Наука и техника | Сумма технологий | Гидродинамические теплогенераторы, аспект эффективности

РАЗРАБОТЧИК:

С.В.Геллер, г. Москва
(495)939-86-17

Аннотация

В статье классифицированы известные источники теплоты гидродинамического типа. Описан гидродинамический аппарат для отопления, горячего водоснабжения, а также безопасного нагрева технологических жидкостей. Указаны экономически обоснованные области его промышленного применения. Затронуты вопросы о корректности (как методик испытаний, используемых производителями гидродинамических аппаратов типа «вихревые теплогенераторы», так и корректности в деле их продаж отдельными фирмами).

Описаны испытания макетного образца гидродинамического теплогенератора «БРАВО», рис., 1 проходящий в настоящее время испытания на одном из предприятий города Москвы. Теплотехнические испытания показали, что тепловой КПД макетного образца порядка 84%. Один и тот же объём воды при одинаковом питающем электро — насосном агрегате (КМ100-65-200)нагревается до заданной температуры (70 градусов Цельсия) в 1,8 раза быстрее, чем при использовании функционального аналога ВТУ-22 производства Ковровского завода имени Дегтярёва (рис.2). Приборные замеры тепловыделения проведены на основе методики испытаний, впервые корректно составленной. Дан большой список литературы по теме.

Краткая история вопроса

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. При этом обнаружено, что в тепло может быть превращена не только подводимая извне механическая энергия, но и внутренняя энергия жидкости (в режиме кавитации). Для возбуждения кавитации широко используется метод закрутки жидкости (вихревые эффекты). Первенство в создании вихревого нагревателя жидкости 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 (Москва, Санкт — Петербург, Ростов — на — Дону), 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, такие аппараты пригодны в качестве мини-котельных для зданий и сооружений (рис.3). С их помощью 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).

Проблемы корректности

Имеются факторы, дискредитирующие гидродинамические теплогенераторы. В ряде статей и, особенно, в рекламных материалах продавцов таких аппаратов заявляется о «коэффициентах преобразования», иной раз превышающих 100%. При этом в таких публикациях содержатся объяснения «исключительно высокой эффективности», но вопрос, каким образом она определялась, обходится стороной(http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=0f97818d-c4b4–41e1-a2a0-d87c084e5099&_Language=ru ). Следует также отметить, что далеко не все производители "вихревых теплогенераторов" используют корректную методику определения эффективности своей продукции.

В качестве примера приведём методику Ковровского завода имени Дегтярёва (ОАО "ЗиД") — одного из двух самых известных производителей таких установок http://www.zid.ru/ru/products/perspective/vtu.html. Методика любезно предоставлена менеджером по продажам теплогенераторов ВТУ и, как он заверил, согласованна с руководителем проекта господином В.П.Сысой.

Вот эта методика:

«МЕТОДЫ контроля теплопроизводительности ВТУ
1 Проверка потребляемой мощности.
1.1 Потребляемая мощность контролируется при помощи универсального измерителя электрической мощности MIC-2090W MOTECH INDUSSTRIED INC путем непосредственного замера потребляемой мощности.
1.2 Допускается определение потребляемой мощности путем замера величины силы тока ( ?!- Комментарий автора помещён ниже)
В этом случае потребляемая мощность определяется по формуле P=3UФIФcosφη ,где UФ – фазное напряжение; IФ – фазный ток; сosφ – угол сдвига между током и напряжением; η – к.п.д. электродвигателя.
2 Проверка теплопроизводительности, подачи (массы теплоносителя, прокачиваемого через установку).
2.1 Контроль значений температуры, расхода, теплопроизводительности осуществляется по монитору теплосчетчика КМ-5-2-25/25-ПП/ПП-0-1*2-0-0-0-1 при достижении теплового баланса (см. рис.4).
3.2 Регулировку теплового баланса производить с помощью открытия/закрытия заслонок раструба калорифера и / или кранами К2, К3.
Тепловой баланс считать достигнутым при установившейся температуре в диапазоне 75±15ºС с колебанием температуры t=±2ºС и колебанием разницы температур Δt ± 0,3ºС в течении 1 часа.
3.3 После получения значения теплопроизводительности по теплосчетчику и определения потребляемой мощности определяется соотношение произведенной тепловой энергии и затраченной электрической энергии.

Такой метод контроля теплопроизводительности ВТУ некорректен, т.к. измеряемые мощности (электрическая и тепловая) — это дифференциальные параметры, определяемые мгновенными значениями, использование которых значительно увеличивает величину субъективных ошибок. Обеспечить стабильное значение потребляемой электрической мощности практически невозможно, т.к. фазное напряжение электросети нестабильно, особенно в рабочее время. В любом асинхронном электродвигателе наблюдаются пульсация скольжения потребляемой мощности и т.п. Вот почему допустимость замеров затраченной электроэнергии путём токовых клещей(разовые замеры силы тока, допускаемые методикой, заведомо некорректны) Обеспечить стабильность показаний тепловой мощности с теплосчетчика, тем более проблематично, т.к. показания о расходе постоянно шумят (испытывают скачкообразные изменения), наблюдаются значительные пульсации расхода при работе насоса без стабилизаторов, реализовать поддержание разности температур ∆t в ±0,3 ºС абсолютно нереально. Все это только часть факторов, дестабилизирующих показания тепловой мощности. Для обеспечения достоверных оценок должно быть использовано измерение тепловой и электрической энергии, произведенной за контролируемой отрезок времени. Завод имени Дегтярёва декларирует КПД установки «ВТУ-22» 80%. Но если демонтировать этот аппарат с электронасоссного агрегата КМ100-65-200 и вместо него подключить макетный образец « БРАВО», (что было проделано в самом начале испытаний макетного образца летом 2007г, рисунок5), то один и тот же объём воды в двухсотлитровом бойлере нагревается от 22-х до 70-ти градусов Цельсия в 1,8 раза быстрее. Но, как будет показано ниже, КПД макетного образца не превышает 87,2% (при условии равенства единице теплоёмкости механоактивированной воды). Что доказывает несоответствие декларируемого КПД реальному и является следствием некорректности методики, используемой производителем «ВТУ-22».

Корректные замеры

Не ставя перед собой задачу подтвердить или опровергнуть эффекты, возникающие в процессе работы «вихревых» теплогенераторов (гидромеханических преобразователей электроэнергии в теплоту), мы решили провести измерения выделяемой теплоты по корректной методике и с минимальной погрешностью, чему способствовал научный потенциал и накопленный опыт директора по науке ЗАО «НПО «Тепловизор» Валерия Сергеевича Коптева, разработавшего методику испытаний. ЗАО «НПО «Тепловизор» специализируется в области разработки, производства и реализации многоканальных теплосчётчиков и расходомеров ВИС.Т и ВИС.МИР на базе электромагнитных преобразователей расхода на диаметры Ду 15…1420мм. Приборы используются для коммерческого учета тепловой энергии и количества теплоносителя у производителей и потребителей тепловой энергии. Кроме того, они нашли широкое применение для технологических целей на различных производствах, включая химическое и металлургическое.

На момент начала испытаний (декабрь 2007г.) макетный образец «БРАВО» (об его особенностях будет сказано ниже) входил в состав теплового пункта (испытательного стенда), состоящего из электронасосного агрегата, «БРАВО», трубной обвязки и запорной арматуры. Имелись также трубные ответвления на два теплообменника (бойлера), которые при проведении замеров были перекрыты. Для измерения теплопроизводительности был использован серийный одноканальный электромагнитный теплосчетчик ВИС.Т с первичным преобразователем расхода dy15, который устанавливался на подпиточном трубопроводе. Измерение потребляемой электрической энергии производилось с помощью электросчетчика типа САУ-И678, который был любезно предоставлен главным энергетиком предприятия, на котором проводятся испытания макетного образца (САО Москвы). С целью минимизации затрат на работы по измерению теплопроизводительности была реализована следующая методика экспериментов.

В тепловую установку производился постоянный подвод холодной воды, которая после гидромеханических воздействий в «БРАВО» непрерывно сливалась через накопительный бак в сливной трап бойлерной. Учитывая гидравлическую плотность установки (отсутствие утечек контролировались визуально), массовый расход воды на входе в установку равен массовому расходу сливаемой воды. Поэтому для измерения количества генерируемой установкой «БРАВО» тепловой энергии достаточно измерить массовый расход холодной воды, температуры (энтальпии) воды на её входе и выходе, и осуществить численное интегрирование произведения разности энтальпии на массовый расход на контролируемом отрезке времени. Этот алгоритм, в соответствии с «Правилами учета тепловой энергии и теплоносителя», реализует одноканальный теплосчетчик ВИС.Т, укомплектованный подобранной парой платиновых термометров сопротивлений. Теплосчетчики ВИС.Т позволяют измерять количество тепловой энергии с погрешностью не более 4% в диапазоне разностей температур от 2 до 10 градусов Цельсия и при расходах менее 1 % (до 0,1%) от верхнего придела измерения.

При этом теплоёмкость воды, подвергнутой воздействию аппаратом «БРАВО» принята равной единице условно, поскольку мы не успели пока провести замеры фактической теплоёмкости механоактивированной воды, которая по данным Е.Ф. Фурмакова, может сильно отличаться от справочных значений и достигать значения 2. В случае, если эти данные подтвердятся, полученные значения КПД придётся пересмотреть в большую сторону.

Так как в большинстве случаев практическое использование теплогенератора для обогрева рабочих и жилых помещений требует непрерывных или квазинепрерывных режимов подачи тепла, теплопроизводительность установки измеряли в квазинепрерывном режиме, т.е. в установившемся режиме (температура сливаемой воды стабилизировалась и не менялась на протяжении часа.

Для минимизации влияния на результаты измерений притока или потерь тепловой энергии с поверхности аппарата БРАВО в окружающий воздух измерения производилось при таких расходах подпиточной воды, когда температура корпуса аппарата и сливаемой воды на 1÷3ºС выше или ниже температуры воздуха в бойлерной.

1-е измерение

Температура воздуха в бойлерной +31,0ºС. Температура воды на выходе установки «БРАВО» -31,4ºС. Температура на корпусе 31,4ºС. Измерения проводились в течение 3600 сек. Начальное показание электросчетчика 635866,0 кВТ•ч. Показания электросчетчика через 3600 сек. За период 3600сек.

Затраченная электроэнергия 14,3кВт•ч = 12,303 Мкал.

2-е измерение

Температура окружающей воды 31,0ºС. Температура воды на выходе установки 28,2ºС. Температура на корпусе установки 29,8ºС. Начальные показания электросчетчика 635904,2 кВт•ч. Показания электросчетчика через 3600 сек. 635919,4 кВт•ч. Показания ВИС.Т нарастающим итогом с шагом300 сек, за период 3600сек.

Затраченная электроэнергия 15,2 кВт•ч = 13,78 Мкал.

С учетом максимально возможной погрешности измерений КПД установки в опробованных режимах работы находится в пределах от 75,6% до 87,2%. Потери в обмотках электродвигателя (теплота, отдаваемая ими окружающей среде) хорошо коррелируют с разностью между затраченной электроэнергией и верхним значением теплового КПД макетного образца «БРАВО». Таким образом, становится вполне реальным усовершенствовать конструкцию «БРАВО» таким образом, чтобы тепловой КПД равнялся КПД электродвигателя, приводящего насос. В этом случае аппарат предполагается оснастить погружным электронасосным агрегатом и поместить такой агрегат в термоизолированный бойлер, чтобы вода нагревалась с тепловым КПД=1.

Особенности «БРАВО»

В аппарате «БРАВО» (Би — Роторный Аппарат Волновой Отопительный) вокруг неподвижной геометрической оси установлены, как минимум, два ротора — активатор и генератор. На периферии активатора расположены вихревые камеры. Генератор выполнен по принципу Сегнерова колеса. Роторы вращаются встречно. При этом циклически генерируются гидроудары путём перекрытия генератором выходов вихревых камер активатора. 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 общего недостатка аппаратов динамического типа – наличия валов с жёстко посаженными на них роторами (см. ниже), а также кавитационного износа роторов(зоны кавитации локализованы в осевых зонах рабочих камер, вне контака с их поверхностями). Чтобы принципиальные отличия «БРАВО» от «вихревых» теплогенераторов стали понятны читателю, кратко рассмотрим особенности известных типов «вихревых» теплогенераторов и классифицируем их.

В статических «вихревых» теплогенераторах отсутствуют подвижные конструктивные элементы [1] — [17], [19] — [24], [26] и имеется тормозное устройство, имеющем большое гидравлическое сопротивление. Самый распространённый аппарат такого рода был упомянут выше.

Динамические «вихревые» теплогенераторы имеют размещённые в полости корпуса активаторы, жёстко скрепленные с приводными валами (роторные активаторы [18], [23], [25], [29], [31] — [38], либо лопаточный активатор [30]). Некоторые из аппаратов снабжены средствами создания автоколебаний в потоке жидкости (сходного с «БРАВО» назначения). Однако, в «Роторном гидроударном насосе — теплогенераторе» [18] совмещена зона кавитации с рабочим колесом насоса, что снижает ресурс и производительность последнего (см. [27]), а также эффективность всей нагревательной системы. Это присуще всем подобным аппаратам (в частности, [30], [33], [36], [37]). Большой момент инерции роторов, кинематически связанных с валом приводного электродвигателя — общий недостаток всех известных «вихревых» теплогенераторов динамического типа. Этот недостаток присущ, в частности, теплогенераторам марки «ТС» (производства ФГУП «СПЛАВ», г. Тула). 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 гидродинамического теплогенератора (смешанный), сочетающий преимущества статических и динамических ВНЖ и лишённый их недостатков. Оптимальными по соотношению «себестоимость — эффективность» средствами повышена эффективность и расширены функциональные возможности аппарата.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ