Вихревая система отопления

 

 

 

 

 

 

 

 

Доклад на тему:

«Вихревая система отопления»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проблема отопления и  горячего водоснабжения особенно актуальна  в связи с особенностями климатических условий нашей страны. Возрастающая стоимость энергоресурсов ставит перед потребителями задачу поиска более дешевых источников тепла. Используются твердотопливные, жидкостно-топливные, газовые и электрические котлы. От вида используемого топлива существенно зависит экологическая и пожарная безопасность, возможность автономной и автоматической работы системы отопления, ее экономичность.

Наименьшие затраты на отопление при нагреве теплоносителя  в котлах на твердом (уголь, торф) и  газовом топливе. Но эти котлы экологически опасны. При прямом сжигании органического топлива в количестве 1 тонны условного топлива вредные выбросы в виде окислов азота, углерода и их соединений составляет около 25 кг. Котлы на жидком топливе (мазут, солярка) дороги в эксплуатации, также экологически опасны.

Для всех видов котлов необходима подача топлива, которая может быть трудоемкой или затратной. Для обеспечения  котельной углем требуются помещения  для его складирования. Необходимо выполнять транспортно – погрузочные  работы. В котельной, как правило, необходимо присутствие персонала (кочегар, оператор). Ниже затраты на доставку и хранение жидкого топлива.

Доставка газа связана  с большими начальными капиталовложениями, не всегда имеется возможность подвода  к объекту газовой магистрали. Наиболее легко транспортировать электроэнергию, но она является и более дорогим  видом топлива.

Решение проблемы теплоснабжения объектов состоит в применении наиболее эффективных многофункциональных, автономных систем отопления и горячего водоснабжения.

Для систем отопления и  водоснабжения с котлами, использующими  органическое топливо, коэффициент  использования энергии сжигания топлива значительно ниже единицы, что повышает стоимость эксплуатации. Более эффективно используется энергия  в котлах с электронагревателями (ТЭНами) и в электродных проточных  водонагревателях. В них коэффициент  использования первичной энергии  приближается к единице. Еще более  эффективным и экономичным является способ получения тепла в установках, использующих вихревой эффект. Их работа основана на выделении тепловой энергии  при вихревом движении теплоносителя, например воды, в специальном устройстве, называемом вихревым термогенератором. По результатам испытаний, вихревые термогенераторы имеют высокий условный коэффициент преобразования (КРЭ), рассчитанный по энергии, аккумулированной в теплоносителе. В среднем коэффициент КРЭ термогенераторов выше на 23% по сравнению с электродными нагревателями, и на 42% выше по сравнению с ТЭН нагревателями.

 

 

 

Рис. 1. ТМГ мощностью от 5,5 до 15 кВт                    Рис. 2. ТМГ мощностью свыше 15 кВт

Принцип работы ВТГ основан на использовании возобновляемой энергии воды при схлопывании кавитационных пузырьков, трения и синтеза молекул воды. В качестве теплоносителя используется вода или любая жидкость, при этом химическая очистка воды не требуется. Использование воды в качестве теплоносителя делает эту установку экологически чистой (без выделения вредных газов, радиации и пыли) и, следовательно, разрешает её эксплуатацию без аттестации СЭС (Санитарно-эпидемиологической службы), а незначительные рабочие параметры теплоносителя (давление до 0,3 МПа, температура до 100 °С) разрешает её эксплуатацию без аттестации котлонадзором. ВТГ можно применять для разогрева и перекачивания любых химических жидкостей, а с применением специальных материалов изготовления ВТГ (нержавейка, капролон и т.д.) возможно перекачивание и нагрев различных агрессивных жидкостей.

       Установка работает в автоматическом режиме с учётом температуры окружающего воздуха. Режим работы контролируется надежной автоматикой. Нагрев происходит за 1-2 часа в зависимости от наружной температуры и объёма обогреваемого помещения. Коэффициент преобразования электрической энергии (КПЭ) в тепловую выше 100%. При работе установки накипь не образуется. При использовании установки для получения горячей воды не происходит непосредственного соприкосновения высокотемпературного нагревательного электролита с водой в отличие от электокотлов и водонагревателей.

 

 

Преимущества данной системы:

  Простота конструкции  и сборки, малые габариты и  масса позволяют быстро устанавливать  смонтированную на одной платформе  установку в любом месте, а  также подключать ее непосредственно  к действующей схеме отопления.

Не требуется водоподготовка.

Применение системы автоматического  управления не требует постоянного  присутствия обслуживающего персонала.

Отсутствие тепловых потерь в теплотрассах, при монтаже тепловых станций непосредственно у потребителей тепла.

Работа не сопровождается выбросами в атмосферу продуктов  горения, других вредных веществ, что  позволяет применять его в  зонах с ограниченными нормами  ПДВ.

Сроки окупаемости затрат по внедрению тепловых станций от шести до восемнадцати месяцев.

 В системе двойного  тарифа при нагреве установкой  ночью достаточно небольшого  количества воды, аккумуляции ее  в баке-накопителе и распределении  ее циркуляционным насосом малой  мощности в дневное время. Это  позволяет сократить затраты  на отопление от 40 до 60%.

Недостатки данной системы: Требуется трехфазная сеть переменного  тока 380 V.

В настоящее время реально  существует три типа установок кавитационного нагрева жидкости, которые можно  применять для обогрева помещений: это генератор ЮСМАР (Ю.С. Потапов  и фирма ООО "НОТЕКА-С"), гидродинамический  нагреватель ТЭК (НПП "Институт ТЕКМАШ") и теплогенератор ПЭДЖ .

Теплогенератор Ю. С. Потапова очень похож на вихревую трубу  Ж. Ранке, изобретенную этим французским  инженером ещё в конце 20-х годов XX века. Работая над совершенствованием циклонов для очистки газов от пыли, тот заметил, что струя газа, выходящая из центра циклона, имеет  более низкую температуру, чем исходный газ, подаваемый в циклон.

            Рис. 4. Вихревая труба Ранке

Более 20-ти лет открытие Ранке  игнорировалось. И лишь в 1946 г. Немецкий физик Р. Хилыи опубликовал работу об экспериментальных исследованиях  вихревой трубы, в которой дал  рекомендации для конструирования  таких устройств. С тех пор  их иногда называют трубами Ранке-Хилыша.

Но ещё в 1937 г. советский ученый К. Страхович, не зная об опытах Ранке, в курсе лекций по прикладной газодинамике теоретически доказывал, что во вращающихся потоках газа должны возникать разности температур. Однако только после второй мировой войны началось широкое применение вихревого эффекта.

Законченной и непротиворечивой теории вихревой трубы до сих пор не существует, несмотря на простоту этого устройства. "На пальцах" же объясняют, что при раскручивании газа в вихревой трубе он под действием центробежных сил сжимается у стенок трубы, в результате чего нагревается тут, как нагревается при сжатии в насосе. А в осевой зоне трубы, наоборот, газ испытывает разрежение, и тут он охлаждается, расширяясь. Выводя газ из пристеночной зоны через одно отверстие, а из осевой - через другое, и достигают разделения исходного потока газа на горячий и холодный потоки. Жидкости, в отличие от газов, практически не сжимаемы. Поэтому более полувека никому и в голову не приходило подать в вихревую трубу воду вместо газа или пара.

Юрий Семёнович Потапов после окончания в 1970 г. Киевского автомобильно-дорожного института и аспирантуры при нём в 1987 г. возглавляет в г. Кишинёве негосударственную Научно-техническую и внедренческую фирму "ВИЗИР". В 1988 г. к фирме обращаются пожарные с просьбой разработать компактное устройство для охлаждения пожарных скафандров. Потапов в качестве такого устройства выбирает трубку Ранке. Её изготавливают из алюминия и пластмассы. Весит граммов двести всего. Пожарным это изделие, названное вихревым климатизатором, понравилось и не только для охлаждения скафандров, но и для многих других целей. Надо сказать, что в Кишинёве, как и во многих других южных городах, да и не только в южных, летом из водопровода поступает отнюдь не холодная вода, а нагретая жарким солнцем градусов так на 20 по Цельсию. А как хочется порой попить ледяной водички! И автор решился на, казалось бы, безнадёжный эксперимент - подал в вихревую трубу вместо газа воду из водопровода. К его удивлению, вода в вихревой трубе разделилась на два потока, имеющих разные температуры. Но не на горячий и холодный, а на горячий и тёплый. Ибо температура "холодного" потока оказалась чуть выше, чем температура исходной воды, подаваемой насосом в вихревую трубу. Тщательная же калориметрия показала, что тепловой энергии такое устройство вырабатывает больше, чем потребляет электрической двигатель насоса, подающего воду в вихревую трубу. Так родился теплогенератор Потапова.

Вихревой теплогенератор, схема которого приведена на рис. 5, присоединяют инжекционным патрубком 7 к фланцу центробежного насоса (на рисунке не показан), подающего воду под давлением 4-6 атм. Попадая в улитку 2, поток воды сам закручивается в вихревом движении и поступает в вихревую трубу 3, длина которой раз в 10 больше ее диаметра. Закрученный вихревой поток в трубе 3 перемещается по винтовой спирали у стенок трубы к ее противоположному (горячему) концу, заканчивающемуся донышком 4 с отверстием в его центре для выхода горячего потока. Перед донышком 4 закреплено тормозное устройство 5 - спрямитель потока, выполненный в виде нескольких плоских пластин, радиально приваренных к центральной втулке, сосной с трубой 3. В виде сверху он напоминает оперенные авиабомбы или мины. Когда вихревой поток в трубе 3 движется к этому спрямителю 5, в осевой зоне трубы 3 рождается противоток. В нём вода, тоже вращаясь, движется к штуцеру 6, врезанному в плоскую стенку улитки 2 соосно с трубой 3 и предназначенному для выпуска "холодного" потока. В штуцере 6 изобретатель установил ещё один спрямитель потока 7, аналогичный тормозному устройству 5 Он служит для частичного превращения энергии вращения "холодного" потока в тепло. А выходящую из него тёплую воду направил по байпасу 8 в патрубок 9 горячего выхода, где она смешивается с горячим потоком, выходящим из вихревой трубы через спрямитель 5. Из патрубка 9 нагретая вода поступает либо непосредственно к потребителю, либо в теплообменник, передающий тепло в контур потребителя. В последнем случае отработанная вода первичного контура (уже с меньшей температурой) возвращается в насос, который вновь подаёт её в вихревую трубу через патрубок 7.

 

                   Рис. 5. Схема системы отопления и внешний вид вихревого теплогенератора.

 

 

 

                      

 

Тепловые установки "ЮСМАР" В первых модификациях тепловых установок Ю. С. Потапов подсоединял свой вихревой теплонагреватель, изображённый на рис. 5., к выпускному фланцу обыкновенного рамного центробежного насоса для перекачивания воды. При этом вся конструкция находилась в окружении воздуха и была легко доступна для обслуживания. Но КПД насоса, как и КПД электродвигателя, меньше ста процентов. Произведение этих КПД составляет 60-70%. Остальное - потери, идущие в основном на нагрев окружающего воздуха. А ведь изобретатель стремился греть воду, а не воздух. Поэтому он решился поместить насос и его электромотор в воду, подлежащую нагреву теплогенератором. Для этого использовал погружной (скважный) насос. Теперь тепло от нагрева мотора и насоса отдавалось уже не в воздух, а той воде, которую требовалось нагреть. Так появилось второе поколение вихревых теплоустановок. В таком исполнении они некоторое время выпускались промышленностью по лицензии, купленной у Потапова.

В серийных тепловых установках второго поколения вихревая труба по-прежнему находилась в воздухе сбоку от термоизолированного сосуда, в который был погружён скважный мотор-насос. От горячей поверхности вихревой трубы нагревался окружающий воздух, унося часть тепла, предназначавшегося для нагрева воды. Приходилось трубу обматывать стекловатой для уменьшения этих потерь. Наконец изобретатель спросил себя: зачем бороться с этими потерями? Давай-ка и трубу погрузим в тот сосуд, в котором уже находятся мотор и насос. Так появилась последняя серийная конструкция установки для нагрева воды, получившая имя "ЮСМАР-М".

Рис, 6. Схема теплоустановки "ЮСМАР-М": 1 - вихревой теплогенератор, 2 - электронасос, 3 - бойлер, 4 - циркуляционный насос, 5 - вентилятор, 6 - радиаторы, 7 – пульт управления, 8 – датчик температуры.

В установке "ЮСМАР-М" вихревой теплогенератор в комплекте с погружным насосом помещены в общий сосуд-бойлер с водой (см. рис. 6) для того, чтобы потери тепла со стенок теплогенератора, а также тепло, выделяющееся при работе электродвигателя насоса, тоже шли на нагрев воды, а не терялись. Автоматика периодически включает и отключает насос теплогенератора, поддерживая температуру воды в системе (или температуру воздуха в обогреваемом помещении) в заданных потребителем пределах. Снаружи сосуд-бойлер покрыт слоем теплоизоляции, которая одновременно служит звукоизоляцией и делает практически неслышимым шум теплогенератора даже непосредственно рядом с бойлером. Установки "ЮСМАР" предназначены для нагрева воды и подачи её в системы автономного водяного отопления жилых помещений, промышленных и административных зданий, а также в душевые, бани, на кухни, в прачечные, мойки, для обогрева сушилок сельхозпродуктов, трубопроводов вязких нефтепродуктов для предотвращения их замерзания на морозе и других промышленных и бытовых нужд.

Установки "ЮСМАР-М" питаются от промышленной трёхфазной сети 380 В, полностью автоматизированы, поставляются заказчикам в комплекте со всем необходимым для их работы и монтируются поставщиком "под ключ". Выпускаются пять типоразмеров этих установок. Все эти установки имеют одинаковый сосуд-бойлер, в который погружают вихревые трубы и мотор-насосы разной мощности, выбирая наиболее подходящие конкретному заказчику. Габариты сосуда-бойлера: диаметр 650 мм, высота 2000 мм. На эти установки, рекомендуемые для использования как в промышленности, так и в быту (для обогрева жилых помещений путем подачи горячей воды в батареи водяного отопления), имеются технические условия. Установки "ЮСМАР" используют на многих предприятиях и в частных домовладениях, они получили сотни похвальных отзывов от пользователей. В настоящее время Уже тысячи теплоустановок "ЮСМАР" успешно работают в странах СНГ и ряде других стран Европы и Азии. Их использование особенно выгодно там, куда ещё не дотянулись газопроводы и где люди вынуждены использовать для нагрева воды и обогрева помещений электроэнергию, которая с каждым годом становится всё дороже.