформації, що змінюють його фізичні властивості, що підвищує інтенсивність технологічних процесів.

Прямий вплив поживних насосів парових котлів на нагрівання робочого тіла дає великий економічний ефект, оскільки підвищення ККД котлів еквівалентне зниженню витрати палива, а тепловиділення всіх реалізованих досі автономних кавітаційних апаратів менше, ніж одного великого промислового котла.

Хоча в даний час і відомі автономні нагрівачі кавітаційного типу, але для динамічних аналогів необхідний енергоємний привід валів роторів, крім того - в них великий гідравлічний опір. А теплова ефективність статичних кавітаційних апаратів дуже мала. Тому аналоги непридатні для досягнення технічного результату при спільній роботі зі штатними поживними насосами котлів.

Новий пристрій виробляє комбіноване (кавітаційно-хвильовий вплив) на робоче тіло, що забезпечує кількісно більший його нагрівання при рівній з аналогами споживаної потужності.