close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Перспективы использования кавитационно-вихревых аппаратов в энергетике и теплоснабжении..pdf

код для вставкиСкачать
magazine_2_2007.qxp
16.04.2007
10:34
Page 19
Теплоэнергетика
19
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 механиче(
ской энергии. Для возбуждения кавитационного
режима используется вихревой эффект. Первенство
в создании вихревого нагревателя жидкости (ВНЖ)
принадлежит профессору Куйбышевского авиацион(
ного института А.П.Меркулову(1960(е годы). Энерго(
ресурсы в те годы особо не считали, поэтому откры(
тие 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 отапли(
ваемой системы. С помощью ВНЖ можно нагревать
любые жидкости, в то время, как ТЭНы пожароопас(
ны и подвержены воздействию накипи.
Известно два типа ВНЖ. Статические аппараты
не содержат подвижных деталей и отличаются низ(
кой себестоимостью, высокой надёжностью в работе;
содержат завихритель, камеру с выходным патруб(
ком и тормозным устройством. Эффективность ста(
тических ВНЖ мала, они неэкономичны. К динами+
ческому типу относятся ВНЖ, в которых имеются
роторы, связанные кинематически с источником
крутящего момента. Динамические ВНЖ обеспечи(
вают значительно большую эффективность, чем ста(
№ 2 (14), 2007
тические, но имеют свои недостатки. Подробнее оба
типа описаны ниже.
Авторская разновидность ВНЖ (гидроимпульс(
ная, турбинного типа) представляет собой новый тип
ВНЖ (смешанный), сочетающий преимущества ста(
тических и динамических ВНЖ.
Рабочий процесс ВНЖ описан на основе теории
структурирования жидкости, разработанной киев(
ским профессором И.М.Федоткиным. Согласно этой
теории, значения относительной статической диэлек(
трической проницаемости e, теплоемкости С, других
показателей структурированной воды могут суще(
ственно отличаться от справочных значений (приня(
тых для обычной воды). Причиной этих отличий слу(
жат 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 теплоемко(
сти воды при переходе из жидкого состояния L1 в
структурированное, подобное льду состояние L2,
сопровождается избыточным тепловыделением Qизб:
L1 Æ L2 + Q изб. .
(1)
Количество тепла Q, выделяющееся при работе
ВНЖ, представляет собой сумму двух составляющих:
(2)
Q = Qизб + DQ,
где Qизб вызвано экзотермическим превращением
воды (теплота перехода L1 Æ L2 ), а DQ получено путем
преобразования электроэнергии U в эквивалентную ей
теплоту.
magazine_2_2007.qxp
16.04.2007
10:34
Page 20
Энергобезопасность в документах и фактах
20
Qизб зависит от интенсивности кавитации, степе(
ни различия молярных теплоемкостей воды в сво(
бодном и структурированном состояниях, а также
начальной температуры воды:
(3)
Q = (k m ) m C - C (T - T ),
изб
1
(
В1
В2
)
1
пл
где CВ и CВ ( удельные теплоемкости при постоян(
1
2
ном давлении свободной воды L1 и кавитирующей
воды L2, соответственно;
CВ2 можно представить в виде CВ2 = k2C л , где
k2 (1 £ k2 < 2) ( константа, характеризующая сте(
пень отличия теплоемкости CВ2 структурированной
воды (фаза L2) от теплоемкости льда Cл;
k1 ( коэффициент структурирования воды,
вызванного кавитацией (массовая парциальная доля
частично упорядоченной фазы В2 в активированной
воде), k1 = m В2 m В1 + m В2 , 0 < k1 £ 1;
m ( масса структурированной воды;
T1 и Tпл ( температура воды, поступающей в
ВНЖ, и точка плавления льда, соответственно;
m = 18,015 ( молярная масса воды.
В случае полного структурирования k1 = k2 = 1,
Qизб = km ( T1 + Tпл ),
где k ( постоянная, k @ 2,1 ◊103 Дж/К·кг.
(
)
Т2 = Т1 + Qизб / (m Cв).
Таким образом, в ВНЖ происходит дополни+
тельное тепловыделение Qизб.
В замкнутой схеме работы (ВНЖ 1, насос 2 и
теплообменник 3 соединены последовательно, рис.1)
выделение теплоты Qизб происходит без изменения
энергосодержания контура.
Теплопроизводительность контура за время
определяют по перепаду температуры на теплооб(
меннике Т = Т2 ( Т1 и расходу G воды:
(4)
Q = k DTGt ,
где k ( коэффициент пропорциональности.
Эффективность работы ВНЖ:
h = Q U,
Рис.1
превысит единицу! Закон сохранения энергии не
нарушается, процесс проходит по обратному термо(
динамическому циклу[2, 3]. Такой режим обеспечи(
вается не только самим ВНЖ, но и методом отбора
тепла от внешнего низкотемпературного источни+
ка — системы водоснабжения — с затратой механи(
ческой работы.
С учётом изложенных тенденций автором разрабо(
тана принципиально новая разновидность ВНЖ с
роторным активатором(турбиной, приводимой теку(
щим рабочим телом (патентная заявка RU2005136836),
(рис. 3).
Вихревые камеры в аппарате нового типа распо(
ложены на периферии первого ротора, являющегося
(5)
где U ( электроэнергия, потребляемая насосом за
время t, а h всегда £ 1, поскольку DQ £ U .
Эффективность ВНЖ определяется с помощью
калориметра (рис. 1). По изменению температуры Т
образцовой жидкости в резервуаре за время t можно
определить количество тепла DQ, отданного теплооб(
менником образцовой жидкости за это время, и
достоверно оценить эффективность ВНЖ по форму(
ле (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 систе(
ме (подобной изображённой на рис. 4) являются зло(
намеренными спекуляциями.
Но совсем иначе обстоят дела при разомкнутой
схеме работы ВНЖ (от "магистрали(донора" ( тру(
бопровода проточной воды) (рис.2). Если возвра(
щать в магистраль ( донор релаксирующую воду, а
в ВНЖ постоянно подавать "свежую" (с неиспользо(
ванной для тепловыделения внутренней энергией),
эффективность нагревательной системы заметно
Рис.2
№ 1 (13), 2007
magazine_2_2007.qxp
16.04.2007
10:34
Page 21
Теплоэнергетика
21
активной гидротурбиной. Второй ротор выполнен в
виде реактивной гидротурбины. Роторы вращаются
в противоположном направлении, при этом цикличе(
ски генерируются гидроудары (путём перекрытия
вторым ротором срезов части вихревых камер).
Гидроударные волны перепускаются в тыловые
зоны открытых камер. Предусмотрены оригиналь(
ные средства саморегулирования энергообмена рото(
ров с рабочим телом (положительная обратная
связь). Всё это обеспечивает высокую эффектив(
ность кавитации при малом гидравлическом сопро(
тивлении. Оптимальными по соотношению "себесто(
имость ( эффективность" средствами повышена
эффективность и расширены функциональные воз(
можности аппарата (направленные, в частности, на
повышение КПД паровых котлов). Конструкция
аппарата по рис. 3 обеспечивает уход от общего недо(
статка аналогов ( наличия валов с жёстко посажен(
ными на них роторами (см. ниже).
Рис.3
Рис.4
№ 2 (14), 2007
magazine_2_2007.qxp
16.04.2007
10:34
Page 22
Энергобезопасность в документах и фактах
22
Чтобы принципиальные отличия нового
ВНЖ стали понятны читателю, рассмотрим
особенности известных типов КА.
В статических КА отсутствуют подвиж(
ные конструктивные элементы и необходимо
наличие тормозного устройства, имеющего
большое гидравлическое сопротивление.
Динамические КА имеют роторные (пер(
форированные, либо лопаточные) активато(
ры, жёстко скрепленные с приводными
валами, а также образованные полостью кор(
пуса неподвижные рабочие камеры с вход(
ным и выходным патрубками [4]. Большой
момент инерции роторов, кинематически свя(
занных с валом приводного электродвигате(
ля, ( общий недостаток всех известных ВНЖ
динамического типа. Среди КА такого рода
известны такие, в которых организованы
автоколебания в рабочей камере [5, 6], а зона
кавитации совмещена с рабочим колесом
насоса, что снижает его КПД [7] и ресурс.
Рис. 5. Использование изобретения для интенсификации
и сокращения токсичности сгорания
Применение изобретения совместно с котлами
Нагрев рабочего тела при автономной работе рас(
смотренных выше КА начинается с начальной (сете(
вой) 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 прокачива(
ется через экономайзер в зону парообразования. При
этом не используется впервые найденная автором воз(
можность 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
адиабатически. Внутри пузырьков давление может
повышаться до величины 108 Па , а температура уве+
личиваться до 104 °С [9]. Происходит высвобождение
внутренней энергии рабочего тела, в результате чего
последнее скачкообразно закипает [8]. Затраты энер(
гии питательного насоса на генерацию кавитации и
волн несопоставимо меньше, чем высвобожденная вну(
тренняя энергия рабочего тела (в форме теплоты).
Отдельно необходимо сказать об использовании
изобретения для интенсификации и сокращения ток(
сичности 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 ( гидродинамиче(
ский генератор, 21( насос, 22( форсунка, 23 ( камера
сгорания с рубашкой охлаждения 24, 25 ( теплообмен(
ник, 26 ( расходный бак, 27 ( эжектор, 28 ( двухканаль(
ный регулятор расхода, 29 ( газовая горелка.
На рис. 6 изображена зависимость перепада тем(
ператур 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 коммуни(
каций
Повышение КПД существующих газовых и мазутных
котлов путём придания нового качества штатным пита(
тельным насосам
Снижение токсичности выбросов и повышение эффек(
тивности сжигания тяжёлых фракций нефти путём
кавитационно(волнового воздействия на мазут и попут(
ной организации оптимальных теплотехнических усло(
вий для сгорания активированной паромазутной смеси
Снижение расхода дизтоплива установок нагрева рабо(
чих растворов при гидроразрыве пласта (ГРП) на нефте(
и газопромыслах
Как автономная отопительная система (альтернатива
котельным)
Как встраиваемый между экономайзером и кипятильны(
ми трубами модуль (полностью оригинальное решение)
2
3
4
Как система дооснащения топок (есть менее совершенные
аналоги ( миксеры, в которых на водомазутную смесь про(
изводится энергоёмкое механическое воздействие, а
также ультразвуковые форсунки для сжигания мазута).
Конструктивно новое решение более прогрессивно
Как система дооснащения автоцистерны ГРП(коммер(
циализация такого конструкторского решения позволит
вытеснить с рынка прямотрубные американские котлы
на дизтопливе, которые требуют неоправданно большо(
го расхода дизтоплива)
№ 2 (14), 2007
magazine_2_2007.qxp
16.04.2007
10:34
Page 23
Теплоэнергетика
Рис. 6. График зависимости перепада температур на выходе
и входе ВНЖ от подачи и окружной скорости ротора
23
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, мобиль(
ных 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 тяжё(
лых углеводородных топлив, сопутствующего сни(
жению 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.
№ 2 (14), 2007
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
7
Размер файла
513 Кб
Теги
теплоснабжение, энергетика, использование, вихревых, кавитационно, pdf, аппаратов, перспективы
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа