1.3.2 Результаты обзора работ по энергосберегающим технологиям и техническим средствам нагрева воды

Проведенный обзор работ по энергосберегающим технологиям и техническим средствам нагрева воды показал, что существует несколько технологий нагрева воды для теплоснабжения промышленных и сельскохозяйственных объектов, в том числе автономных, которые подразделяются на три направления: теплоснабжение на основе сжигания газа, твёрдого и жидкого топлива; использование электрической энергии; альтернативные тепловые модули (теплогенераторы), которые отдают энергию в виде тепла больше, чем забирают из энергосети за счёт изменения динамического состояния самой жидкости и окружающего воздуха [4-14].

Недостатки первого направления - большие капвложения, эксплуатационные затраты и потери тепла, ухудшает экологию окружающей среды.

Недостатки второго направления - большие затраты электрической энергии и большая удельная стоимость тепловой энергии, превышают аналогичные показатели первого направления в 1,5-2 раза.

Недостатки третьего направления - разработка находится в стадии экспериментальных образцов и на рынках сбыта отсутствует.

Предлагаемый Проект по используемой технологии и техническим средствам относится к третьему направлению - разработка альтернативных тепловых модулей (теплогенераторов), а в качестве прототипа могут быть приняты разработки второго направления - электродные нагреватели (котлы).

Разработчиками второго направления являются: ГНУ ВИЭСХ (Россия), РГП "НПЦ механизация сельского хозяйства" (Казахстан), АО "Дельсат" и др.[8-10].

По проблеме, на решение которой направлен Проект, т.е. по третьему направлению, проводятся работы в Техническом университете (г.Тверь, Россия), в РКК "Энергия" (Россия).

Разработкам конструкций, теоретическим и экспериментальным исследованиям по альтернативным источникам нагрева воды посредством тепловых модулей (теплогенераторов), основанных на исследованиях теплообразования на многоструйных течениях жидкости и газа (воды, насыщенного пара, воздуха) с использованием эффектов: кавитации, динамического торможения, вихреобразования, гидродинамического удара, посвящены отечественные и зарубежные работы (преимущественно работы ученых России): В.В.Фисенко (1978….2000) [4,5,6,7], Ю.С.Потапов (1995….2008) [15,24], Б.В.Елин, В.В.Терёхин, Н.Е.Курносов, В.А.Горлов (1999…2003) [25,26,27],С.В.Геллер(1995….2009) [16,28,29], А.Я.Исаков (1986…2009)[17,30] и другие [11,13,14].

В 1978…2001 г.г. доктором технических наук, председателем Комиссии по энергосбережению экспертно – консультативного совета по проблемам национальной безопасности при председателе Государственной Думы РФ Фисенко В.В. [4-7] разработана новая энергосберегающая технология в системах отопления и горячего водоснабжения, основанная на проведённых теоретических и экспериментальных исследований двухфазного потока, жидкости (воды) и газожидкостной смеси (насыщенного пара).

Разработанная технология в системе отопления и горячего водоснабжения реализована рядом технических решений, защищённых более десятком патентов РФ, в частности, нового струйного аппарата «Фисоник».

В основу работы устройства «Фисоник» положено явление повышенной сжимаемости однородных двухфазных потоков, скорость звука в которых гораздо меньше скорости звука не только в жидкости, но и в газе [4]. Как видно на рисунке 1, минимум скорости звука не только наблюдается при значении объёмного соотношения фаз в смеси =0,5 , которое определяется по формуле

, (1.1)

где - объём газов смеси, м ;

- объём жидкости в смеси, м .

Во всех существующих в настоящее время устройствах (реактивных двигателях, самолетах, ракетах, паровых и газовых турбинах, компрессорах и др.), в которых осуществляются условия около или сверхзвукового течения (число Маха М = w/a 1), это условие реализуется за счет увеличения скорости потока или скорости тела, что приводит к очень большим энергетическим затратам. В названном устройстве околозвуковое или сверхзвуковое движение потока однородной двухфазной смеси достигается благодаря уменьшению скорости звука, что позволяет реализовать условие М 1 при очень малых скоростях потока, т.е. при незначительных энергетических затратах.

Конструкция проточной части устройства показана на рисунке 2. Устройство состоит из трех (или двух) частей: 1- корпус (стандартный тройник); 2- сопло для рабочего тела (это может быть пар, газ или жидкость); 3-камера смешения. В том случае, когда камера смешения выполнено заодно с корпусом, устройство состоит из корпуса и рабочего сопла 2. Реализовывать такую простую конструкцию по сравнению с существующими аналогами – струйными теплообменниками и обеспечить при этом устойчивую и эффективную работу устройства в широком диапазоне внешней нагрузки и входных параметров рабочих сред удается на основе использования теории двухфазных потоков [2,3]. Предлагаемое техническое решение защищено патентами России [4,5]. При этом в отличие от всех существующих расчетных моделей струйных

Рисунок 1.2 - Скорость звука α в зависимости от объемного соотношения β фаз в смеси

.

1- корпус; 2- сопло ; 3- камера смешения

Рисунок 1.3 - Конструкция проточной части аппарата «Фисоник »

аппаратов в расчетной программе автора нет ни одной эмпирической зависимости, кроме уравнений для термодинамических свойств рабочих тел.

В результате обмена количеством движения между рабочими телами в камере смешения скорость звука в смеси падает. Поток на входе в камеру имеет скорость, равную или большую локальной скорости звука. В результате торможения потока растут температура и давление на выходе из камеры смешения и давление становится больше давления насыщения при температуре смеси. При этом в правильно рассчитанном устройстве давление на выходе, когда это необходимо, может быть в несколько раз выше давления рабочих тел на входе в устройство. Благодаря тому, что поток жидкой фазы в камере смешения имеет смесеобразную структуру, размеры устройства по сравнению с размерами других теплообменников поверхностного типа (включая пластинчатые) малы, а давление после прохождения потока через устройство не падает, а возрастает.

Некоторые свойства термодинамики двухфазного потока и их использование в аппаратах «Фисоник». Фисенко В.В., изучая в течении длительного времени особенности движения двухфазных сред, связанные с повышенной сжимаемостью обычных газов, пришел к выводу о возможности эффективного использования этого свойства двухфазных потоков при решении ряда практических задач. Полученные теоретические результаты нашли, в частности, применение при разработке аппаратов «Фисоник» и на их основе - технологий в различных областях человеческой деятельности. При этом одним из результатов стало создание аппаратов, в которых достигается большое давление торможения смеси на выходе устройства.

Автору было нелегко убедить широкую научную общественность, а главное, потенциальных пользователей в принципиальной возможности такого технического решения, а затем и в целесообразности его применения. В настоящее время аппараты «Фисоник» эффективно и надежно работают в ряде стран на различных объектах [4, 5].

Вместе с тем теоретически интересной, а практически еще более эффективной является возможность получения более высокой температуры потока на выходе аппарата «Фисоник», чем температура греющей среды (например, температуры пара, когда именно он служит греющей средой в аппарате «Фисоник»). В результате использования струйного аппарата «Фисоник» теплообмен между средами происходит не так, как в обычном струйном аппарате. Скачок давления в потоке смеси отождествляется всеми исследователями и пользователями этого явления со скачком конденсации, т.е. с процессом, сопровождающимся изменением энтропии. Сначала теоретически, а затем практически [5] было показано, что такой скачок может быть изоэнтропным. Подтверждением этого стала надёжная в широком диапазоне параметров работа аппаратов, статические характеристики и проточные части которых были рассчитаны из условия изоэнтропного скачка. При этом процесс обмена количеством движения между фазами в скачке доминирует над процессом теплообмена, поскольку в однородном (туманообразном) двухфазном потоке в основе обмена количеством движения лежит механизм упругого взаимодействия молекул газа с мелко дисперсионными частицами жидкости.

Из газодинамики известно, что температура газа в любом сечении потока тем меньше температуры торможения в том же сечении, чем больше скорость в этом сечении:

, (1.2)

где к– показатель изоэнтропы газа;

М – число Маха.

Из зависимости (1.2) для одного и того же газа следует, что Т тем меньше Т , чем больше значение М.

Как было показано [5], показатель изоэнтропы в однородной двухфазной смеси является функцией показателя изоэнтропы газа в смеси к и объёмного соотношения фаз в смеси (1.1). При этом показатель изоэнтропы двухфазной смеси всегда больше показателя изоэнтропы газа, а это значит, что при прочих равных условиях отношение Т/ Т в двухфазной смеси всегда меньше, чем в чистом газе.

Учитывая малые значения скорости звука в двухфазном потоке по сравнению с однофазным (чистый газ), можно сделать вывод, что в потоке двухфазной смеси отношение Т/ Т будет меньше, чем в потоке чистого газа, поскольку число Маха в потоке двухфазной смеси намного больше, чем в потоке чистого газа при одних и тех же параметрах потока на входе в проточную часть аппарата.

На рисунке 1.3 приведена зависимость Т/ Т от показателя изоэнтропы однородной двухфазной смеси жидкости с трёхатомным газом. Как видно из рисунка, максимум Т/ Т 0,51. Отсюда следует очень важный вывод: отношение температура в потоке такой смеси всегда меньше 0,51. Это открывает принципиально новые теоретические горизонты в термодинамике двухфазных потоков и существенно расширяет возможности эффективного использования аппаратов «Фисоник».

Исследованиями установлено, что количество получаемой тепловой энергии превышает количество подведённой энергии электродвигателя. Некоторые изобретатели запатентовали свои изобретения в этой области. Многие работают без патента. Первым из тех, кто широко практически реализовал описанную возможность, следует считать Ю.С.Потапова.

Каждый исследователь по-своему описывает физические процессы, лежащие в основе наблюдаемого явления. Это и квантовая генерация, и «холодный термояд», и вихревые потоки, и кавитационные явления. С точки зрения автора данной статьи, все они неправильно отражают те реальные процессы, которые лежат в основе работы «теплогенераторов». Этим можно объяснить то, что эффективность работы даже одного и того же устройства в различных условиях разная, причем далекая от теоретически возможной.

Т/То۪

0,52
0,48
0,44
0,40
0,36
0,32
0,28
0,20
0,16
0,12
0,08
0,04
0

1,29 1,36 1,43 1,5 1,57 1,64 1,71 1,79 1,86 1,93 k

Рисунок 1.4 - Зависимость отношения температура газа и торможения Т/ Т от показателя изоэнтропы k, полученной при исследовании аппарата «Фисоник».

Как установлено автором статьи, в основе работы всех подобных устройств лежат описанные выше особенности двухфазных потоков, прежде всего их повышенная сжимаемость, а также то, что во всех имеющихся устройствах, более или менее эффективно реализуется скачок давления.

Запишем уравнение сохранения энергии для среды с любой сжимаемостью в виде

(1.3)

где q – удельная теплота; - удельный объём; q - удельная теплота трения.

Для несжимаемой жидкости (k ), движущейся в адиабатном канале, единственным источником тепла является трение. Несжимаемая жидкость не может служить рабочим телом ля преобразования тепловой энергии в механическую работу. Иначе обстоит дело в случае, если уравнение (1.3) применить к сечению на границе скачка давления, где по одну сторону находится сильно сжимаемая двухфазная смесь туманообразной структуры, а по другую – однофазная жидкость с мелкими пузырьками пара (газа). При этом полученная после скачка тепловая энергия может в десятки раз превышать подведённую энергию. Источником энергии является высвобождаемая энергия межмолекулярных связей, которые разрываются перед скачком и не полностью восстанавливаются после скачка.

Принципиальная схема способа работы теплогенерирующей установки, разработанная Фисенко В.В. показана на рисунке 1.4.

Струйная теплогенерирующая установка содержит газотурбинную установку 1 и систему 2 потребления тепла. Установка снабжена газожидкостным струйным аппаратом 3 и сепаратором 4, при этом сопло 5 газожидкостного струйного аппарата 3 подключено к выходу 6 выхлопных газов газотурбинной установки 1, выходом газожидкостной струйный аппарат 3 подключен к сепаратору 4, а система 2 потребления тепла подключена со стороны входа в нее к выходу жидкости из сепаратора 4 и со стороны выхода из нее – к входу 7 жидкой среды газожидкостного струйного аппарата 3.

Сепаратор 4 может быть атмосферным, вакуумным или термическим. В последних двух случаях установка может быть снабжена системой откачки выхлопных газов из сепаратора 4, содержащей жидкостно-газовый эжектор 8, насос 9 и газоотделительную емкость 10, при этом жидкостно-газовый эжектор 8 соплом подключен к выходу насоса 9, входом откачиваемой газообразной среды – к выходу выхлопных газов из сепаратора 4 и выходом – к газоотделительной емкости 10, а последняя подключена к входу в насос 9. в качестве жидкостно-газового эжектора 8 может быть использован струйный аппарат автора изобретения по патенту Российской Федерации 2144145 «Способ работы тепловыделяющего струйного аппарата» [7]. При этом для утилизации тепла и снижения загрязнения окружающей среды отсасываемая из сепаратора 4 парогазовая смесь может подаваться жидкостно-газовым эжектором 8 в специальную ёмкость 14 , например, бак «сырой воды». При этом газ проходит через воду и выходит в атмосферу с температурой - 30 ,а нагретая до 30 вода подается из емкости в систему контуров циркуляции.

Система 2 потребления тепла может быть выполнена в виде батареи 11 водяного отопления или в виде теплообменника 12 для нагрева воды системы горячего водоснабжения или в виде комбинации батарей 11 водяного отопления и теплообменника 12 системы горячего водоснабжения.

Аппараты «Фисоник» с разработанной технологии теплоснабжения с использованием для нагрева воды отработанного газа и насыщенных паров нашли применение на газоперерабатывающих заводах и промыслах России, Украины. Система «Фисоник» - входила в

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема способа работы теплогенерирующей установки, разработанная Фисенко В.В

целевую программу «энергоснабжение России» 2001 – 2005 г. г. и имела хорошие отзывы о их работе.

Некоторые элементы технических решений, в частности, по струйным аппаратам и теоретические разработки будут использованы в выполняемой работе.

Преимущества: высокая надёжность технологического процесса нагрева воды для теплоснабжения; простота технического решения струйного аппарата типа «Фисоник».

Недостатки: ограничена область применения – может использоваться для отопления объектов, имеющих насыщенный водяной пар или нагретую отработанную газовую смесь.

В течении ряда лет (1995…2008 г. г.)заслуженным изобретателем Республики Молдова, академиком Ю.С.Потаповым [15, 24] была выполнена работа по созданию вихревого теплогенератора, который предназначен для нагрева воды(жидкости) с целью использования в системах автономного отопления объектов (зданий, транспортных средств и др.) без использования традиционных теплоносителей (твердого, жидкого и газообразного топлива) с экономией электроэнергии.

Конструкция вихревого теплогенератора представлена на рисунке 1.6, а принципиальная схема устройства для использования в теплоснабжении–на рисунке 1.7.

Теплогенератор (рисунок 1.6) содержит ускоритель движения жидкости –циклон1, торцовая сторона которого соединена с цилиндрической частью корпуса 2. В основании цилиндрической части корпуса 2, противолежащей циклону, установлено тормозное устройство3, предусматривающее несколько ребер 4, закрепленных на центральной втулке 5. В цилиндрической части корпуса 2 за тормозным устройством 3 установлено дно 6 с выходным отверстием 7, соединяющимся с выходным патрубком 8. Последний соединен посредством перепускного патрубка 9 с циклоном 1 на торце, противолежащем цилиндрической части корпуса 2 и соосно ей. Отношение диаметра перепускного патрубка к выходному отверстию 7 дна 6 находится в пределах 1-2. В перепускном патрубке несколько ниже зоны соединения с циклоном 1 установлено дополнительное тормозное устройство 10.

Устройство для нагрева жидкостей содержит электрический сетевой насос 11 (рисунок 6), соединенный с циклоном 1 посредством инжекционного патрубка 12. Входное отверстие инжекционного патрубка 13 выполнено некруглым. Оно может быть, например, по форме параллелограмма прямоугольника, Выходной патрубок 8 теплогенератора соединяется с подающей магистралью 14, которая оснащена запорным вентилем 15 и соединена с теплообменниками 16. Трубопровод 17 соединен с насосом 11 и через запорный вентиль 18 с подающим трубопроводом 14. Обратный поток жидкости из радиаторов 16 идет через обратную магистраль 19. Отрезок магистрали 14 и запорный вентиль 18 с теплогенератором 2 служат для нагрева жидкости и регулировки температуры, косвенно нагревают систему с трубопроводами

1-циклон; 2-корпус; 3-тормозное устройство; 4- ребро ; 5- Втулка ; 6-дно ;

7-выходное отверстие дна; 8-выходной патрубок; 9- перепускной патрубок; 10 -тормозное устройство; 12- инжекционный патрубок.

Рисунок 1.6 - Вихревой теплогенератор Ю.С.Потапова

1-циклон ;2- корпус; 8-выходной патрубок; 9-перепускной патрубок; 11- электрический сетевой насос; 12-инжекционный патрубок;14,19-подающая и обратная магистрали ; 15,18- запорные вентили; 16-отопительные радиаторы; 17- трубопровод соединительный.

Рисунок 1.7 - Принципиальная схема устройства нагрева воды для использования в теплоснабжении

17,19 и радиаторами 16. Обратный поток жидкости из радиаторов 16 через магистраль 19 и запорный вентиль 15 подается в магистраль 17 в насос.

Устройство может работать в автоматическом режиме, для чего оснащается датчиком температуры с блоком обратной связи, управляющим работой насоса и предусматривающим получение тепла по потребности (не показан).

Работают теплогенератор и устройство следующим образом.

При включении в работу насоса 11 жидкость через инжекционный пат-рубок 12 под давлением 4-6 атм. попадает в циклонную часть корпуса – ускоритель движения жидкости 1, имеющий по контуру вид спирали. Здесь про-исходит приращение механической энергии жидкости, и она попадает в цилиндрическую часть корпуса 2.

Входное отверстие 13 инжекционного пат-рубка 12, выполненное по форме параллелограмма, увеличивает силу трения потока по стенкам циклона и способствует осевому закручиванию потока. Диаметр цилиндрической части корпуса 2 значительно больше диаметра входного отверстия 13 инжекционного патрубка 12. В этой части корпуса про-исходит резкое изменение давления жидкости, которое в соответствии с обще-известными законами термодинамики приводит к изменению температуры среды. Уже частично нагретая жидкость еще с запасом кинематической энергии попадает в тормозное устройство 3, где попадает ее скорость и изменяется давление, что соответственно приводит к дальнейшему повышению температуры жидкости. На выходе из тормозного устройства 3 корпуса теплогенератора жидкость проходит через выходное отверстие 7 донной части 6 корпуса. Ввиду того, что диаметр выходного отверстия дна в несколько раз меньше диаметра корпуса 2 и меньше диаметра перепускного патрубка 9, вновь изменяется кинетическая энергия жидкости, что способствует повышению эффективности нагрева. В случае закупорки выходного отверстия 7 или скачков гидравлического давления в системе, жидкость направляется в перепускной патрубок 9 и попадает в подающую магистраль 14 и теплообменники 16 через выходной патрубок 8. Дополнительное тормозное устройство 10, установленное в перепускном патрубке 9,способстует повышению эффективности нагрева жидкости.

В соответствии с сущностью изобретения был изготовлен опытный работающий образец устройства. В установке был использован центробежный насос марки КМ80-50-200 (Q=50 м³/ч, Н_Р =50 м) объем воды в системе 200 л, объем воды в одном радиаторе 3 л, диаметр корпуса теплогенератора 140 мм. Температура воды по малому кругу на выходе из теплогенератора составляет порядка 150 ^ОС при давлении 5,1 атм. Установка была использована для отопления 30-ти комнат размера 18-20 м². Фактический Расход электроэнергии составил 2,15 кВт/ч при автоматическом режиме работы, равном 25 %. Расход электроэнергии составляет 80 В/ч на одну комнату. Темп нагрева жидкости в теплогенераторе составляет 1-2,5 ^оС в 1 мин.

Основным преимуществом предлагаемого теплогенератора является то, что его можно использовать в существующих котельных для водяного отопления взамен теплогенераторов, работающих на природных теплоносителях (твердом, жидком и газообразном топливе). Это позволяет экономить топливо, снизить транспортные расходы, улучшить экологию окружающей среды.

Принцип нагрева воды в вихревом теплогенераторе по мнению учёных [4-7], происходит от вихревого эффекта движения воды, при котором изменяется механическая энергия движущейся жидкости (воды)направленная на повышение ее температуры за счет дополнительного выделения энергии. Наиболее вероятным источником дополнительной энергии в теплогенераторе является энергия окружающего эфира. Вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, равную 81, это означает что плотность подвижного (слабо связанного) эфира в 81 раз больше, чем в окружающем пространстве. Поэтому при вращении воды уплотненный эфир приводится в движение благодаря вязкости и снижению с водой. Водяной вихрь начинает работать как центробежный насос, выдавливая из себя завихренный эфир. По торцам вихря эфир всасывается в вихрь. На выходе из водяного вихря по достижении определённого размера эфирный вихрь сжимается внешним давлением эфира, чем ему сообщается дополнительная энергия. Всосанный эфир отдает накопленную энергию воде. Процесс может носить непрерывный и периодический характер. Однако, теоретически эффект вихревого потока до конца не изучен, предварительный расчет показывает высокую эффективность процесса .

Вихревые теплогенераторы (ВТГ) использовались в различных НИИ, в том числе в РК Энергия им. С.П. Королева в 1994 г., в Центральном Аэродинамическом институте им. Жуковского в 1999г.

Испытания подтвердили эффективность по сравнению с другими типами нагревателей, работающих на газовом, жидком и твердом топлива.

Опытные образцы тепловых вихревых генераторов изготавливались в Техническом университете (г. Тверь),проходили проверку на предприятиях ряда городов России, например, на обувной фабрике в подмосковном Зарайске, на заводах Подольска и г.Озеры с положительными результатами.

Основные преимущества вихревых теплогенераторов по сравнению с аналогами: низкое рабочее давление потребного насоса –до 50-60 м .вод. столба вместо 10 000 м; компактность технического решения ; безопасность технологического процесса нагрева воды и эффективность его использования .

Недостатки: низкая надёжность технологического процесса нагрева воды; не эффективная схема компоновки устройства для использования при теплоснабжении.

Работа Горлова В.А.(2001…2003) [31] была выполнена по совершенствованию системы водяного отопления вихревым теплогенератором конструкции Потапова Ю.С.[24].

Разработанная схема системы водяного отопления представлена на рисунке 7.

Схема нагрева системы водяного отопления вихревым теплогенератором содержит теплогенератор 1, сетевой водяной насос2 с электроприводом 3,соединенным с корпусом теплогенератора 1 с помощью инжекционного патрубка 4, подающий 5 и обратный 6 трубопроводы с индивидуальными вентилями 7 и 8 соответственно, входные патрубки которых параллельно соединены между собой и последовательно – с выходным патрубком 9 цилиндрической части корпуса, теплообменники 10 потребителя и перепускной трубопровод 11, соединяющий теплогенератор 1 с входным патрубком насоса 2 и выходной конец обратного трубопровода 6.

Работает такая схема нагрева системы водяного отопления следующим образом.

При полностью открытом вентиле 7 и полностью закрытом вентиле 8 горячая вода поступает в подающий трубопровод 5 и через параллельно соединенные с ним теплообменники 10 потребителя, отдав им тепло, вода поступает из выходного патрубка 12 теплообменника самого отдаленного потребителя в обратный трубопровод 6, а последний направляет ее в байпасный трубопровод 11,откуда она поступает во входной патрубок насоса 2 на повторный цикл.

При необходимости снижения температуры теплообменников 10 открывают вентиль8 и ограничивают его пропускную способность по мере достижения необходимой температуры. При этом определенная часть горячей воды минуя теплообменники 10, уходят по Малому кругу через обратный трубопровод 6 в перепускной трубопровод11 и далее –во входной патрубок насоса 2 на повторный цикл, тем самым равномерно снижая температуру теплообменников 10 всех потребителей. Преимущества: повышается эффективность от применения предлагаемой схемы за счет осуществления технологических возможностей в регулировке циркуляции воды, изменения скорости и равномерности нагрева теплообменников всех потребителей.

Недостатки: низкая надежность технологического процесса нагрева воды теплогенератором.

В 1995….2008 г.г. проведена большая научно-исследовательская работа С.В.Геллером [16] по разработке гидродинамического кавитационного вихревого теплогенератора, которая была направлена на совершенствование конструкции вихревого теплогенератора конструкции Потапова Ю.С. [7].

Отличительная его особенность по сравнению с вихревым теплогенератором заключается в использовании эффекта кавитации в технологическом процессе нагрева воды, что позволило

1- теплогенератор; 2- сетевой водяной насос; 3- электропривод; 4- инжекционный патрубок; 5,6- подающий и обратный трубопроводы; 7,8 –вентили; 9 выходной патрубок цилиндрического корпуса; 10- теплоприемники; 11- перепускной трубопровод.

Рисунок 1.8 - Схема нагрева системы водяного отопления теплогенератора конструкции Горлова В.А.

повысить его эффективность, которая подтверждена экспериментальными исследованиями и сравнительными испытаниями.

Общий вид теплогенератора конструкции С.В.Геллера под маркой БРАВО дан на рисунке 1.9, конструктивная схема теплового модуля на базе теплогенератора БРАВО –на рисунке 1.10.

Теплогенератор БРАВО (см.рисунок1. 9) состоит из циклона 1, который ускоряет движение воды и имеет впускной патрубок 2,установленный по касательной к цилиндру, и корпуса 3 с выходным патрубком 4.

При полностью открытом вентиле 7 и полностью закрытом вентиле 8 горячая вода поступает в подающий трубопровод 5 и через параллельно соединенные с ним теплообменники 10 потребителя, отдав им тепло, вода поступает из выходного патрубка 12 теплообменника самого отдаленного потребителя в обратный трубопровод 6, а последний направляет ее в байпасный трубопровод 11, откуда она поступает во входной патрубок насоса 2 на повторный цикл.

При необходимости снижения температуры теплообменников 10 открывают вентиль8 и ограничивают его пропускную способность по мере достижения необходимой температуры. При этом определенная часть горячей воды минуя теплообменники 10,уходят по Малому кругу через обратный трубопровод 6 в перепускной трубопровод11 и далее –во входной патрубок насоса 2 на повторный цикл, тем самым равномерно снижая температуру теплообменников 10 всех потребителей. Преимущества: повышается эффективность от применения предлагаемой схемы за счет осуществления технологических возможностей в регулировке циркуляции воды, изменения скорости и равномерности нагрева теплообменников всех потребителей. Недостатки: низкая надежность технологического процесса нагрева воды теплогенератором.

В аппарате БРАВО (Би- Роторный Аппарат Волновой Отопительный) вокруг неподвижной геометрической оси минимум, два ротора –активатор и генератор. На периферии активатора расположены вихревые камеры. Генератор по принципу Сегнерова Колеса. Роторы вращаются встречно. При этом циклически генерируются гидроудары генератором выходов вихревых камер активатора.

Гидроударные волны из перекрытых камер перепускаются из открытых камер. Имеются средства саморегулирования энергообмена роторов с рабочим телом.

Все это обеспечивает амплитуду и широкий частотный спектр колебаний, а также высокую эффективность кавитации при малом сопротивлении. Конструкция аппарата позволяет избежать общего недостатка аппаратов динамического типа жестко посаженными на них роторами, а также кавитационного износа роторов (зоны кавитации локально в зонах рабочих камер, вне контакта с их поверхностями). Чтобы принципиальные отличия «БРАВО» от « вихревых» стали понятны читателю, кратко рассмотрим особенности известных типов « вихревых» теплогенераторов и классы.

1. циклон; 2,4- патрубки впускной и выходной ; 3-корпус.

Рисунок 1.9 - Общий вид теплогенератора БРАВО

1-электронасосный агрегат; 2-теплогенератор БРАВО; 3- тепло аккумулятор; 4- циркуляционный ;5 – отопительный прибор; 6-расширительный бак.

Рисунок 1.10 - Конструктивная схема теплового модуля на базе теплогенератора БРАВО

В статических «вихревых» теплогенераторах отсутствуют подвижные конструктивные элементы и имеется тормозное устройство, имеющем большое гидравлическое сопротивление. Аппарат такого рода ВТУ 22 был упомянут выше. Завод имени Дегтярёва декларирует КПД установки «ВТУ 22» 80%. 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 2007г), то один и тот же объём воды в двухсотлитровом бойлере нагревается от 22-х до 70-ти градусов Цельсия в 1,852 раза быстрее. Но, как будет показано ниже, КПД макетного образца не превышает 87,2% (при условии равенства единице теплоёмкости механоактивированной воды). Что доказывает несоответствие декларируемого КПД реальному и является следствием некорректности методики, используемой производителем «ВТУ-22».

Динамические «вихревые» теплогенераторы имеют размещённые в полости корпуса активаторы, жёстко скрепленные с приводными валами (роторные активаторы либо лопаточный активатор. Некоторые из аппаратов снабжены средствами создания автоколебаний в потоке жидкости (сходного с «БРАВО» назначения). Однако, в «Роторном гидроударном насосе - теплогенераторе» [16] зона кавитации совмещена с рабочим колесом насоса, что снижает ресурс и производительность последнего. Большой момент инерции роторов, кинематический связанных с валом приводного электродвигателя – общий недостаток всех известных «вихревых» теплогенераторов динамического типа. Этот недостаток присущ, в частности, теплогенераторам марки «ТС» необходимы энергоёмкий привод вала ротора, дорогостоящая динамическая балансировка массивного ротора, применения выносных подшипниковых опор с радиальными уплотнениями, а также циркуляционного насоса. «ТС» требуют также применения аппаратуры плавного пуска (именно ввиду больших моментов инерции роторов). Сопоставление с существующими аналогами позволяет сделать вывод, что «БРАВО» представляет собой новый тип гидродинамического теплогенератора (смешанный), сочетающий преимущества статических и динамических ВНЖ и лишённый их недостатков. Оптимальными по соотношению «себестоимость – эффективность» средствами повышена эффективность и расширены функциональные возможности аппарата.

Методика проведения испытаний, не ставя перед собой задачу подтвердить или опровергнуть эффекты, возникающие в процессе работы «вихревых» теплогенераторов (гидромеханических преобразователей электроэнергии в теплоту), были проведены измерения выделяемой теплоты по корректной методике и с минимальной погрешностью, чему способствовал научный потенциал и накопленный опыт директора по науке ЗАО «НПО «Тепловизор» Валерия Сергеевича Коптева, разработавшего методику испытаний. ЗАО «НПО «Тепловизор» специализируется в области разработки, производства и реализации многоканальных теплосчётчиков и расходомеров ВИС.Т и ВИС.МИР на базе электромагнитных преобразователей расхода на диаметры Ду 15…1420мм. 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 2007г.) макетный образец «БРАВО» (об его особенностях будет сказано ниже) входил в состав теплового пункта (испытательного стенда), состоящего из электронасосного агрегата, «БРАВО», трубной обвязки и запорной арматуры. Имелись также трубные ответвления на два теплообменника (бойлера), которые при проведении замеров были перекрыты. Для измерения тепло производительности был использован серийный одноканальный электромагнитный теплосчетчик ВИС.Т с первичным преобразователем расхода dy15, который устанавливался на подпиточном трубопроводе (рисунок 9). Измерение потребляемой электрической энергии производилось с помощью электросчетчика типа САУ-И678, который был любезно предоставлен главным энергетиком предприятия, на котором проводятся испытания макетного образца (САО Москвы). В тепловую установку производился постоянный подход холодной воды, которая после гидромеханических воздействий в «БРАВО» непрерывно сливалась через накопительный бак в сливной трап бойлерной. Учитывая гидравлическую плотность установки (отсутствие утечек контролировались визуально),Массовый расход воды на входе в установку равен массовому расходу сливаемой воды. Поэтому для измерения количества генерируемой установкой «БРАВО» тепловой энергии достаточно измерить массовый расход холодной воды, температуры (энтальпии) воды на её 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% в диапазоне разностей температур от 2 до 10 градусов Цельсия и при расходах менее 1% (до 0,1%) от верхнего придела измерения.

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).

Результаты экспериментальных исследований. Для минимизации влияния на результаты измерений притока или потерь тепловой энергии с поверхности аппарата «БРАВО» в окружающий воздух измерения производилось при таких расходах подпиточной воды, когда температура корпуса аппарата и сливаемой воды на 1 3 С выше или ниже температуры воздуха в бойлерной.

1-е измерение

Температура воздуха в бойлерной +31,0 С. Температура воды на выходе установки «БРАВО» = 31,4 С. Температура на корпусе 31,4 С. Измерения проводились в течение 3600 сек. Начальное показание электросчетчика 635866,0 кВТ ч. Показания электросчетчика через 3600 сек. За период 3600 сек.

Таблица 1.1 - Определение зависимости полученной теплоты Q от продолжительности нагрева воды t

Время сек.	0	300	600	900	1200	1500	1800	2100	2400	2700	3000	3300	3600
Q Мкал	0	0,7967	1,6079	2,4425	3,2830	4,1580	5,0330	5,8800	6,7203	7,5670	8,3100	9,2215	10,0460

Затраченная электроэнергия 14,3 кВт.ч.=12,303 Мкал.

10,0460/12,303=0,817(81,7%)

2-е измерение

Температура окружающей воды =31,0º С. Температура воды на выходе установки 28,2º С.Температура 29,8 С. Начальные показания электросчетчика 635904,2 кВт.ч. Показания электросчетчика через 3600сек. Показания ВИС.Т нарастающим итогом с шагом 300 сек,за период 3600 сек.

Таблица 1.2 - Определение зависимости полученной теплоты Q от продолжительности нагрева воды t

Время сек.	0	300	600	900	1200	1500	1800	2100	2400	2700	3000	3300	3600
Q Мкал	0	0,9094	1,8331	2,7505	3,6840	4,6118	5,5400	6,5281	7,4733	8,4186	9,3588	10,1001	11,1716

Затраченная электроэнергия 15,2 кВт.ч.=13,78 Мкал., КПД -11,1716/13,78=0,854(85,4%).

С учетом максимально возможной погрешности измерений КПД установки в опробованных режимах работы находится в пределах от 75,6% до 87,2%. Потери в обмотках электродвигателя (теплота, отдаваемая ими окружающей среде) хорошо коррелируют с разностью между затраченной электроэнергией и верхним значением теплового КПД макетного образца «БРАВО». Таким образом, становится вполне реальным усовершенствовать конструкцию «БРАВО» таким образом, чтобы тепловой КПД равнялся КПД электродвигателя, приводящего насос. В том случае аппарат предполагается оснастить погружным электронасосным агрегатом и поместит такой агрегат в термоизолированный бойлер, чтобы вода нагревалась с тепловым КПД=1.

Нагрев технологических жидкостей .

Многие технологические процессы требуют прямой нагрев химических реагентов –кислотных, щелочных и прочих агрессивных сред. Для чего обычные способы нагрева (ТЭНы, парогенераторы) дороги и громоздки.

Аппараты «БРАВО» позволяют эффективно и удобно производить этих технологических жидкостей:

- на железных дорогах:

- помывка и дезинфекция пассажирских вагонов;

- система мойки, пропарки, разгрузки цистерн ;

- мойка вагонных тележек, колесных пар и т.п. узлов;

- нагрев нефти и нефтепродуктов.

В процессе переработки нефти ее температура должна 22º С. Нагретая нефть гораздо быстрее перекачивается с примесями, как например, парафин и др. нефти до температуры 50…80º С, с целью избавления парафина.

В настоящее время в России теплогенераторы “БРАВО” выпускаются на некоторых фирмах из Московского региона, Ростов – на Дону, Тулы и Пензы. Их выгодно использовать на электрифицированных объектах.

Преимущества: тепло генерируется непосредственно в теплоносителе, без промежуточных поверхностей нагрева, нет тепловых потерь в дымовых трубах, сопровождающих работу котлов; отсутствие необходимости химической подготовки воды; отсутствие накипи на рабочих поверхностях и трубах отопительной системы в течение всей эксплуатации; полная электро – и взрывобезопасность, даже при нагреве горючих жидкостей; малые площади для размещения, отсутствие монтажных работ; экологическая чистота.

Недостатки: высокая металлоёмкость; быстрый кавитационный износ; большие моменты инерции роторов.

В 1986…2009г.г. в КамчатГТУ доктором технических кафедров физики Исаковым А.Я. [29,30] проведены теоретические исследования о кавитационных эффектах в теплогенераторах, которые были опубликованы в 2009 г.

В своей статье он утверждает, что в последние годы появилось много сообщений о высокоэффективных кавитационных теплогенераторах, в которых на каждый киловатт электрической мощности приводного электродвигателя устройства вырабатывают два и более киловатта тепловой энергии. Столь успешные характеристики объясняются наличием ранее не обнаруженных в течение более чем 200 лет исследований эффектов, сопровождающих гидродинамическую кавитацию. В частности, утверждается, что эффективное преобразование энергии потока жидкости в тепло происходит в кавитационных теплогенераторах за счет реакций “холодного” термоядерного синтеза или использования энергии “физического вакуума”.

Как правило, при обсуждении подробностей функционирования кавитационных теплогенератов, авторы ссылаются на возможность возникновения в рабочей жидкости существенных изменений локальных давлений температур.

Действительно, если обратиться к данным о теоретических значениях прочности жидкости на разрыв (таблица 3), то создается впечатление, что возникновение кавитационных полостей в потоке жидкости и последующее их схлопывание будет сопровождаться возникновением существенных градиентов давлений. Так, например, для воды, при коллапсе кавитационных полостей следует ожидать возникновение давлений, на три порядка превышающих нормальное атмосферное давление.

Однако эти характеристики относятся к идеальным жидкостям, представляющим собой сплошную среду в полном смысле этого понятия. Реальные же жидкости, и вода, прежде всего, являются средами, содержащими в большом количестве неоднородности (дефекты) в виде взвешенных воздушных пузырьков и твёрдых гидрофобных частиц, которые могут рассматриваться как кавитационные ядра. Для таких жидкостей растягивающие напряжения, которые они способны выдержать, по величине соизмеримы с давлением их насыщенных паров.

Для воды при температуре Т 293 К давление насыщенных паров составляет р 2350 Па, что заметно меньше теоретической прочности. В этой связи уместно провести аналогию с кипением.

Возникновение конкурентной фазы в жидкости может протекать при наличии в её локальных объемах давлений порядка р , причем происходить это может при понижении местного давления или увеличении температуры. Во втором случае явление называется кипением. Следует отметить, что температура кипения воды (Т 373 К) проявляет свойство стабильности, которое одно время предлагалось считать физической константной, именно из-за присутствия в ней большого количества ядер конкурентной фазы. Для малых объемов дистиллированной, фильтрованной воды в виде капель радиусом 5*10 м в масле [5,6] температура вскипания составляла 429 К. Все дело в концентрации и размерах ядер конкурентной фазы. Жидкости с высокими концентрациями неоднородностей имеют стабильную температуру кипения, следовательно, и стабильные величины давлений при которых возникает кавитация.

Энергетика кавитационного коллапса зависит от свойств ядра, на котором происходит разрыв сплошности. В реальной воде, содержащей пузырьки воздуха в больших количествах, возникающие кавитационные полости не замыкаются полностью, а лишь сжимаются до определённых размеров. Причиной тому, находящийся в полостях газ

В момент достижения кавитационной полостью минимальных размеров давление газа внутри полости должно достигать максимального значения

, (1.4)

где - давление газа в полости при достижении максимального радиуса, - показатель адиабаты, - радиусы кавитационных полостей. При Па, Па,

. (1.5)

Максимальное давление газа в полости определится подстановкой уравнения (13) в уравнение (12)

Па. (1.6)

Температуру газа на конечной стадии адиабатического сжатия при определится как

, . (1.7)

Таким образом, высокие величины локальных давлений температур позволяют рассматривать кавитационные полости как своеобразный аккумулятор энергии, который за относительно большое время расширения полости из ядра накапливает энергию, а за время схлопывания генерирует её в окружающую жидкость.

Полученный выше энергетические соотношения действительно создают впечатление феноменальных энергетических проявлений гидродинамической кавитации с одной существенной оговоркой: они получены для жидкостей с низкой концентрацией газонаполненных ядер, т.е. для относительно “чистых” жидкостей. Представленные энергетические параметры кавитации не относятся к воде, используемой в отопительных системах. Следует заменить, что такие системы являются замкнутыми, т.е. рабочая жидкость в них циркулирует по замкнутым контурам, периодически попадая в зону кавитации, где газ интенсивно из растворённого состояния переходит в свободное. В таких гидродинамических системах вода содержит большое количество газонаполненных относительно крупных ядер, поэтому отношение (1.4) будет иметь значение от 2 до 5, максимальное давление газа следует ожидать в пределах Па, а локальная температура в отличие от уравнения (14) может возрастать не более чем на 1500 К.

Следует ожидать, кроме того, что факты полного схлопывания полостей будут крайне редки. Как правило, газонаполненные полости после попадания в зоны повышенных давлений начинают осциллировать вокруг равновесного объёма на собственной частоте, определяемой

, (1.8)

где - плотность жидкости. Газонаполненные полости представляют собой колебательные системы с высокими показателями добротности. Колебания полостей будут сопровождаться излучением в жидкость волн звукового и ультразвукового диапазона. Так, например, полости с м будут обладать частотой собственных колебаний кГц. Мощность излучения такой полости составит

, (1.9)

где кг/м - плотность воды, м – амплитуда колебаний полости, с=1500 м/с – скорость звука в воде. При указанных параметрах максимальная мощность, излучаемая одной осциллирующей полостью, составит Вт. Если предположить, что одновременно будут излучать полостей, то их суммарная акустическая мощность составит всего кВт. В тепловую энергию, при этом будет преобразовываться максимум 5% акустической энергии, т.е. Вт.

Таким образом, объяснения высокой эффективности тепловых кавитационных насосов, приводимые многочисленными их авторами, требуют существенного уточнения, потому что упоминаемые эффекты в вне термоядерных реакций, плазменного состояния вещества, гамма излучения и т.п. по вполне объективным физическим причинам в условиях тепловых генераторов маловероятны.

Действительно, некоторые физические эффекты, из числа упомянутых, возможны в специально очищенных от твёрдых примесей и газовых включений пробах жидкости. Так, например, люминесценция обнаруживается в кавитационных областях, создаваемых мощными ультразвуковыми полями в “чистых” жидкостях, когда кавитация имеет существенно превалирующий паровой характер. В этом случае в микрообъёмах создаются условия для существования паров жидкости в форме “чёрной” плазмы.

Приведенные выше значения объёмной прочности существенно превышают экспериментальные значения прочности, потому что они соответствуют предельному случаю фазового перехода всего объёма.

Для количественной оценки влияния кавитации на теплофизические параметры объёмов жидкости, занятых кавитацией рассматривают, так называемый, индекс кавитации

, (1.10)

где - максимальный суммарный объём кавитационных полостей, - объём жидкости. Величина пропорциональна потенциальной энергии, запасённой всеми кавитационными полостями, содержащимися в объёме в момент их максимального расширения. Величину В можно рассматривать как меру пространственной концентрации вторичной энергии. Поскольку кавитационное событие определяется вероятностью попадания ядра соответствующего размера в область пониженного давления (в теплогенераторах это центры вихревой системы), то при оценке величины индекса кавитации имеет смысл говорить о среднем по объёму, занятному вихрями.

(1.11)

Величина индекса кавитации, в соответствии с уравнением (19) может принимать значения от нуля до единицы, т.е. . Нулевое значение соответствует отсутствию кавитации, как таковой. Верхний предел характеризует состояние, когда весь объём вихрей занят кавитацией. Следует, однако, иметь в виду, что речь идёт о пузырьковой форме кавитации, которая, как будет показано ниже, обладает наибольшей возможностью аккумуляции энергии вихревого потока в локальных объёмах.

Для возбуждения кавитации расходуется часть первичной энергии потока, поэтому при оценке эффективности кавитации необходимо ввести понятие коэффициента использования этой энергии

, (1.12)

где - энергия, расходуемая на образование кавитационных полостей в единице объёма жидкости, - энергия, затрачиваемая на создание в центре вихрей пониженного уровня давления, достаточного для потери устойчивости кавитационными ядрами.

Для качественной оценки величин N и R вернёмся к рассмотрению единичной кавитационной полости, которую будем рассматривать как своеобразный трансформатор мощности. Рассмотрим условия протекания кавитации в вихревых зонах теплогенераторов. Для упрощения рассмотрения предположим, что во время изменения объёма полости не происходит диссипации энергии, т.е. отсутствуют необратимые тепловые потери, обусловленные вязкостью жидкости, потери на излучение акустической энергии при пульсациях полости, потери на излучение при сонолюминесценции и потери на возбуждение химических реакций. Другими словами, процессы преобразования энергии потока протекают только в системы, состоящей из газонаполненной полости и присоединённой массы жидкости. В конце фазы изотермического расширения полости работа внешних сил расходуется, в пренебрежении испарением жидкости в полость, на увеличение потенциальной энергии присоединённой массы жидкости. На стадии адиабатического сжатия работа внешних сил тратится на увеличение внутренней энергии, содержащегося в полости газа

, (1.13)

где - масса газа, заключенного в полости, моль – 1 – число Авогадро, - молярная масса газа. Плотность энергии присоединённой массы жидкости определится как

, (1.14)

где - работа расширения полости до максимального объёма . Если предположить, давление в центре вихря неизменным, то работа расширения полости от размеров ядра до максимального объёма определится следующим образом

, (1.15)

где - давление в центре вихря, определяемое уравнением

, , (1.16)

где - радиус вихря, - угловая скорость жидкости в области вихревого движения, - текущий радиус, - минимальное давление в центре вихря.

Будем далее считать, что « , что упростит процесс интегрирования уравнения (1.15), хотя это справедливо не для всех полостей и не для всех условий роста.

. (1.17)

На рисунке приведена схема движения кавитационного ядра в фазе расширения. При попадании в область вихревого движения ядро будет перемешаться по спиральной траектории вследствие того, что имеет место градиентдавления (зависимость на рис.7 показана пунктирной линией).

Обозначим время движения ядра к центру вихря через , а время пребывания в области ядра вихря через , тогда время пребывания полости в области пониженного давления определится в виде суммы . После попадания за пределы вихревого движения полость окажется в области внешнего давления на которое будут наложены пульсационные добавки, вызванные турбулентным режимом движения жидкости. Время схлопывания полости примем равным

, (1.18)

где а – постоянный коэффициент. Знаменатель подкоренного выражение представляет сумму статического и динамического давлений в некоторой - той точке жидкости вне пределов вихревого движения. Вести речь об энергетической эффективности кавитационной полости имеет смысл только в том случае, если »

Рисунок 1.11 - Схема движения кавитационного ядра к центру вихря

В качестве меры энергетической активности при рассмотрении применения кавитации в теплогенераторах целесообразно принять величину равную отношению энергии затраченной на образование полости к энергии, выделяемой при её схлопывании. Для случая вихревой кавитации критерий энергетической активности можно записать следующим образом

, (1.19)

где - относительный объём полости, <v> - осреднённое значение скорости. Величина

представляет собой сумму статического и динамического давлений.

Угловая скорость при вихревом движении пропорциональна осреднённой скорости жидкости в аппарате, причём коэффициент пропорциональна осреднённой скорости жидкости в аппарате, причём коэффициент пропорциональности определяется в основном геометрическими характеристиками вихреобразующей системы.

Многочисленный исследования эрозионных повреждений твёрдых поверхностей кавитацией обнаружили, что интенсивность кавитационной эрозии пропорциональна действующему на поверхность давлению и частоте воздействия, т.е. частоте появления вблизи границы твёрдого тела ударных импульсов, вызванных схлопывающимися полостями. Экспериментально установлено, что интенсивность эрозии при обтекании тел потоком воды, пропорциональна скорости потока в первой степени и максимальному давлению, возникающему в жидкости в конечной стадии кавитационного события

, (1.20)

где С- размерный постоянный коэффициент, - максимальная величина давления, наблюдающегося при замыкании полости до некоторого минимального радиуса, определяемого наличием газа. Минимальный радиус полости в конечной стадии её замыкания может быть определён как

, (1.21)

где - показатель адиабаты. В реальных условиях величина внешнего давления , как правило, существенно превышает давление газа в, начавшей сокращать свой объём, полости, что позволяет уравнение (18) упростить

. (1.22)

Давление в жидкости в кульминационный момент смыкания полости, когда можно считать в первом приближении равном давлению газа, что позволяет определить величину максимального давления

. (1.23)

Если принять давление газа в полости в условиях данного опыта постоянной, то для двухатомных молекул газа при уравнение максимального давления можно записать так

. (1.24)

Для интенсивности кавитационного воздействия на жидкость при пропорциональности динамической составляющей давления квадрату скорости можно записать:

. (1.25)

Опытным путём при исследовании повреждений алюминиевых образцов было установлено, что интенсивность кавитационного воздействия пропорциональна скорости потока в шестой степени. Применительно к кавитации в теплогенераторах интенсивность кавитационного воздействия на обрабатываемые среды имеет некоторое оптимальной значение в функции скорости. Увеличение скорости сопровождается переходом пузырьковой формы кавитации к образованию в вихревой области единой стационарной каверны, которая представляет собой полость с пульсирующей хвостовой частью, из которой собственно и происходит генерация отдельных более мелких сферических образований.

Испытания в кавитационной трубе показали так же, что на эрозионные характеристики кавитации при прочих равных условиях влияние оказывает объёмное газосодержание рабочей жидкости. Обнаружено, что увеличение объёмного газосодержания до 5 - 8% эрозия образцов прекращалась полностью. Это может быть объяснено тем, что в жидкости имелось большое количество газонаполненных ядер относительно крупного размера, которые, попадая в зону пониженного давления незначительно увеличивали свой объём и при схлопывании изменение объёма было малым, что не приводило к возникновению давлений и температур, достаточных для разрушения поверхностей испытуемых материалов. Именно такие условия создаются при работе кавитационных теплогенераторов, когда вода в циркуляционном технологическом контуре имеет предельные значения газосодержания.

Как отмечается, при испытаниях кавитационных теплогенераторов было установлено, что наибольшая эффективность преобразования энергии потока жидкости в тепло наблюдается для температур порядка 60 - 70 . Это обстоятельство может быть объяснено тем, что то температуры зависит давление насыщенных паров. Кривая 1 рисунок 1.12 получено при изменении температуры воды, кривая – бензина, кривая 3 – толуола для потери веса вследствие кавитационной эрозии в условиях гидродинамических стендов.

Рисунок 1.12 - Эрозионный износ в зависимости от температуры

При изменении температуры жидкости изменяется величина давления насыщенных паров, в то время как плотность, вязкость и поверхностное натяжение остаются, практически, без изменений. У всех трёх, достаточно не одинаковых по свойствам, жидкостей имеется экстремальное значение величины (отношение потери веса ко времени кавитационного воздействия), т.е. это не аномальная характеристика какой-либо одной жидкости и не ошибка методики эксперимента. Увеличение температуры, помимо роста давления насыщенных паров, сопровождается уменьшением концентрации растворённого газа. Систематические исследования кавитационных повреждений гидротурбин и насосов показали, что в летнее время интенсивность кавитационных повреждений больше, чем в зимнее. Эта сезонная особенность связывается с газосодержанием воды.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что в кавитационных тепловых насосах условия образования конкурентной фазы в рабочей жидкости делают возникновения сверхвысоких температур и давлений маловероятными, не говоря уже о «холодном» термоядерном синтезе и прочих явлениях на атомном и субатомном уровне. В анализируемых устройствах гидродинамическая газовая кавитация характеризуется набором традиционных эффектов, связанных с возникновением и последующими пульсациями газонаполненных полостей. Естественно предположить в этой связи, что причины столь высокой эффективности преобразования энергии вихревых потоков жидкости в тепло, заявляемой авторами кавитационных теплогенераторов, могут объясняться особенностями проведения теплотехнических испытаний и не вполне корректным теоретическим анализом всех физических процессов, сопровождающих их работу.

В КазНАУ (2007...2012 г.г.) [ 10 ] проведены предварительные исследования и разработан экспериментальный образец струйного теплового модуля для нагрева воды и теплоснабжения автономных объектов АПК, а также может быть использован для очистки загрязненного воздуха от запыленности, твердых частиц и запахов и утилизации тепла в отработанных воздушных смесей, структурная схема которого показана на рисунке 12.

1. центробежный насос;

2. эжектор;

3. емкость.

Рисунок 1.13 - Структурная схема экспериментального образца струйного теплового модуля.

Тепловой струйный модуль состоит из центробежного насоса 1, эжектора 2 с соединительной арматурой и емкости 3, заполненной нагреваемой водой. Нижняя часть емкости соединена со всасывающим патрубком насоса, а верхняя часть – через эжектор с нагнетательным патрубком насоса, образуя замкнутую открытую циркуляционную систему движения воды при работающем насосе.

Нагрев воды происходит за счет выделения тепла от трения движущихся с разной скоростью струйных потоков воды и воздуха, создаваемых эжектором при технологическом процессе вакуумирования. Результаты предварительных испытаний показали положительные результаты.