Как да увеличим ефективността на вихровите флуидни нагреватели - Енергия на Украйна

В момента в редица региони на България се развиват интензивно вихрови течни нагреватели (ВТН). По-специално такива продукти се произвеждат от редица фирми в Москва, Ижевск и Пенза.

VNZH - устройства от хидродинамичен тип. Те се различават от съществуващите електрически нагреватели с по-висока ефективност - съотношението на произведената топлина към консумираната енергия.

Видове съвременни нагреватели

Има три основни вида разрешения за пребиваване:

статичен тангенциален;
статичен аксиален;
динамичен.

Статичните разрешения за пребиваване включват разрешения за пребиваване, които не съдържат движещи се части. Техните разновидности се различават по естеството на потока, входящ в работната камера.

Динамичните разрешения за пребиваване включват разрешения за пребиваване, при които активирането на работния флуид става от мобилни активатори.

Елементите на статичното разрешение за пребиваване са завихрител, работеща вихрова камера с изходяща тръба и спирачно устройство. Понякога разрешението за пребиваване допълнително съдържа байпасна линия.

Завихрителят е направен под формата на спирала, която отвежда потока студена вода от помпата към периферията на цилиндричната вихрова камера. В камерата потокът се завихря и се придвижва към аксиалната изходяща тръба, пред която се спира от специално устройство. В процеса на вихрово движение и спиране течността в работната камера се активира, нагрява и от изходната тръба излиза гореща вода. Част от водата може да бъде отклонена от изхода на нагревателя към входа чрез байпасна линия за подобряване на ефективността.

Дори по-опростен е дизайнът на статично разрешително за пребиваване с аксиален вход за флуиден поток.

Основните елементи на такъв нагревател са работна камера с входна тръба и стеснително устройство с изходразклонителна тръба. Понякога разрешението за пребиваване допълнително съдържа турбулатор. Устройството за стесняване (диафрагма, дюза, дросел, центрофуга и т.н.) на статичен нагревател обикновено е преграда с отвор, монтиран в работната камера.

В динамичните разрешения за пребиваване активирането на работния флуид се извършва от задвижващи елементи от ротационен тип, кинематично свързани с източника на въртящ момент.

Активаторът, като правило, седи неподвижно на задвижващия вал и се върти в цилиндрична работна камера, оборудвана с входящи и изходящи тръби, както и спирачно устройство. Когато се подава във входящата тръба, студената вода се завихря от въртящ се активатор, ускорява се, активира се и се нагрява. Това се случва в процеса на движение към неподвижното спирачно устройство, върху което потокът се забавя, допълнително се активира и загрява. Чрез изходната тръба се подава гореща вода към потребителя.

Причини за висока производителност

Въпреки липсата на движещи се части и ниската цена на статичните нагреватели, динамичните разрешения за пребиваване са по-обещаващи, тъй като осигуряват много по-голяма ефективност.

Температурата на водата на изхода на разрешението за пребиваване може да достигне точката на кипене с общия разход на енергия за загряване на водата, което очевидно е недостатъчно за получаване на такъв резултат.

При често използвана калориметрична процедура измереното увеличение на количеството топлина, произведено от генератора за единица време, може значително да надвиши енергията, консумирана от генератора, измерена през същото време. Ефективността на нагряване става особено забележима, когато температурата на първоначалната вода, подложена на механично активиране, е 66,5 ± 3,5 °C. Енергийните разходи за загряване на вода с начална температура t = 66,5 ° C до точката на кипене са минимални и ясноне са еквивалентни на количеството топлина, необходимо за тази цел.

Предлагат се различни хипотези за причините за свръхпроизводителността на разрешенията за пребиваване. Най-убедителната причина за отделянето на излишна топлина в VLH е механоактивацията на течността.

Много физични свойства на течността могат да се променят обратимо в резултат на нейната механична обработка. Така например стойностите на относителната статична проницаемост, топлинен капацитет, индекс на пречупване на светлината и други показатели на механично активирана вода могат да се различават значително от референтните стойности за обикновена вода.

Причината за тези разлики са явленията на кавитация. Развитата кавитация в работния флуид е свързана с наличието на обширни фазови интерфейси (всеки кубичен милилитър течност съдържа до 105 кавитационни кухини със среден диаметър около 10 микрона). Пропускливостта на водата в тънък филм или в капка, започвайки от определена дебелина на филма (или диаметър на капката), става много по-ниска от пропускливостта на водата в свободен обем. С намаляване на дебелината на плосък воден слой от 40 до 10 μm, неговата относителна диелектрична проницаемост постепенно намалява с почти порядък. Подобен процес се наблюдава и при намаляване на диаметъра на водната капка от 60 на 10 μm.

Дебелината на повърхностния слой вода, в който частично се запазва далечният ред на молекулите, е приблизително 20 µm, а дебелината на частично подредения повърхностен слой на водна капка е 30 µm. Ефективните дебелини на повърхностните слоеве за плоска повърхност и капка са съответно около 11 µm и 16 µm. Тъй като дебелината на плоския слой вода и диаметърът на капката намаляват, диелектричната константа на водата в границата клони към стойност, близка до диелектричната константа на леда в неговатанай-често срещаната кристална модификация. Това дава основание да се предположи, че не само диелектричната проницаемост, но и специфичният топлинен капацитет може да се доближи до параметрите на твърдата фаза.

Тъй като специфичният топлинен капацитет на водата е два пъти по-голям от специфичния топлинен капацитет на леда, промяната в топлинния капацитет на водата по време на прехода от течно състояние към частично подредено състояние, подобно на леда, е придружено от значително отделяне на топлина.

Разрешение за пребиваване с ротационен нагревател

Авторът предлага принципно нов вид разрешение за пребиваване с ротационен активатор, задвижван от турбина.

При него задвижването на роторите на активатора се осъществява от работната течност, изпомпвана през генератора. Работните камери са разположени по периферията на първия ротор, който е активна хидравлична турбина. Вторият ротор е направен под формата на реактивна турбина. Роторите се въртят в противоположни посоки. Хидравличните удари се генерират циклично чрез застъпване на секциите на част от работните камери с втория ротор. Хидроударните вълни се пренасят в задните аксиални зони на работните камери. В конструкцията са предвидени и средства за саморегулиране на енергийния обмен между роторите и работната течност, които осигуряват голяма амплитуда и широк честотен спектър на трептенията, както и висока кавитационна ефективност при ниско хидравлично съпротивление.

Допълнителни области на приложение на устройството са безопасно загряване на горива и смазочни материали (в летищни танкери и станции за зареждане на контейнери), диспергиране, хомогенизиране, аериране на отпадъчни води и дезинфекция на вода, екстракция.

Съвременни средства за отопление

Използват се и генератори на хидродинамични вълни в течност. Известни са каскадни връзки на такива генератори - последователни и паралелни. Но тези устройства не загряват работната течност и не го правятможе да бъде средство за повишаване на ефективността на парните котли.

Освен това за автономно отопление и захранване с топла вода се използва топлогенериращ кавитационен апарат (алтернатива на парните котли). Нагряването на работния флуид по време на автономна работа в тях е принудено да започне от първоначалната (мрежова) температура, обикновено не надвишаваща двадесет градуса по Целзий. Това води до големи разходи за енергия и увеличава периода на изплащане на устройствата за кавитация (както статични, така и динамични). При статични устройства няма движещи се конструктивни елементи и е необходимо да има спирачно устройство с голямо хидравлично съпротивление.

Как да увеличим ефективността на топлинния генератор?

Прототипът на новото изобретение е избран като кавитационно-вихров топлогенератор, съдържащ ротори, въртящи се в противоположни посоки, входящи и изходящи тръби за изпомпване на работния флуид и корпус на статора. Двата му перфорирани ротора са поставени в отворите на статора и са фиксирани върху валовете, които са монтирани в уплътнителните и лагерните възли. В този случай е възможно да ги завъртите в противоположни посоки. Вътрешните пръстеновидни издатини на статора също са перфорирани.

Прототипът обаче има недостатъци. Освобождаването на топлина в него се случва в хаотични (турбулентни) потоци поради разсейване (разсейване) на енергия върху местни хидравлични съпротивления. Необходимостта от малки хлабини между ротори и статори прави конструкцията скъпа (както и радиални уплътнения на валове с отдалечени лагерни възли и два електродвигателя).

Как се решава тази задача?

Принципът на работа на хидроимпулсен нагревател

Принципът на работа на устройството е следният. Работният флуид се изпомпва от захранваща помпа през генератора, като се инжектира в разклонителната тръба и се освобождава от разклонителната тръба.Вътре в тялото той влиза във вихрите на шест работни камери. В камерите той се разделя на отделни завихрени потоци с резки колебания на налягането, напрежения на срязване и зони на разкъсване. В резултат на това се образуват множество кавитационни кухини, чието свиване води до генериране на ултразвукови вибрации. Последните причиняват вторична кавитация (лавинообразен процес с положителна обратна връзка). Хидроударните вълни създават значителни редуващи се напрежения и деформации на срязване в работното тяло, променяйки неговите физични свойства, което повишава интензивността на технологичните процеси.

Директното влияние на захранващите помпи на парния котел върху нагряването на работния флуид дава голям икономически ефект, тъй като увеличаването на ефективността на котлите е еквивалентно на намаляване на разхода на гориво, а топлинното отделяне на всички автономни кавитационни апарати, внедрени досега, е по-малко от това на един голям промишлен котел.

Въпреки че в момента са известни самостоятелни нагреватели от кавитационен тип, динамичните аналози изискват енергоемко задвижване на роторните валове, освен това имат високо хидравлично съпротивление. А топлинната ефективност на устройствата за статична кавитация е много малка. Следователно аналозите са неподходящи за постигане на заявения технически резултат при съвместна работа със стандартни захранващи помпи за котли.

Новият уред обаче създава комбиниран (кавитационно-вълнов ефект) върху работния флуид, което осигурява количествено по-голямото му нагряване при същата консумация на енергия като аналозите.