16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/92/6780.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 16 (92) декабрь 2007 года

Русский Гольфстрим

Наука и новые технологии Павел АНДРЕЕВ 5406

«Русский Гольфстрим» – так окрестил свое детище разработчик вихревых теплогенераторов НТК – фирма «Нотека-С».

Что же это такое – вихревые теплогенераторы? Попробуем разобраться. (Информация предоставлена компанией ООО «Инженерные технологии XXI век» – официальным представителем компании «Нотека-С» в Санкт-Петербурге и Ленинградской области).

Вихревой теплогенератор – сравнительно простое и вместе с тем весьма эффективное устройство, принцип действия которого основан на преобразовании энергии завихренного потока жидкости в тепловую энергию с использованием эффекта кавитации.

Под воздействием переменных давлений, возникающих в местах неоднородностей, жидкость в полупериод разрежения разрывается с образованием кавитационных полостей (каверн). Затем, в полупериод сжатия, эти полости схлопываются. Энергия схлопывающейся каверны приводит к генерации огромной тепловой энергии и нагревает движущуюся по замкнутому контуру жидкость.

Подобно знаменитому теплому течению, омывающему большую часть Европы, вихревые теплогенераторы способны обогреть дома людей на бескрайних просторах России.

Они предназначены для автономного теплоснабжения и обеспечения горячей водой жилых и производственных помещений:
– многоквартирных жилых домов и других объектов социальной сферы (школ, детских садов, больниц);
– объектов малого бизнеса (торговых павильонов);
– зданий-«времянок»;
– производственных помещений (цехов, гаражей, складов);
– сельскохозяйственных объектов (теплиц);
– передвижных нагревательных установок;
– коттеджей, дач.

Разработчики уверяют, что, в отличие от других генераторов тепла, вихревые обладают следующими преимуществами:
– коэффициентом преобразования энергии до 98%;
– высокой экономической эффективностью (по сравнительной стоимости тепловой энергии они превосходят все существующие отопительные системы, уступая только котлам, работающим на газе);
– долговечностью (ресурс работы определяется сроком службы электродвигателя и насоса и равняется 6‑11 годам до капитального ремонта или замены);
– минимальными трудозатратами (один человек на коттеджный поселок или микрорайон) и простотой эксплуатации;
– безопасностью работы (по сравнению с котлами на газе);
– экологической чистотой (нет выбросов продуктов горения в атмосферу);
– возможностью выбора температуры теплоносителя;
– отсутствием необходимости применять топливо (газ, уголь, нефть) – необходима только электроэнергия для питания привода гидронасоса.

Вихревые теплогенераторы имеют сертификат Госстандарта России № РОСС RU. АЯ46. В13221 от 01. 03. 2002

На сегодняшний день они обогревают здания и сооружения в 38 регионах Российской Федерации.



История создания вихревых теплогенераторов

Удивительные свойства вихря были отмечены и описаны более 150 лет назад английским ученым Джорджем Стоксом. Почти 90 лет спустя, совершенствуя циклоны для очистки газов от пыли, французский инженер Джозеф Ранке заметил, что струя газа, выходящая из центра циклона, имеет более низкую температуру, чем исходный газ, подаваемый в агрегат.

В конце 1931 г. Ранке подает заявку на устройство, названное «вихревой трубой».

Официально изобретение оформлено в 1934 г. – но не на родине, а за океаном (патент США № 1952281). Французские же ученые с недоверием отнеслись к изобретению. Они высмеяли доклад Ж. Ранке, сделанный в 1933 г. на заседании Французского физического общества. По их мнению, работа вихревой трубы, в которой происходило разделение подаваемого воздуха на горячий и холодный потоки, противоречила законам термодинамики.

Тем не менее вихревая труба позже нашла широкое применение во многих областях техники, в основном – для получения холода.

Не зная об опытах Ранке, в 1937 г. советский ученый К. Страхович в курсе лекций по прикладной газодинамике доказывал теоретически, что во вращающихся потоках газа должны возникать разности температур.

Чуть позже ленинградец В. Е. Финько отметил ряд парадоксов вихревой трубы, разрабатывая охладитель газов для получения сверхнизких температур. Он объяснил процесс нагрева газа в пристеночной области вихревой трубы «механизмом волнового расширения и сжатия газа» и обнаружил инфракрасное излучение газа из ее осевой области, имеющее полосовой спектр.

Тем не менее законченной и непротиворечивой теории эффекта вихревой трубы, несмотря на простоту устройства, до сих пор не существует. Специалисты объясняют принцип ее действия так: при раскручивании в вихревой трубе газ под действием центробежных сил сжимается у стенок, в результате чего нагревается подобно тому как нагревается воздух при сжатии в насосе. А в осевой зоне трубы он, напротив, испытывает разрежение, и, расширяясь, охлаждается. При выведении газа из пристеночной зоны через одно отверстие, а из осевой – через другое достигается разделение исходного потока на горячий и холодный.

В 1946 г. немецкий физик Роберт Хильш усовершенствовал вихревую «трубу Ранке». Однако невозможность теоретического обоснования вихревых эффектов отложила техническое применение открытия Ранке-Хильша на десятилетия.

Основной вклад в развитие основ вихревой теории в нашей стране на рубеже 1950‑1960 гг. внес профессор Александр Меркулов. До Меркулова никому просто не приходило в голову запустить в «трубу Ранке» жидкость. А произошло следующее: при прохождении жидкости через «улитку» она быстро нагревалась с аномально высокой эффективностью (коэффициент преобразования энергии – около 100%). Но опять же, полного теоретического обоснования А. Меркулов дать не смог, и до практического применения дело не дошло. Лишь в начале 1990‑х появились первые конструкции жидкостного теплогенератора, работающего на основе вихревого эффекта.



Тепловые станции

Поиски наиболее экономичных источников получения тепла для нагрева воды привели к идее использования свойств вязкости (трения) воды.

Как любое материальное тело, вода испытывает сопротивление своему движению в результате трения о стенки направляющей системы (трубы). Однако, в отличие от твердого тела, которое в процессе такого взаимодействия (трения) разогревается и частично начинает разрушаться, приповерхностные слои воды тормозятся, снижают скорость у поверхности и завихряются. При достижении достаточно высоких скоростей завихрения жидкости вдоль стенки направляющей системы (трубы) начинает выделяться тепло поверхностного трения.

Возникает эффект кавитации, заключающийся в образовании пузырьков пара, поверхность которых вращается с большой скоростью за счет кинетической энергии вращения. Противодействие внутреннему давлению пара и кинетической энергии вращения оказывают давление в массе воды и сила поверхностного натяжения. Таким образом создается состояние равновесия – до момента, пока пузырьки не сталкиваются с препятствием при движении потока или друг с другом. Происходит процесс упругого столкновения и разрушения оболочки с выделением импульса энергии.

Как известно, величина мощности энергии импульса определяется крутизной его фронта. В зависимости от диаметра пузырьков фронт импульса энергии в момент разрушения пузырька будет иметь различную крутизну,  следовательно, и различное распределение энергетического спектра частот.

При определенной температуре и скорости завихрения возникают пузырьки пара, которые, ударяясь о препятствия, разрушаются с выделением импульса энергии в низкочастотном (звуковом), оптическом и инфракрасном диапазоне частот. При этом температура импульса в инфракрасном диапазоне при разрушении пузырька может составлять десятки тысяч градусов Цельсия. Размеры образующихся пузырьков и распределение плотности выделяемой энергии по участкам диапазона частот пропорциональны линейной скорости взаимодействия трущихся поверхностей воды и твердого тела и обратно пропорциональны давлению в воде. В процессе взаимодействия поверхностей трения в условиях сильной турбулентности для получения тепловой энергии, сосредоточенной в инфракрасном диапазоне, необходимо сформировать микропузырьки пара размером 500‑1500 нм, которые при столкновении с твердыми поверхностями или в областях повышенного давления «лопаются», создавая эффект микрокавитации с выделением энергии в тепловом инфракрасном диапазоне.

Однако при линейном движении воды в трубе при взаимодействии со стенками направляющей системы эффект преобразования энергии трения в тепло оказывается небольшим. И, хотя температура жидкости на внешней стороне трубы оказывается несколько выше, чем в центре трубы, особого эффекта нагрева не наблюдается. Поэтому одним из наиболее рациональных способов увеличения поверхности трения и времени взаимодействия трущихся поверхностей является закручивание воды в поперечном направлении, т. е. искусственное завихрение в поперечной плоскости. При этом возникает дополнительное турбулентное трение между слоями жидкости.

Вся сложность возбуждения трения в жидкости состоит в том, чтобы удержать жидкость в положении, когда поверхность трения оказывается наибольшей, а также достичь состояния, при котором давление в массе воды, время, скорость и поверхность трения были бы оптимальны для определенной конструкции системы и обеспечивали заданную теплопроизводительность.

Физика возникновения трения и причины возникающего при этом эффекта выделения тепла, в особенности между слоями жидкости или между поверхностью твердого тела и поверхностью жидкости, изучена пока еще недостаточно.

Задача строительства жидкостных (водяных) генераторов тепла состоит в поиске конструкций и способов управления массой водного переносчика, при которых можно было бы получать наибольшие поверхности трения, удерживать в генераторе массу жидкости в течение определенного времени, чтобы получить необходимую температуру, и обеспечивать при этом достаточную пропускную способность системы.

С учетом этих условий в настоящее время строятся тепловые станции, включающие в себя двигатель (как правило, электрический), который механическим путем приводит в движение воду в генераторе тепла, и насос, обеспечивающий необходимую прокачку воды.
Поскольку количество тепла в процессе механического трения пропорционально скорости движения поверхностей трения, то для увеличения скорости взаимодействия трущихся поверхностей используется разгон жидкости в поперечном направлении (перпендикулярном к направлению основного движения) с помощью специальных завихрителей или дисков, вращающих поток жидкости. Таким образом создается вихревой процесс и реализуется идея вихревого теплового генератора.

Однако конструирование подобных систем является сложной технической задачей в силу того, что необходимо найти оптимальную область параметров линейной скорости движения, угловой и линейной скорости вращения жидкости, коэффициентов вязкости и теплопроводности. Кроме того, нужно не допустить фазового перехода жидкости в парообразное или пограничное состояние, когда диапазон выделения энергии переместится в оптический или звуковой диапазон – т. е. когда превалирующим станет процесс приповерхностной кавитации в оптическом и низкочастотном диапазоне, разрушающий поверхность, на которой образуются кавитационные пузырьки.



Принцип работы

Тепловая установка включает: вихревой теплогенератор (активатор), электродвигатель (электродвигатель и тепловой генератор установлены на опорной раме и механически соединены муфтой) и аппаратуру автоматического управления.

Вода от насоса прокачки поступает во входной патрубок теплового генератора и выходит из выходного патрубка с температурой 70‑95о С.

Производительность насоса прокачки, обеспечивающая необходимое давление в системе и прокачку воды через тепловую установку, рассчитывается для конкретной системы теплоснабжения объекта. Для обеспечения охлаждения торцевых уплотнений активатора давление воды на выходе из активатора должно быть не менее 0,2 МПа (2 атм.).

При достижении заданной максимальной температуры воды на выходном патрубке, по команде от датчика температуры тепловая установка выключается. При охлаждении воды до достижения заданной минимальной температуры по команде от датчика температуры тепловая установка включается. Разница между задаваемыми температурами включения и выключения должна быть не менее 20о С.

Устанавливаемая мощность теплового узла выбирается исходя из пиковых нагрузок. Для выбора необходимого количества тепловых установок пиковая мощность делится на мощность тепловых установок из модельного ряда. При этом лучше устанавливать большее число менее мощных установок. При пиковых нагрузках и при начальном разогреве системы будут работать все установки, в осенне-весенние сезоны будет работать только часть установок. При правильном выборе количества и мощности тепловых установок, в зависимости от температуры наружного воздуха и теплопотерь объекта, установки работают 8‑12 часов в сутки.

Не рекомендуется использовать в тепловом узле только одну установку. При использовании одной тепловой установки необходимо иметь резервное устройство отопления.

Тепловая установка надежна в работе, обеспечивает экологическую чистоту в работе, компактна и высокоэффективна по сравнению с любыми другими нагревательными устройствами, не требует и согласований с энергоснабжающей организацией на установку, проста конструктивно и в монтаже, не требует химической подготовки воды, пригодна к использованию на любых объектах. Тепловая станция полностью укомплектована всем необходимым для подключения к новой или существующей системе отопления, а конструкция и размеры упрощают размещение и монтаж. Станция работает автоматически в заданном диапазоне температур, не требует дежурного обслуживающего персонала.
Тепловая станция сертифицирована и соответствует ТУ 3631‑001‑78515751‑2007.



Теплогенераторы на основе вихревой трубы

Вихревую трубу теплогенератора присоединяют инжекторным патрубком к фланцу центробежного насоса, подающего воду под давлением 4‑6 атм. Попадая в улитку, поток воды сам закручивается в вихревом движении и поступает в вихревую трубу, длина которой в 10 раз больше ее диаметра. Закрученный вихревой поток в трубе перемещается по винтовой спирали у стенок трубы к ее противоположному (горячему) концу, заканчивающемуся донышком с отверстием в центре для выхода горячего потока. Перед донышком закреплено тормозное устройство – спрямитель потока, выполненный в виде нескольких плоских пластин, радиально приваренных к центральной втулке, соосной с вихревой трубой.

Когда вихревой поток в трубе движется к спрямителю, в осевой зоне трубы образуется противоток. В нем вода, тоже вращаясь, движется к штуцеру, врезанному в плоскую стенку улитки соосно с трубой и предназначенному для выпуска «холодного» потока. В штуцере установлен еще один спрямитель потока, аналогичный тормозному устройству. Он служит для частичного превращения энергии вращения «холодного» потока в тепло. Выходящая теплая вода направляется по байпасу в патрубок горячего выхода, где она смешивается с горячим потоком, выходящим из вихревой трубы через спрямитель. Из патрубка нагретая вода поступает либо непосредственно к потребителю, либо в теплообменник, передающий тепло в контур потребителя. В последнем случае отработанная вода первичного контура (уже с меньшей температурой) возвращается в насос, который вновь подает ее в вихревую трубу через патрубок.



Особенности монтажа

Теплогенератор на основе «вихревой» трубы должен подключаться к системе отопления на гибкой подводке.

При первом включении теплогенератора, до его выхода на рабочий режим, прямая магистраль системы отопления должна быть перекрыта, то есть теплогенератор должен работать по «малому контуру». Теплоноситель в баке-аккумуляторе нагревается до температуры 50‑55о С. Затем производится периодическое открытие крана на выходной магистрали на 1/4 хода. При увеличении температуры в магистрали системы отопления кран открывается еще на1/4 хода.

Данная процедура обусловлена тем, что при резкой подаче холодной воды на вход «вихревой» трубы, вследствие ее малой мощности, может произойти «срыв» вихря и потеря эффективности работы тепловой установки.

СРО, Генерация, Мощность, Теплопровод , Теплоснабжение, Топливо, Электроэнергия , Энергия , Кабельная арматура, Провод,

Русский ГольфстримКод PHP" data-description="«Русский Гольфстрим» – так окрестил свое детище разработчик вихревых теплогенераторов НТК – фирма «Нотека-С». <br> <br>Что же это такое – вихревые теплогенераторы? Попробуем разобраться. (Информация предоставлена компанией ООО «Инженерные технологии XXI век» – официальным представителем компании «Нотека-С» в Санкт-Петербурге и Ленинградской области). <br>" data-url="https://www.eprussia.ru/epr/92/6780.htm"" data-image="https://www.eprussia.ru/upload/iblock/b76/b763362798438ae568c0259a1ff7e810.gif" >

Похожие Свежие Популярные