Здравствуйте уважаемые читатели с Вами  Николай Петренко и рассылка Энергии Земли.

                             ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА

         1.Введение

                        В 90-х годах прошлого века появились первые конструкции гидродинамических генераторов тепла, работающих на основе вихревого эффекта. Удивительные свойства вихря были отмечены и описаны еще 150 лет назад классиком гидромеханики Стоксом. Наибольший  вклад в развитие вихревого эффекта в СССР внес профессор Меркулов. До него никому не приходило в голову запустить в «вихревую трубу» воду (при прохождении через которую  вода быстро нагревалась). Теоретического обоснования Меркулов дать не смог, а до практического применения дело не дошло. В настоящее время в ряде регионов РФ ведутся интенсивные разработки вихревых нагревателей  жидкости (ВНЖ). В частности, подобная продукция выпускается рядом фирм из Московского региона, Ижевска и Пензы. Стоит отметить приобретших скандальную известность «деятелей», приписывающих ВНЖ несуществующие свойства (КПД в сотни процентов). Так установка «академика» Потапова из солнечного Кишинёва работала вначале на основании “реакции термоядерного синтеза при комнатной температуре”, затем – использовала торсионные поля. В последнее же время  «модный» Потапов предпочитает не иначе, чем «энергию физического вакуума»… В подобной пене теряются  подающие  большие надежды ВНЖ.

         ВНЖ отличаются высокой эффективностью – отношением производимой теплоты к потребляемой на их привод энергии. Их использование выгодно при строительстве электрифицированных  объектов, прокладка газовых коммуникаций и труб ТЭЦ к которым невозможна или не экономична. По заключению Ракетно-космической корпорации «Энергия» №77-6/33 от 01.12.1994г., ВНЖ имеет средний условный коэффициент преобразования энергии на 23% выше по сравнению с электродными теплогенераторами  и на 42% выше по сравнению с ТЭНовыми. Температура воды на выходе ВНЖ может не соответствовать затратам  энергии на нагревание воды (подводимая энергия недостаточна для получения такого результата). С целью объяснения происхождения избыточной энергии предлагаются различные гипотезы и толкования:

- наличие систематических ошибок в измерениях теплосчетчиками тепловой энергии ввиду неоднородности рабочего тела (вихревые, турбулентные течения, газо-паро-жидкостные потоки)  затрудняют определение расхода, и даже теплоемкости (!) среды;

- протекание химических реакций и других процессов на молекулярном уровне, связанных с выделением тепла.

Механическое воздействие на жидкость в замкнутом объеме приводит к ее нагреву. Читатель может легко убедится в этом, включив обычный циркуляционный насос (например, дачный) в режиме “сам на себя”, то есть, соединив выход насоса с его входом. Через некоторое время вода в насосе закипит. Подобный опыт был поставлен Джоулем более ста лет назад. Целью эксперимента было доказать, что в результате механического воздействия на жидкость вся механическая работа может быть превращена в тепло. Это означает, что коэффициент полезного действия (КПД) преобразования механической энергии в тепловую равен 100 %. Зачем “городить огород”, спросит читатель, когда имеются прямые преобразователи электрической энергии в тепловую. Дело в том, что нагреватели, основанные на гидродинамическом способе нагрева жидкостей, лишены изъянов, присущих нагревателям, использующих ТЭНы. В частности, с их помощью можно нагревать практически любые жидкости, в то время как последние весьма требовательны к качеству подогреваемой воды.

 Вместе с тем, их КПД может быть весьма высоким, поскольку “потери” электрической энергии в насосе (с КПД~70 %) полностью идут на нагрев рабочей жидкости. Поисковые исследования экономичных источников тепла привели к  использованию свойств воды, проявляющихся при особых условиях её взаимодействия с поверхностями твердых тел, по которым она перемещается, а также между внутренними слоями жидкости (в режиме  кавитации, с образованием и схлопыванием пузырьков пара). Противодействие внутреннему давлению пара и кинетическая энергия вращения вызывают выделение тепла в жидкости. Размеры образующихся пузырьков и распределение плотности выделяемой энергии по участкам диапазона частот пропорционально линейной скорости взаимодействия трущихся поверхностей воды и твердого тела и обратно пропорционально 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 в пределах 500- 1500 нм, которые при столкновении с твердыми поверхностями или в областях повышенного давления «лопаются» с выделением энергии в тепловом инфракрасном диапазоне. Наиболее убедительной причиной  избыточного тепла в ВНЖ представляется структурирование жидкости, теория разработана киевским профессором И.М.Федоткиным.

Многие физические свойства жидкости могут обратимо изменяться в результате ее механической обработки. Так, например, значения относительной статической диэлектрической проницаемости e, теплоемкостиС, коэффициента n преломления света и др. 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 e воды в тонкой пленке или в капле значительно меньшей проницаемости воды в свободном объеме. При уменьшении толщины d плоского слоя воды от 40 до 10 мкм, ее относительная диэлектрическая проницаемость монотонно убывает от номинального значения e = 81 до значения e = 10 ± 3, т.е. уменьшается почти на порядок.

   Высокая величина статической диэлектрической проницаемости неактивированной  воды связана с высокими значениями дипольных моментов кластеров (Н₂О)_n. Уменьшение диэлектрической проницаемости воды в тонком слоев влечёт понижение ориентационной восприимчивости кластеров и  частичное «замораживание» в приповерхностных областях результирующих дипольных моментов кластеров. 

Толщина поверхностного слоя воды, в котором частично сохраняется дальний порядок молекул, составляет @ 0,5d_о (20 мкм), а толщина частично упорядоченного поверхностного слоя капли воды @ 0,5D_о (30 мкм). Эффективные толщины поверхностных слоев для плоской поверхности и капли составляют ок.11 мкм и 16 мкм соответственно. При убывании d и D, значение диэлектрической проницаемости воды в пределе стремится к величине e_min, близкой  к диэлектрической проницаемости e_л льда в его наиболее распространенной кристаллической модификации I: e_min @ e_л.

При d < d_о , D < D_о не только диэлектрическая проницаемость, но и удельная теплоемкость С_в, может приближаться к параметрам твердой фазы. Т.к. удельная теплоемкость воды в 2 раза превышает удельную теплоемкость льда, изменение теплоемкости воды при переходе из жидкого состояния В₁ в частично упорядоченное, подобное льду состояние В_2, сопровождается  значительным тепловыделением Q_изб:

            В₁ ® В₂ + Q_изб.                                                               (1)

Количество тепла, выделяющееся при возбуждении рабочего тела, зависит от теплоты фазового перехода и мощности, рассеиваемой в воде при ее структурировании:

           Q = Q_изб + DQ,                                                                (2)

где Q_изб – теплота перехода В₁ ® В₂, а

DQ – количество тепла, полученного рабочим телом в результате прямого преобразования работы в теплоту.

Количество тепла Q_изб, выделяющегося в воде при высвобождении ее внутренней энергии, можно получить, учитывая интенсивность кавитации, степень различия между собой молярных теплоемкостей воды в свободном и структурированном состояниях, начальную температуру воды:

            Q_изб = k₁m / m (C_в1 – C_в2) ( T₁ – T _пл )                         (3) , где:

            C_в1 и C_в2  – удельные теплоемкости при постоянном давлении свободной воды В₁ и кавитирующей воды в фазе В₂, соответственно.

C_в2 удобно представить в виде C_в2 = k₂C_л , где:

           k₂ –константа, характеризующая степень отличия теплоемкости C_в2 частично упорядоченной фазы воды В₂ от теплоемкости C_л кристаллографически упорядоченной фазы воды в твердом состоянии; 1 £ k₂ < 2;

          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 T _пл – температура  воды, поступающей в ВНЖ, и точка плавления льда, соответственно;

      m = 18,015 – молярная масса воды.

В случае полного  структурирования  k₁ = k₂ = 1, Q_изб = km ( T₁ – T _пл ),

где k – постоянная, k @ 2,1 × 10³ Дж/К×кг.

         Т.о., при кавитации достигается избыточное тепловыделение Q_изб. Финишная температура рабочего тела составляет: Т₂ = Т₁ + Q_изб / (m Х C_в).

Сравнительная оценка количества тепла, эквивалентного работе механоактивации, и тепла, потребного для нагревания воды в указанных температурных интервалах, позволяет сделать вывод о наличии дополнительного тепловыделения в процессе структурирования.

2 Систематизация

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 1, рабочая вихревая камера 2 с выходным патрубком 3 и тормозное устройство 4 (рис.1). Иногда ВНЖ дополнительно содержит перепускную магистраль 5.Завихритель тангенциально подводит 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 горячей воды для повышения эффективности работы ВНЖ может отводиться с его выхода на вход через перепускную магистраль.

Еще проще устроен статический ВНЖ с аксиальным вводом потока жидкости.

 Основными элементами такого нагревателя служат рабочая камера 1 с входным патрубком 2 и сужающее устройство 3 с выходным патрубком 4 (см. рис.2). Иногда ВНЖ дополнительно содержит турбулизатор 5. Сужающее устройство (диафрагма, сопло, дроссель, фильера и т.п.) такого ВНЖ обычно представляет собой установленную в рабочей камере перегородку с отверстием.

В ВНЖ третьей группы – динамических – воздействие на рабочее тело производят роторы, как правило, кинематически связанные с источником крутящего момента (см. рис.3). Активатор жестко сидит на приводном валу 2 и  вращается в цилиндрической рабочей камере 3, снабженной входным 4 и выходным 5 патрубками, а также тормозным устройством 6. При подаче во входной патрубок ВНЖ холодной воды, последняя 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 подаётся к потребителю.

К этому типу относится и авторская гидроимпульсная разновидность ВНЖ, о которой будет сказано в конце статьи как об одном из наиболее перспективных ВНЖ.

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

3. Эффективность

Количество тепла, выделяющееся при структурировании  воды, зависит от теплоты фазового перехода и мощности, рассеиваемой в воде при ее активации:

         Q = Q_изб + DQ,                                                                  (2)

где Q_изб – теплота перехода В₁ ® В₂, а

DQ – количество тепла, полученного водой в результате прямого преобразования работы в теплоту.

Оценку количества тепла Q_изб, выделяющегося в воде при высвобождении ее собственной внутренней энергии в результате фазового превращения, можно получить, учитывая степени  структурирования и различия величин молярных теплоемкостей воды в свободном и структурированном состояниях, а также начальную температуру воды:

         Q_изб = k₁(m / m) (C_в1 – C_в2) ( T₁ – T _пл ) ,                            (4)

                   где:

 C_в1 и C_в2 , соответственно, – удельные теплоемкости при постоянном давлении свободной воды В₁ и структурированной  воды в фазе В₂; величину C_в2 удобно представить в виде C_в2 = k₂C_л , где безразмерная постоянная 1 £ k₂ < 2 характеризует степень отличия теплоемкости C_в2 частично упорядоченной фазы воды В₂ от теплоемкости C_л кристаллографически упорядоченной фазы воды в твердом состоянии;

k₁ – коэффициент полноты структурирования – безразмерная величина
0 < k₁ £ 1, характеризующая массовую парциальную долю структурированной (частично упорядоченной фазы) В₂ в воде : k₁ = m_В2 / (m_В1 + m_В2);

m – масса воды, подвергнутой структурированию;

T₁ и T _пл , соответственно, – начальная температура воды и точка плавления льда;

m = 18,015 – молярная масса жидкой воды.

В случае полного структурирования ( k₁ = k₂ = 1), выражение (4) примет вид:

         Q_изб = km ( T₁ – T _пл ),

где k – постоянная, k @ 2,1 × 10³ Дж/К×кг.

В зависимости от начальной температуры, температура воды на выходе нагревателя в идеальном случае должна составлять

         Т₂ = Т₁ + Q_изб / m × C_в.

Таким образом, описанные тепловые эффекты позволяют получить в рабочей камере ВНЖ весьма существенное дополнительное тепловыделение Q_изб.

.   До свидания с Вами был Николай Петренко

Пишите мне на адрес  Nikolay-00@bk.ru