Вихревой теплогенератор для систем теплоснабжения
На протяжении более 15 лет в различных городах: Москва, Жуковский, Подольск, Мытищи, Пенза, Ростов-на-Дону, Ижевск, Тверь, Королев, Донецк и др. ведутся интенсивные разработки вихревых теплогенераторов.
Вихревые теплогенераторы (ВТГ) – это тепловые устройства гидродинамического типа, применяющиеся в качестве автономных источников отопления и ГВС. От существующих электронагревателей ВТГ отличаются более высокой эффективностью – отношением производимой тепловой энергии к потребляемой электрической. А самое главное отличие состоит в том, что при использовании ВТГ не требуется получать технические условия на термическую нагрузку.
Важно отметить, что в качестве приводов ВТГ могут применяться не только электродвигатели, но и любые другие двигатели (дизельные, бензиновые), а также, использоваться энергия ветра или энергия воды горных рек (в то же время, по мнению конструкторов, для эффективной работы ВТГ необходимо поддерживать специально подобранную, постоянную скорость вращения, и проще всего это сделать, используя электродвигатели – прим. ред.).
При всем многообразии существующих схем ВТГ все же можно выделить три конструктивные разновидности теплогенераторов (по классификации С. Геллера – изобретателя из г. Ростова-на-Дону, опубликованной в журнале «Техника молодежи» № 11, 2005 г.):
– пассивные тангенциальные;
– пассивные аксиальные;
– активные.
К пассивным относятся ВТГ статического типа, не содержащие подвижных частей в устройствах формирования потока жидкости. Они различаются по характеру ввода потока в рабочую камеру – тангенциальному (завихритель, рабочая вихревая камера, тормозное устройство, выходной патрубок) или аксиальному (входной патрубок, рабочая камера с сужающим устройством, турбулизатор, выходной патрубок).
Завихритель выполняется в виде улитки, подводящей поток холодной жидкости 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 жидкости в рабочей камере создается особая зона, в которой жидкость нагревается и затем поступает в выходной патрубок.
Завихрители могут выполняться с винтовым или спиральным профилем рабочей камеры, с постоянным или сужающимся сечением патрубков, с одной или более рабочими камерами, с одним или несколькими тангенциальными вводами, с вводами типа вихревых форсунок и т.п. Рабочие камеры этих нагревателей могут быть прямоточными, двойными противоточными, цилиндрическими, коническими, сложной формы и т.п. Разнообразны и конструкции тормозных устройств – от тел обтекания до лопастных спрямляющих аппаратов.
В пассивных аксиальных ВТГ используются различные диафрагмы с цилиндрическими, коническими, щелевидными или спиральными отверстиями, с одним и более отверстиями, с одной или несколькими последовательно установленными перегородками и т.д. Применяются также теплогенераторы смешанного типа, в которых для повышения эффективности работы одновременно используются как завихрители, так и диафрагмы.
К активным относятся ВТГ в которых механическая активация рабочего тела происходит в результате воздействия на жидкость подвижных активаторов – вращающихся, колеблющихся или совершающих сложное движение.
Подаваемая во входной патрубок ВТГ активного типа холодная жидкость закручивается вращающимся активатором и ускоряется. Нагрев жидкости происходит в процессе движения в сторону неподвижного тормозного устройства, на котором поток затормаживается. Через выходной патрубок горячая жидкость подается к потребителю.
Разновидности активных ВТГ отличаются между собой конструкциями активаторов и тормозных устройств. Активаторы могут выполняться в виде турбин, тел вращения с продольно профилированными поверхностями, перфорированных цилиндрических или конических барабанов, однонаправленных или противоположно вращающихся перфорированных дисков и пр.
В каждом из трех типов ВТГ могут дополнительно создаваться специальные режимы работы, способствующие активации жидкости и, как следствие, увеличению тепловыделения. С этой целью задаются неоднородности давления в рабочей камере, возбуждаются автоколебания в жидкости, формируются дополнительные вихревые течения, обеспечиваются ударные торможения встречных струй, производится ультразвуковая обработка жидкости и пр.
Несмотря на отсутствие подвижных частей и высокую эксплуатационную надежность пассивных теплогенераторов, ВТГ активного типа более перспективны для практического использования, поскольку обеспечивают более эффективный нагрев жидкости (больший перепад температур на входе и выходе за один проход при прочих равных условиях) и позволяют снизить уровень шума (один их главных недостатков ВТГ). Для работы пассивных ВТГ требуются насосы с повышенными техническими характеристиками по напору и производительности, на которые устанавливаются электрические двигатели с частотой вращения 3000 об/мин. Конструкция же ВТГ активного типа позволяет использовать малошумные электрические двигатели с частотой вращения 1500 об/мин.
Использование ВТГ выгодно при строительстве электрофицированных объектов, прокладка газовых коммуникаций и труб централизованного теплоснабжения к которым невозможна или неэкономична. Примером является продовольственная база «Дружба» (г. Мытищи, Московская обл.), где в 1996 г. для отопления помещений были установлены ВТГ, т.к. угольная котельная была в «состоянии разрухи», другая ближайшая котельная находилась на удалении 1500 м, а газопровод – на удалении 900 м. Потребляемая электрическая мощность установленных ВТГ составила 11 и 7,5 кВт при потребности в тепле – 24 кВт. Проект окупился за один отопительный сезон (в сравнении с затратами при работе старой угольной котельной). Дополнительно было отмечено, что за это время промылась от отложений система отопления, а также то, что в офисных помещениях снизилось электропотребление (раньше почти в каждом кабинете использовался дополнительно электронагреватель).
Следует добавить, что первоначально планировалась установка электрокотла, и в этом случае, было бы необходимо оплачивать электроэнергию по повышенному тарифу. После установки же ВТГ при утверждении тарифов было заявлено, что электроэнергия расходуется только на работу насосного оборудования, и поэтому в результате был оставлен обычный тариф. Энергонадзор в 1999 г. попытался вновь повысить стоимость электроэнергии для установленных ВТГ, но существующий тариф удалось отстоять.
Также оправдано применение ВТГ совместно с теплогенераторами, работающими на жидком топливе. Примером является административно-офисное здание Дирекции по ремонту пути Московской железной дороги (ст. Перово, г. Москва), где были установлены два ВТГ (см. фото) суммарной электрической мощностью 36 кВт и теплогенератор мощностью 60 кВт, работающий на дизельном топливе.
Фото. Система теплоснабжения административно-офисного здания Дирекции по ремонту пути Московской железной дороги (ст. Перово, г. Москва).
Полностью обеспечить отопление здания за счет установки ВТГ не представлялось возможным, т.к. существовало ограничение по установленной электрической мощности – 100 кВт, при потребности в тепловой – 96 кВт, а прокладка газопровода или дополнительного электрического кабеля была проблематична. В настоящее время данные вихревые установки находятся в рабочем состоянии, но не используются, т.к. создаваемый ими шум представляет существенное неудобство персоналу, рабочее место которого определено в помещении теплового пункта. Нахождение персонала в данном помещении, при проектировании и выполнении работ по монтажу и наладке оборудования, не предусматривалось.
В заключение следует отметить, что отсутствие убедительных и доступных широкой аудитории экспериментальных данных привело к появлению многочисленных гипотез об основной причине появления тепловой энергии и высокой эффективности ВТГ. Поэтому необходимо тщательное изучение данного явления на основе широкого практического применения ВТГ с целью объяснения правдоподобного механизма возникновения причудливой, еще не познанной во всем своем многообразии связи кавитации с тепловыделением.