Вихрові теплогенератори
Історія створення першихвихрових теплогенераторів сягає корінням в першу третину двадцятого століття, коли французький інженер Жозеф Ранк зіткнувся з несподіваним ефектом, досліджуючи властивості штучно створюваного вихору в розробленому ним пристрої — вихровій трубі. Сутність спостережуваного ефекту полягала в тому, що на виході вихрової труби спостерігалося поділ стисненого повітряного потоку на теплий і холодний струмінь.
Дослідження в цій галузі були продовжені німецьким винахідником Робертом Хілшем, який у сорокових роках минулого століття покращив конструкцію вихрової труби Ранка, досягнувши збільшення різниці температур двох повітряних потоків на виході з труби. Однак як Ранку, так і Хілшу не вдалося теоретично обгрунтувати ефект, що спостерігається, що відстрочило його практичне застосування на багато десятиліть. Слід зазначити, що задовільне теоретичне пояснення ефекту Ранка — Хілша з погляду класичної аеродинаміки не знайдено досі.
Одним із перших учених, якому спала на думку ідея запустити в трубу Ранка рідина, є український вчений Олександр Меркулов, професор Куйбишевського (нині Самарського) державного авіакосмічного університету, якому належить заслуга у розвитку основ нової теорії. Створена Меркуловим наприкінці 50-х років Галузева науково-дослідна лабораторія теплових двигунів та холодильних машин провела величезний обсяг теоретичних та експериментальних досліджень вихрового ефекту.
Ідея використовувати як робоче тіло у вихровій трубі нестиснене повітря, а воду, була революційною, оскільки вода, на відміну газу, несжимаема. Отже, ефекту поділу потоків на холодний та гарячий очікувати не варто. Однак результати перевершили всі очікування: вода при проходженні «равликом» швидко нагрівалася (з ефективністю, що перевищувала 100%).
Вченим важко пояснити подібну ефективність процесу. На думку деяких дослідників, аномальне підвищення температури рідини спричинене мікрокавітаційними процесами, а саме «схлопуванням» мікропорожнин (бульбашок), заповнених газом або парою, які утворюються в ході обертання води в циклоні. Неможливість пояснити такий високий ККД процесу, що спостерігається з точки зору традиційної фізики, призвела до того, що вихрова теплоенергетика міцно влаштувалась у списку «псевдонаукових» напрямків.
Тим часом, цей принцип був узятий на озброєння, що призвело до розробки працюючих моделей тепло- та електрогенераторів, що реалізують наведений вище принцип. На даний час на території України, деяких республік колишнього Радянського Союзу та низки зарубіжних країн успішно функціонують сотні вихрових теплогенераторів різної потужності, вироблених низкою вітчизняних науково-виробничих підприємств.
Мал. 1. Принципова схема вихрового теплогенератора
Нині промисловими підприємствами випускаються вихрові теплогенератори різних конструкцій.
Мал. 2. Вихровий теплогенератор «МУСТ»
На Тверському науково-впроваджувальному підприємстві "Ангстрем" розроблено перетворювач електричної енергії на теплову -вихровий теплогенератор "МУСТ". Принцип його дії запатентований Р.І.Мустафаєвим (пат. 2132517) та дозволяє отримувати теплову енергію безпосередньо з води. Уконструкції відсутні будь-які нагрівальні елементи, а електроенергією живиться тільки насос, що прокачує воду. У корпусі вихрового теплогенератора розміщено блок прискорювачів руху рідини та гальмівний пристрій. Він складається з кількох вихрових трубок особливої конструкції. Винахідник стверджує, що більшого коефіцієнта немає жодного з пристроїв, призначених для цих цілей.
Високий ККД не єдина перевага нового перетворювача. Розробники вважають особливо перспективним використання свого вихрового теплогенератора на об'єктах, що знову будуються, а також віддалених від централізованого теплопостачання. Вихровий теплогенератор "МУСТ" може монтуватися безпосередньо в внутрішні опалювальні мережі об'єктів, що сформувалися, а також в технологічні лінії.
Не можна не сказати, що новинка поки дорожча за традиційні котли. "Ангстрем" пропонує покупцям вже кілька генераторів "МУСТ" потужністю від 7,5 до 37 кВт. Вони здатні опалювати приміщення об'ємом від 600 до 2200 кв.
Коефіцієнт перетворення електроенергії дорівнює 1,2 але може досягати і 1,5. Загалом в Україні працює близько ста вихрових теплогенераторів «МУСТ». Модель теплогенераторів «МУСТ» дозволяє обігрівати приміщення об'ємом до 11,000 м3. Маса установки складає від 70 до 450 кг. Теплова потужність установки МУСТ 5,5 становить 7112 ккал/год, теплова потужність установки МУСТ 37 - 47840 ккал/год. Теплоносієм, що використовується у вихровому теплогенераторі МУСТ може виступати вода, тосол, полігліколь, або будь-яка інша незамерзаюча рідина.
Мал. 3. Вихровий теплогенератор «ВТГ»
Вихровий теплогенератор ВТГ являє собою циліндричний корпус, оснащений циклоном (равликом з тангенціальнимвходом) та гідравлічним гальмівним пристроєм. Робоча рідина під тиском подається на вхід циклону, після чого складною траєкторією проходить через нього і гальмується в гальмівному пристрої. Додатковий тиск у трубах теплової мережі не створюється. Система працює у імпульсному режимі, забезпечуючи заданий режим температур.
Як теплоносій у ВТГ використовується вода або інші неагресивні рідини (антифриз, тосол) залежно від кліматичної зони. Процес нагрівання рідини відбувається за рахунок її обертання за певними фізичними законами, а не під впливом нагрівального елемента.
Коефіцієнт перетворення електричної енергії на теплову у вихрового теплогенератора ВТГ першого покоління був не менше 1,2 (тобто КПЕ не менше 120%). У ВТГ витрачається лише на електронасос, що прокачує воду, а вода виділяє додаткову теплову енергію.
Працює установка в автоматичному режимі з урахуванням температури навколишнього повітря. Режим роботи контролюється надійною автоматикою. Можливе прямоточне нагрівання рідини (без замкнутого контуру), наприклад для отримання гарячої води. Нагрів відбувається за 1-2 години в залежності від зовнішньої температури і об'єму приміщення, що обігрівається. Коефіцієнт перетворення електричної енергії (КПЕ) на теплову набагато вище 100%.
Вихрові теплогенератори ВТГ випробовувалися в різних НДІ, зокрема в РКК «Енергія» ім. С.П. Корольова у 1994 р, у Центральному Аеродинамічному інституті (ЦАГІ) ім. Жуковського 1999 р. Випробування підтвердили високу ефективність вихрового теплогенератора ВТГ проти іншими типами нагрівачів (електричними, газовими, і навіть які працюють на рідкому і твердому паливах). При тій же тепловій потужності, що й у традиційних теплових установок,кавітаційні вихрові теплогенераторні установки споживають менше електроенергії.
Установка відрізняється найвищою ефективністю роботи, проста в обслуговуванні та має термін експлуатації понад 10 років. Вихровий теплогенератор ВТГ відрізняється своїми невеликими габаритами: площа, що займається, залежно від виду теплогенераторної установки становить 0,5-4 кв.м. За бажанням замовника можливе виготовлення генератора для роботи в агресивних середовищах. Вихрові теплогенератори різної потужності випускаються та іншими підприємствами.