Энергетика и промышленность России - избранные материалы.

Гидродинамические теплогенераторы в аспекте их эффективности

Мы продолжаем серию публикаций, посвященных теплогенераторам Сергея Геллера. Сегодня мы поговорим о корректности методик испытаний, используемых производителями гидродинамических аппаратов типа "вихревые теплогенераторы", а также расскажем об испытаниях макетного образца гидродинамического теплогенератора "БРАВО", имеющего тепловой КПД порядка 84 процента.

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 гг.). Энергоресурсы в те годы не считали, открытие еще долго не получало развития. В настоящее время ВНЖ производятся рядом фирм (Москва, Санкт-Петербург, Ростов-на-Дону) в России и 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. 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 процентов. При этом в таких публикациях содержатся объяснения "исключительно высокой эффективности", но вопрос, каким образом она определялась, обходится стороной. Следует также отметить, что далеко не все производители "вихревых теплогенераторов" используют корректную методику определения эффективности своей продукции.

В качестве примера приведем методику Ковровского завода имени Дегтярева (ОАО "ЗиД") - одного из двух самых известных производителей таких установок. Методика любезно предоставлена менеджером по продажам теплогенераторов ВТУ и, как он заверил, согласована с руководителем проекта господином В. П. Сысой.

Вот эта методика.



Контроль 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 помещен 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 - КПД 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.

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±15 °С с колебанием температуры t = ±2 °С и колебанием разницы температур Δt ± 0,3 °С в течение 1 часа.

3.3 После получения значения теплопроизводительности по теплосчетчику и определения потребляемой мощности определяется соотношение произведенной тепловой энергии и затраченной электрической энергии.



Методика испытаний

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 наблюдается пульсация скольжения потребляемой мощности и т. п. Вот почему допустимость замеров затраченной электроэнергии путем 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 Δt в ±0,3 °С 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 контролируемый отрезок времени.

Завод имени Дегтярева декларирует для установки ВТУ-22 КПД, равный 80 процентам. Но если демонтировать этот аппарат с электронасосного агрегата КМ100-65-200 и вместо него подключить макетный образец "БРАВО" (что было проделано в самом начале испытаний макетного образца летом 2007 г.), то один и тот же объем воды в двухсотлитровом бойлере нагревается от 22 до 70 градусов Цельсия в 1,8 раза быстрее. При этом КПД макетного образца не превышает 87,2 процента (при условии равенства единице теплоемкости механоактивированной воды). Это 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" В. С. Коптева, разработавшего методику испытаний. ЗАО "НПО "Тепловизор" специализируется в области разработки, производства и реализации многоканальных теплосчетчиков и расходомеров ВИС.Т и ВИС.МИР на базе электромагнитных преобразователей расхода на диаметры Ду 15…1420 мм. 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 2007 г.) макетный образец "БРАВО" (о его особенностях будет сказано ниже) входил, наряду с электронасосным агрегатом, трубной обвязкой и запорной арматурой, в состав теплового пункта (испытательного стенда). В тепловом пункте 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. С целью минимизации затрат на работы по измерению теплопроизводительности была реализована следующая методика экспериментов.

В тепловую установку осуществлялся 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 контролировалось визуально), массовый расход воды на входе в установку был равен массовому расходу сливаемой воды. Поэтому для измерения количества генерируемой установкой "БРАВО" тепловой энергии достаточно было измерить массовый расход холодной воды, температуру (энтальпию) воды на ее 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 процентов в диапазоне разностей температур от 2 до 10 градусов Цельсия и при расходах менее 1 процента (до 0,1 процента) от верхнего предела измерения.

При этом теплоемкость воды, подвергнутой воздействию аппаратом "БРАВО", условно принята равной единице, поскольку мы не успели пока провести замеры фактической теплоемкости 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 придется 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).

Замеры теплопроизводительности агрегата "Браво", с учетом максимально возможной погрешности измерений, показывают, что КПД установки в опробованных режимах работы находится в пределах от 75,6 до 87,2 процента. Потери в обмотках электродвигателя (теплота, отдаваемая ими окружающей среде) хорошо коррелируют с разностью между затраченной электроэнергией и верхним значением теплового КПД макетного образца "БРАВО". 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, равным единице.



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 путем 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. Все 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 жестко посаженными на них роторами, а также кавитационного износа роторов (зоны кавитации локализованы в осевых зонах рабочих камер, вне контакта с их поверхностями). Чтобы принципиальные отличия "БРАВО" от "вихревых" теплогенераторов стали понятны читателю, кратко рассмотрим особенности известных типов "вихревых" теплогенераторов.

В статических "вихревых" теплогенераторах отсутствуют подвижные конструктивные элементы и имеется тормозное устройство с большим гидравлическим сопротивлением.

Динамические "вихревые" теплогенераторы имеют размещенные в полости корпуса активаторы, жестко скрепленные с приводными валами (роторные активаторы либо лопаточный активатор). Некоторые из аппаратов снабжены средствами создания автоколебаний в потоке жидкости (сходного с "БРАВО" назначения). Однако, например, в "Роторном гидроударном насосе - теплогенераторе" (патент RU2247906) зона кавитации совмещена с рабочим колесом насоса, что снижает ресурс и производительность последнего, а также эффективность всей нагревательной системы. Это присуще всем подобным аппаратам. 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 энергоемкий привод вала ротора, дорогостоящая динамическая балансировка массивного ротора, применение выносных подшипниковых опор с радиальными уплотнениями, а также циркуляционного насоса. "ТС" требуют также применения аппаратуры плавного пуска (именно ввиду больших моментов инерции роторов).

Таким образом, сопоставление с существующими аналогами позволяет сделать вывод, что "БРАВО" представляет собой новый тип гидродинамического теплогенератора (смешанный), сочетающий преимущества статических и динамических ВНЖ и лишенный их недостатков.

Сергей ГЕЛЛЕР

Для справки:

Список наиболее известных инновационных проектов на тему "Гидродинамические теплогенераторы"
1. Вихревой нагреватель. Патент RU 2 129 686.
2. Вихревой нагреватель. Патент RU2 293 260.
3. Теплогенератор гидравлический. Заявка RU 2001109964.
4. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости. Патент RU 2 132 517.
5. Термогенерирующая установка. Патент RU 2 190 162.
6. Гидродинамический нагреватель. Заявка RU 2004 105 629.
7. Устройство для нагрева жидкости. Патент RU 2 17 1435.
8. Х. Хасанов. Термоэффект в текучих средах. В сб. "Структурно-динамические процессы в неупорядоченных средах". Изд. СГУ, Самарканд, 1992.
9. Теплогенератор Горлова. Патент RU 2204090
10. Термогенератор. Патент RU 2 177 591.
11. Патент США US4333796.
12. Вихревая система отопления. Патент RU 2 089 795.
13. Установка для нагрева жидкости и теплогенератор. Патент RU 2 135 903.
14. Теплогенератор. Патент RU 2 125 215.
15. Способ нагрева жидкости. Патент RU 2 262 046.
16. Устройство для нагрева жидкости. Патент RU 2162571.
17. Теплогенератор электрогидродинамический. Патент RU 2301946
18. Гидродинамический теплогенератор. Патент RU2247906
19. Кавитационный тепловой генератор. Патент RU 2131094.
20. Способ тепловыделения в жидкости и устройство для его осуществления. Патент RU 2177121.
21. Теплогенератор. Патент RU 2272226.
22. Кавитатор гидродинамического типа. Патент RU 2207450
23. Кавитатор для тепловыделения в жидкости. Заявка RU 97118384.
24. Способ получения тепла. Патент RU 2165054.
25. Устройство для нагрева жидкости. Патент RU 2 290 573
26. Установка для нагрева текучей среды. Патент RU 2 301 947
27. Байков О.В. Вихревые гидравлические машины. М.: Машиностроение, 1981, с.100-111.
28. Кавитационно-вихревой теплогенератор. Патент RU 2 235 950.
29. Автономная система отопления для здания. Патент RU 2162990.
30. Кавитационный энергопреобразователь. Патент RU 2224957.
31. Kavitationsrzeutung. Патентная заявка Германии DE 10 20006 161.
32. Теплогенератор. Патент RU 2307988.
33. Резонансный насос - теплогенератор. Патент RU 2142604.
34. Способ нагревания жидкости и устройство для его осуществления. Заявка RU 96104366/06.
35. Кавитационно-вихревой теплогенератор. Заявка RU 2002119773/06.
36. Роторный теплогенератор. Патент RU 2298740.
37. Насос - теплогенератор. Патент RU 2160417.
38. Способ получения энергии. Патент RU 2054604.
39. Способ тепловыделения в жидкости. Заявка RU 95110302/06.
40. Роторный гидроударный насос - теплогенератор. Патент RU 2202743.