Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 212.

Как повысить эффективность вихревых нагревателей жидкости

В настоящее время в ряде регионов России ведутся интенсивные разработки вихревых нагревателях жидкости (ВНЖ). В частности, подобная продукция выпускается рядом фирм Москвы, Ижевска и Пензы.

ВНЖ - устройства гидродинамического типа. От существующих электронагревателей они отличаются более высокой эффективностью - отношением производимой теплоты к потребляемой энергии.

По заключению ракетно-космической корпорации "Энергия" № 77-6/33 от первого декабря 1994 г., средний условный коэффициент преобразования энергии ВНЖ на 23% выше по сравнению с электродными теплогенераторами и на 42% - по сравнению с ТЭНами.



Типы современных нагревателей

Можно выделить три основные разновидности ВНЖ:
- статические тангенциальные;
- статические аксиальные;
- динамические.

К статическим относятся ВНЖ, не содержащие подвижных деталей. Разновидности их различаются по характеру ввода потока в рабочую камеру.

К динамическим относятся ВНЖ, в которых активация рабочего тела происходит подвижными активаторами.

Элементами статического ВНЖ служат завихритель, рабочая вихревая камера с выходным патрубком и тормозное устройство. Иногда ВНЖ дополнительно содержит перепускную магистраль.

Завихритель выполнен в виде улитки, подводящей поток холодной воды из насоса на периферию цилиндрической вихревой камеры. В камере поток закручивается и движется к осевому выходному патрубку, перед которым тормозится специальным устройством. В процессе вихревого движения и торможения жидкость в рабочей камере активируется, нагревается, и из выходного патрубка выходит горячая вода. Часть воды для повышения эффективности может отводиться с выхода нагревателя на вход через перепускную магистраль.

Еще проще конструкция статического ВНЖ с аксиальным вводом потока жидкости.

Основными элементами такого нагревателя служат рабочая камера с входным патрубком и сужающее устройство с выходным патрубком. Иногда ВНЖ дополнительно содержит турбулизатор. Сужающее устройство (диафрагма, сопло, дроссель, фильера и т.п.) статического нагревателя обычно представляет собой установленную в рабочей камере перегородку с отверстием.

В динамических ВНЖ активацию рабочего тела производят приводные элементы роторного типа, кинематически связанные с источником крутящего момента.

Активатор, как правило, жестко сидит на приводном валу и вращается в цилиндрической рабочей камере, снабженной входным и выходным патрубками, а также тормозным устройством. При подаче во входной патрубок холодная вода закручивается вращающимся активатором, ускоряется, активируется и нагревается. Это происходит в процессе движения в сторону неподвижного тормозного устройства, на котором поток затормаживается, дополнительно активируется и нагревается. Через выходной патрубок горячая вода подается к потребителю.

Разновидности нагревателя такого типа отличаются между собой конструкциями активаторов и тормозных устройств. К этому типу относится и изобретенный автором гидроимпульсный нагреватель - один из наиболее перспективных видов ВНЖ.



Причины высокой производительности

Несмотря на отсутствие подвижных частей и низкую стоимость статических нагревателей, динамические ВНЖ более перспективны, поскольку обеспечивают значительно большую эффективность.

Температура воды на выходе ВНЖ может достигать точки кипения при общих затратах энергии на нагревание воды, явно недостаточных для получения такого результата.

При часто используемой калориметрической процедуре измеренное приращение количества тепла, производимого генератором за единицу времени, может существенно превысить измеренную за то же время потребляемую генератором энергию. Эффективность нагревания становится особенно заметной, когда температура исходной воды, подвергаемой механоактивации, составляет 66,5 ± 3,5 оС. Затраты энергии на нагревание воды с начальной температурой t = 66,5 оС до точки кипения минимальны и явно неэквивалентны потребному для этой цели количеству тепла.

Предложены различные гипотезы о причинах сверхпроизводительности ВНЖ. Наиболее убедительной причиной выделения избыточного тепла в ВНЖ представляется механоактивация жидкости.

Многие физические свойства жидкости могут обратимо изменяться в результате ее механической обработки. Так, например, значения относительной статической диэлектрической проницаемости, теплоемкости, коэффициента преломления света и другие показатели механоактивированной воды могут существенно отличаться от справочных значений для обычной воды.

Причиной этих отличий служат кавитационные явления. Развитая кавитация в рабочем теле сопряжена с наличием обширных поверхностей раздела фаз (в каждом кубическом миллилитре жидкости содержится до 105 кавитационных каверн со средним диаметром около 10 мкм). Диэлектрическая проницаемость воды в тонкой пленке или в капле, начиная с определенной толщины пленки (или диаметра капли), становится значительно меньшей проницаемости воды в свободном объеме. При уменьшении толщины плоского слоя воды от 40 до 10 мкм ее относительная диэлектрическая проницаемость постепенно уменьшается почти на порядок. Подобный процесс наблюдается и при уменьшении диаметра капли воды от 60 до 10 мкм.

Толщина поверхностного слоя воды, в котором частично сохраняется дальний порядок молекул, составляет приблизительно 20 мкм, а толщина частично упорядоченного поверхностного слоя капли воды - 30 мкм. Эффективные толщины поверхностных слоев для плоской поверхности и капли составляют около 11 мкм и 16 мкм соответственно. При убывании толщины плоского слоя воды и диаметра капли значение диэлектрической проницаемости воды в пределе стремится к величине, близкой к диэлектрической проницаемости льда в его наиболее распространенной кристаллической модификации. Это дает основание предполагать, что не только диэлектрическая проницаемость, но и удельная теплоемкость может приближаться к параметрам твердой фазы.

Так как удельная теплоемкость воды в два раза превышает удельную теплоемкость льда, изменение теплоемкости воды при переходе из жидкого состояния в частично упорядоченное, подобное льду, сопровождается значительным тепловыделением.



ВНЖ с роторным нагревателем

Автором предлагается принципиально новая разновидность ВНЖ с роторным активатором, приводимым от турбины.

В нем привод роторов-активаторов осуществляется прокачиваемым через генератор рабочим телом. Рабочие камеры расположены на периферии первого ротора, являющегося активной гидротурбиной. Второй ротор выполнен в виде реактивной гидротурбины. Роторы вращаются в противоположные стороны. Гидроудары циклически генерируются перекрытием вторым ротором срезов части рабочих камер. Гидроударные волны перепускаются в тыловые осевые зоны рабочих камер. Конструкцией предусмотрены также средства саморегулирования энергообмена роторов с рабочим телом, которые обеспечивают большую амплитуду и широкий частотный спектр колебаний, а также высокую эффективность кавитации при малом гидравлическом сопротивлении.

Дополнительные области применения агрегата - безопасный подогрев горюче-смазочных материалов (в аэродромных заправщиках и контейнерных заправочных станциях), диспергирование, гомогенизация, аэрация стоков и обеззараживание воды, экстрагирование.



Современные средства нагрева

В настоящее время в промышленности используются котлы с принудительной подачей рабочего тела в зону парообразования. В них рабочее тело питательным насосом прокачивается через экономайзер в зону парообразования. Но при этом не используется возможность повысить температуру рабочего тела прямым воздействием штатного питательного насоса и снизить тем самым удельный расход топлива.

Используются также гидродинамические генераторы волн в жидкости. Известны каскадные соединения таких генераторов - последовательные и параллельные. Но эти аппараты не нагревают рабочее тело и не могут быть средством повышения КПД паровых котлов.

Кроме того, для автономного отопления и горячего водоснабжения применяются тепловыделяющие кавитационные аппараты (альтернатива паровым котлам). Нагрев рабочего тела при автономной работе в них вынужденно начинается с начальной (сетевой) температуры, не превышающей обычно двадцати градусов Цельсия. Это влечет большие затраты энергии и увеличивает срок окупаемости кавитационых аппаратов (как статических, так и динамических). В статических аппаратах отсутствуют подвижные конструктивные элементы и необходимо наличие тормозного устройства, имеющего большое гидравлическое сопротивление.

Динамические кавитационные аппараты имеют роторные (перфорированные либо лопаточные) активаторы, жестко скрепленные с приводными валами, а также неподвижные (образованные полостью корпуса) рабочие камеры с входным и выходным патрубками. Среди агрегатов такого рода известны средства создания автоколебаний в рабочей камере, сходные с новым авторским устройством. Например, в изобретении "Роторный гидроударный насос-теплогенератор" зона кавитации совмещена с рабочим колесом насоса, что снижает и КПД последнего, и эффективность всей нагревательной системы. Это присуще и другим кавитационным аппаратам.

Аналоги авторского изобретения (по назначению) в области сжигания тяжелых фракций нефти - это прямоструйные паромазутные форсунки эжекционного типа. Но они наносят экологический и экономический ущерб по причине недостаточной дисперсности распыления и неполного сгорания топлива.



Как повысить КПД теплогенератора?

Прототипом нового изобретения был выбран кавитационно-вихревой теплогенератор, содержащий роторы, вращающиеся в противоположных направлениях, нагнетательный и выпускной патрубки прокачки рабочего тела, корпус-статор. Два его перфорированных ротора размещены в расточках статора и закреплены на валах, которые установлены в уплотнительных и подшипниковых узлах. При этом имеется возможность их вращения в противоположных направлениях. Внутренние кольцевые выступы статора также перфорированы.

Однако прототип имеет недостатки. Тепловыделение в нем происходит в хаотических (турбулентных) потоках за счет диссипации (рассеивания) энергии на местных гидравлических сопротивлениях. Необходимость малых зазоров между роторами и статорами делают конструкцию дорогой (как и радиальные уплотнения вала с выносными подшипниковыми узлами и два электродвигателя).

Поэтому автором была поставлена задача: оптимальными средствами повысить эффективность генератора и расширить его функциональные возможности - в частности, создать условия для более полного сжигания нефтепродуктов и повышения КПД паровых котлов.

Как эта задача решается?



Принцип действия гидроимпульсного нагревателя

В паровом котле рабочее тело прокачивают питательным насосом через экономайзер, где тепло продуктов сгорания топлива нагревает рабочее тело до температуры не ниже 336 оК. Из экономайзера рабочее тело направляют в зону кавитационного и волнового воздействия, например в генератор. Развитая кавитация рабочего тела приводит к обширным поверхностям раздела фаз (в каждом кубическом миллилитре жидкости содержится порядка 105 парогазовых пузырьков со средним диаметром около 10 мкм). Время сжатия кавитационного пузырька очень мало, процесс его коллапса происходит адиабатически. Поэтому внутри пузырьков давление может повышаться до величины 108 Па, а температура увеличиваться до 104 °С. Происходит высвобождение внутренней энергии рабочего тела, в результате чего оно скачкообразно закипает. При этом затраты энергии питательного насоса на генерацию кавитации и волн несопоставимо меньше, чем высвобожденная внутренняя энергия рабочего тела (в виде теплоты).

Принцип действия аппарата таков. Рабочее тело прокачивается питательным насосом через генератор, нагнетаясь в патрубок и выпускаясь из патрубка. Внутри корпуса оно попадает в завихрители шести рабочих камер. В камерах разделяется на отдельные закрученные потоки, имеющие резкие пульсации давления, сдвиговые напряжения и области разрыва. В результате образуются многочисленные кавитационные каверны, схлопывание которых приводит к генерированию ультразвуковых колебаний. Последние вызывают вторичную кавитацию (лавинообразный процесс с положительной обратной связью). Гидроударные волны создают в рабочем теле значительные знакопеременные напряжения и сдвиговые деформации, изменяющие его физические свойства, что повышает интенсивность технологических процессов.

В агрегате происходит подогрев питательной воды отходящими газами в экономайзере до температуры не ниже 336 оК и последующее направление ее в генератор, а из него - в зону подвода внешней теплоты. В итоге обеспечивается повышение КПД котла при несопоставимо малых затратах энергии питательного насоса на проталкивание воды через генератор.

Прямое влияние питательных насосов паровых котлов на нагрев рабочего тела дает большой экономический эффект, поскольку повышение КПД котлов эквивалентно снижению расхода топлива, а тепловыделение всех реализованных до сих пор автономных кавитационных аппаратов меньше, чем одного крупного промышленного котла.

Хотя в настоящее время и известны автономные нагреватели кавитационного типа, но для динамических аналогов необходим энергоемкий привод валов роторов, кроме того - в них велико гидравлическое сопротивление. А тепловая эффективность статических кавитационных аппаратов очень мала. Поэтому аналоги непригодны для достижения заявляемого технического результата при совместной работе со штатными питательными насосами котлов.

Новое же устройство производит комбинированное (кавитационно-волновое воздействие) на рабочее тело, обеспечивающее количественно больший его нагрев при равной с аналогами потребляемой мощности.

Сергей ГЕЛЛЕР

В 213 выпуске читайте: Рынок компрессоров: цена сжатого воздуха