Результаты испытаний вихревого теплогенератора ТПМ 5,5–1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты испытаний вихревого теплогенератора ТПМ 5,5-1

Халатов А.А., д.т.н., профессор, руководитель Научного отдела высокотемпературной термогазодинамики, член-корреспондент НАН Украины; Коваленко А.С., к.т.н. старший научный сотрудник; Шевцов С.В., к.т.н, старший научный сотрудник, Институт технической теплофизики НАН Украины, г. Киев, Украина, serge@vortex.org.ua

В последнее время в странах СНГ повышенное внимание уделяется созданию и применению целого ряда нетрадиционных источников энергии, основанных на одинаковом принципе преобразования кинетической энергии потока в тепловую, но отличающихся друг от друга по названию и конструкции[1,6,7]. По заявлению авторов, все они обладают способностью превращать подводимую к установке электрическую энергию в тепловую с коэффициентом преобразования энергии (КПЭ) порядка 1,5…2 [3] и даже более [1, 2]. Начиная с 90-х годов ХХ века, такие устройства и способ преобразования энергии в них были запатентованы в России и Украине [4, 5], а производство тепловых генераторов (ТГ) разных типоразмеров к настоящему времени исчисляется сотнями.

Теоретические положения, объясняющие эффект преобразования энергии в вихревом теплогенераторе, рассмотрены в [2, 7]. Однако, опубликованных экспериментальных исследований, подтверждающих эти теоретические предпосылки, пока нет.

Поэтому представляется важным провести такие испытания для определения достоверных значений КПЭ вихревого теплогенератора промышленного изготовления.

Объект исследования. Определение коэффициента преобразования энергии теплогенератора и влияния на него режимных параметров проводилось на тепловом преобразователе мощности ТПМ-5,5-1, который был изготовлен в ЗАО «Энергоресурс» (г. Краматорск) по лицензии фирмы «Юсмар» (г. Кишинев) и эксплуатировался шесть лет.

Теплогенератор был получен для исследований на основании «Соглашения о временной передаче научно-технической продукции» от 21.11.01 г.между ИТТФ НАН Украины и ТОО «Світ ласощів» (г.Черкассы).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Схема теплогенератора. 1 - сливной патрубок, 2 - бак, 3 - насос, 4 - термостат-реле, 5 - магнитный пускатель, 6 - заливной патрубок, 7 - вихревая труба, 8 - краны.

вихревой теплогенератор преобразователь

Основные элементы теплогенератора (рис. 1): центробежный скважинный насос для воды (3) типа ЭЦВ 6-10-110 в одном блоке с электродвигателем ПЭДВ 5,5-140, вихревая труба (7),магнитный пускатель (5), термостат-реле (4),патрубки для залива (6) и слива (1) воды, смонтированные внутри и снаружи корпуса бака-бойлера (2),а также краны (8), предназначенные для эксплуатации ТГ в системе отопления. В качестве теплоносителя использовалась вода, температуру которой можно было регулировать термостатом-реле (4).

Основные паспортные данные теплогенератора представлены в таблице 1.

Таблица 1

Рис. 2. Вихревая труба. 1- развихритель, 2 - корпус трубы, 3 - улитка.

Принцип действия объекта (рис. 2) основан на разгоне жидкости,подаваемой под давлением насосом из бака на вход вихревой трубы. Поток, закручиваясь в улитке(3), движется по спирали вдоль стенок (2) вихревой трубы с дальнейшим его торможением в спрямляющем аппарате (1) (развихрителе). Таким образом, в исследуемом теплогенераторе вода нагревается как в баке от тепла, выделяющегося в электромоторе и насосе, так и в вихревой трубе в результате процессов торможения и кавитации жидкости.

Теплогенератор может работать как по кольцевой схеме, подогревая воду (в нашем случае) с темпом примерно 0,4єС в минуту, так и в системе отопления, потребляемая мощность которой должна быть не выше производимой теплогенератором.

Экспериментальная установка. Для проведения испытаний был создана установка (рис.3), состоящая из исследуемого теплогенератора, теплообменника (14), имитирующего систему отопления, систем: подвода теплоносителя от ТГ к теплообменнику и отвода от него; подвода охладителя к теплообменнику и отвода от него; замера температур; учета израсходованной электроэнергии. Теплоноситель (12) - вода (200 л) заправлялась в бак (5) из водопроводной сети без какой-либо предварительной подготовки. Из бака она подавалась насосом (3) к вихревой трубе (13), а затем через краны (2) могла попадать или обратно в бак (кольцевая схема) или же в систему питания теплообменника с последующим сливом в бак. Насос приводился в действие трехфазным асинхронным двигателем (4) с короткозамкнутым ротором и обмоткой возбуждения, соединенной треугольником.

Запуск электродвигателя производился через магнитный пускатель (9).Характер и последовательность операций при запуске ТГ соответствовали руководству по монтажу и эксплуатации фирмы-изготовителя. Рекуперативный теплообменник перекрестно-точного типа имел пластинчатые рабочие поверхности и изготовливался из нержавеющей стали. Система охлаждения теплообменника запитывалась от водопроводной сети и включала в себя регулирующий вентиль (15) и счетчик объемного расхода воды КВ-1,5 (1). Для уменьшения отвода тепла в окружающую среду теплообменник и теплогенератор были покрыты изоляцией (10).

Измерение температур теплоносителя в баке, стенок бака, изоляции, воздуха в помещении, охладителя на входе и выходе, теплообменника производилось термоэлектрическими термометрами градуировки ХА с выводом сигнала на цифровой лабораторный вольтметр Щ68003 (на схеме не показан).

Рис.3. - Схема установки: 1 - счетчик воды, 2 - краны, 3 - насос, 4 - электродвигатель, 5 - бак, 6 - вольтметр, 7 - счетчик активной электроэнергии, 8 - амперметр, 9 - магнитный пускатель, 10 - теплоизоляция, 11 - манометр, 12 - вода, 13 - вихревая труба, 14 - перекрестноточный теплообменник, 15 - регулирующий вентиль.

Величина давления на входе в вихревую трубу замерялась образцовым манометром (11). Электроэнергия, расходуемая при экспериментах, определялась по трехфазному счетчику (7) активной энергии непосредственного включения. Кроме того, для определения коэффициента мощности сети и дублирования показаний счетчика замерялись линейное напряжение (6) и сила тока (8).

Методика проведения эксперимента и обработки его результатов

Эксперимент проводился в два этапа, которые отличались друг от друга отсутствием теплообменника (I этап) или его наличием (II этап). Кроме того, I этап, в свою очередь, разделялся на исследование ТГ при неадиабатном процессе и при квазиадиабатном. В качестве режимных параметров были выбраны температура воды в баке и давление на входе в вихревую трубу.

На I этапе КПЭ определялся в процессе стационарного нагрева теплоносителя в баке с циркуляцией воды по кольцевой схеме. Весь процесс нагрева разбивался на временные интервалы по 10 минут. В начале эксперимента и в конце каждого из интервалов замерялись необходимые параметры. Давление на входе в вихревую трубу поддерживалось постоянным, но величину его можно было регулировать краном (2). Расчет КПЭ производился в конце каждого временного интервала, начиная с первого, но за все предыдущее время эксперимента. На II этапе исследований линия кольцевания перекрывалась краном (2) и КПЭ рассчитывался при работе установки в комплексе с теплообменником, имитирующим работу системы отопления. В отличие от нее, на теплообменнике можно было изменять потребляемую тепловую мощность путем регулирования расхода охладителя вентилем (15).

Методика проведения эксперимента в этом случае предполагала выход установки на необходимый равновесный режим ее работы. Тогда тепло, отводимое в теплообменнике к охладителю и определяемое в процессе испытаний, соответствовало теплу, подводимому к теплоносителю в баке.

Режим считался установившимся, если температура теплоносителя в баке оставалась неизменной в течение 40…60 минут.

Наряду с теплофизическим экспериментом исследовалось влияние режимов работы ТГ на мощность гамма-излучения элементов установки. Замеры производились радиометром бета-гамма-излучения РКС-20.03 «Припять».

На I этапе исследования, при работе неизолированного ТГ в условиях стационарного нагрева КПЭ рассчитывался как отношение всего тепла, полученного теплоносителем, конструкцией, а также отданного во внешнюю среду свободной конвекцией и излучением, к работе, израсходованной электросетью на вращение насоса. Таким образом:

m = , (1)

Q = Qв+Qуст+[(q·S)ст+(q·S)кр+(q·S)тр+(Е·S)уст]ф, (2)

Qв = Мв·срв (tв2 - tв1), (3)

Qуст = Муст·суст (tуст2 - tуст1). (4)

Работа Аi на каждом интервале времени определялась по электросчетчику.

При исследовании работы установки с покрытием, практически полностью изолирующим ее от окружающей среды, КПЭ определялся аналогично (1). Однако в этом случае отсутствовал процесс теплообмена с окружающей средой и тогда

Qi = Qв + Qуст. (6)

На II этапе исследований КПЭ определялся как отношение тепла, отведенного охладителем в теплообменнике к работе, израсходованной электросетью:

m = , (7)

где Qохл = Vв·св·cрв·(tв**- tв*)ф. (8)

Результаты и обсуждение. Характер изменения коэффициента преобразования энергии в зависимости от температуры в баке при постоянном избыточном давлении на входе в вихревую трубу и отсутствии изоляции ТГ представлен на рис.4. Значения КПЭ в серии экспериментов в пределах погрешности эксперимента, группируясь возле единицы, соответствуют закону сохранения и превращения энергии. При этом КПЭ практически не зависит от температуры теплоносителя, хотя и имеет некоторую тенденцию к росту с ее увеличением.

Исследование процесса преобразования электрической энергии в тепловую на установке с изоляцией, практически исключающей свободную конвекцию и излучение, показало, что характер изменения КПЭ остался таким же (рис. 5). Но в этом случае существует слабо выраженная тенденция к уменьшению КПЭ с ростом температуры теплоносителя в баке. По-видимому, это связано с тем, что в расчетах не учитывался отвод тепла теплопроводностью в изоляцию, а затем и во внешнюю среду свободной конвекцией и излучением. При этом уровень избыточного давления на входе в вихревую трубу практически не сказывается на величине КПЭ и характере его изменения.

Рис.4. Зависимость КПЭ от температуры воды, полученные в серии экспериментов (теплогенератор без изоляции, вода не стратифицирована)

Рис.5. Зависимость интегрального КПЭ от температуры воды и избыточного давления в системе (теплогенератор с изоляцией, вода не стратифицирована): 1 - 1,5 атм; 2 - 2,5 атм; 3 - 3,5 атм; 4 - 4,5 атм.

Результаты эксперимента на установке с теплообменником (рис.6) показывают, что зависимость КПЭ от тепловой мощности, потребляемая системой отопления, имеет слабую тенденцию к уменьшению значений КПЭ с ростом температуры воды в баке. Величина КПЭ в пределах исследованного диапазона равновесных режимов работы ТГ полностью согласуется с законом сохранения и превращения энергии. Отклонения значений КПЭ от единицы можно объяснить не только объективной погрешностью измерений, но и влиянием теплообмена между неизолированными элементами установки (краны, штуцера, соединительные шланги) и внешней средой. При этом уровень внешней температуры определяет характер влияния теплообмена и, в некоторой степени, разброс экспериментальных точек. Снижение КПЭ с ростом температуры воды определенно связано с увеличением отдачи тепла от элементов установки во внешнюю среду, хотя и значительно сниженной применением изоляции.

Рис.6. Зависимость КПЭ от температуры воды при различном избыточном давлении в системе во время исследования с теплообменником: 1 - 2,7 атм; 2 - 4 атм; 3 - 5 атм.

Вероятно, по этой же причине, КПЭ растет с уменьшением температуры теплоносителя. В результате установка вначале выходит на нулевой режим теплообмена с внешней средой, а потом и на режим поглощения тепла из окружающего пространства. Последнее идентифицируется как «рост» КПЭ больше единицы.

Рис.7. Зависимость приведенной к фону мощности г - излучения от температуры воды при различном избыточном давлении в системе: 1 - фон 8 мкРн/час, давление 3,5 атм; 2 - фон - 12 мкР/час, давление 1,5 атм.

Характер влияния давления на выходе из насоса (то есть гидравлического сопротивления цепи) в исследованном диапазоне выражен слабо (рис.6). Рост давления в системе вызывает некоторые увеличения КПЭ, но при больших температурах теплоносителя это практически не заметно.

Измерения мощности экспозиционной дозы излучения показали, что гамма-излучение всех элементов установки, кроме вихревой трубы, соответствует фоновому. Мощность же ионизирующего излучения на входе в вихревую трубу, над улиткой больше фоновой (рис.7).

Значения ее в зависимость от температуры теплоносителя имеют определенный статистический разброс, хотя и просматриваются некоторые закономерности, не имеющие пока строгого научного объяснения.

Так, например, в начале нагрева мощность дозы по сравнению с естественным фоном резко возрастает (в 1,3…1,9 раза). Затем при температуре воды в баке 40…45оС мощность дозы начинает падать, достигая минимума при 60…70оС с последующим энергичным ростом.

Кроме того, наблюдается определенное влияние уровня естественного фона на степень увеличения мощности гамма-излучения. Так, при измерениях, выполненных 01.02.02 г. (зима), когда фон составлял 8 мкР/ч (1), мощность излучения вначале выросла до 15 мкР/ч, т.е. в 1,875 раза. При измерениях же 07.05.02 г. (весна), когда фон составлял 12 мкР/ч(2), мощность излучения выросла также до 15 мкР/ч, но только в 1,25 раза. Кроме того, в последнем случае наблюдалось падение мощности излучения в отмеченном выше интервале температур до уровня фоновой и даже ниже ее.

Выводы

1. Коэффициент преобразования энергии испытанного теплогенератора не превышает единицы для всех исследованных режимов. Определение КПЭ тремя независимыми методами показало практически полную идентичность полученных результатов.

2. На торце вихревой трубы обнаружен участок повышенного (в 1,3...1,9 раза) уровня гамма-излучения по сравнению с его фоновым значением.

3. В связи с практическим применением вихревых теплогенераторов представляется необходимым провести исследование теплогенераторов и других типов.

4. Вихревой теплогенератор исследованного типа можно применять в качестве источника тепла в различных технологических процессах.

Литература

1. Абдулкеримов С. С. Диагностика экологической чистоты нетрадиционных источников энергии. - Строительные материалы, оборудование, технологии ХХI века. № 4, 2001, с. 27.

2. Потапов Ю. С., Фоминский Л. П., Потапов С. Ю. Энергия вращения. - Кишинев: Молдавский центр «Ноосферные технологии» РАЕН, 2001, 382 с.

3. Сапогин Л. ХХI век - новые источники энергии. - Чудеса и приключения. №11, 1996, с. 32-35.

4. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей. Потапов Ю. С. Патент РФ № 2045715 С1. Заявлен 26.04.93 г. № 93021742/06; опубл. 10.10.95 г. Бюллетень №28.

5. Устройство для нагревания жидкости и теплогенератор, который используется в нем. Потапов Ю. С. и др. Патент Украины № 7205 А. Заявлен 15.09.94 г. № 94096972; опубл. 30.06.95 г. Бюллетень № 2.

6. Энергосбережение в Украине: (оборудование, материалы, услуги). - Киев: Гос.комитет Украины по энергосбережению «Международный центр энергоэффективных технологий». 2000.

7. Фоминский Л. П. Как работает вихревой теплогенератор Потапова. - Черкассы: ООО «ОКО-ПЛЮС», 2001, 103 с.

Обозначения

А - работа; с - удельная теплоемкость; ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении; Е - поверхностная плотность потока излучения; I - сила тока; М - масса; m - коэффициент преобразования энергии; P - активная мощность тока, потребляемая из сети; р - давление; Q - количество теплоты; q - плотность теплового потока; S - площадь поверхности; t - температура; U - напряжение электрической сети; V - объем; cos- коэффициент мощности электрической цепи; - массовая плотность; - время; КПЭ- коэффициент преобразования энергии; ТГ - теплогенератор;

Индексы:

* - значение параметра на входе в теплообменник; ** - значение параметра на выходе из теплообменника; в - вода; изб - избыточное; кр - крышка; охл - охладитель; ст - стенка; тр - труба; уст - установка; i - значение параметра на временном интервале; n - количество временных интервалов; 1 - значение параметра в начале временного интервала; 2 - значение параметра в конце временного интервала.

Размещено на Allbest.ru