Ресурсосбережение при использовании вихревых гидравлических теплогенераторов

Курносов Н.Е., Тарнопольский А.В., Иноземцев Д.С. РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВИХРЕВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ

Предложено автономное теплотехническое устройство для нагрева жидкости, приготовления гомогенных эмульсий и моющих растворов на основе вихревого гидравлического теплогенератора. Дана сравнительная оценка эффективности различных теплотехнических устройств, применяемых для отопления и горячего водоснабжения. Приведены примеры практического применения вихревых гидравлических теплогенераторов.

Экономика России в настоящее время в сравнении с индустриально-развитыми странами потребляет энергоресурсов в 3-4 раза больше на единицу произведенной продукции и в 7-8 раз больше на 1 кв. метр жилой площади [1]. Проблема теплоснабжения в нашей стране решалась с учетом плотности проживания населения. В городах теплоснабжение обеспечивается, как правило, централизованно, на базе ТЭЦ или котельных различной мощности, сжигающих различные виды органического топлива. Транспортирование тепловой энергии к потребителям производится по теплотрассам, где теряется значительное количество тепла. Стоимость строительства и эксплуатации теплотрасс велики, а эффективность не превышает 60%.

В связи с развитием в последние годы индивидуального строительства и необходимостью обеспечения предприятий более дешевой тепловой энергией возрос спрос на автономные системы отопления и горячего водоснабжения. Однако отечественная промышленность недостаточно удовлетворяет потребности рынка в высококачественном, экономичном и многофункциональном оборудовании для теплоснабжения. Рынок быстро отреагировал на возросший спрос, удовлетворяя его котельным оборудованием зарубежного производства, сертифицированным в России.

Для решения проблем теплоснабжения жилых и производственных помещений, технологического оборудования разработаны и производятся вихревые гидравлические теплогенераторы, способные обеспечить автономное отопление и горячее водоснабжение [2, 3] . В вихревом гидравлическом теплогенераторе рабочим

телом является жидкость, отличающаяся от газов тем, что она практически несжимаема и имеет большую теплоемкость. Подачу рабочей жидкости в вихревую камеру обеспечивает центробежный электронасос. Напорный трубопровод соединяет насос с тангенциальным вводом вихревой камеры. Из вихревой камеры жидкость выходит через специальные диафрагмы. После выхода из вихревой камеры жидкость направляется в бак, а оттуда по трубопроводу на всасывающий патрубок насоса, тем самым, образуя замкнутый контур циркуляции. Типичная температура теплоносителя 70 - 80°С, но в некоторых установках возможен нагрев теплоносителя до 100°С и более.

Сопоставление конструкции и принципа действия устройств для отопления и горячего водоснабжения показывает, что большинство устройств обеспечивают нагрев жидкости которая может использоваться для подачи в радиаторы или конвекторы и для горячего водоснабжения. Другие отопительные устройства обеспечивают прямой нагрев воздуха в помещении. Рассмотрим основные типы устройств для отопления и горячего водоснабжения помещений. Отопительные котлы обеспечивают нагрев жидкого теплоносителя и используют для этого либо электроэнергию, либо органические виды топлива (твердое - уголь или торф, жидкое - солярка или мазут, газообразное - природный или сжиженный газ) . В связи с этим основное деление отопительных котлов на типы производят по виду используемого топлива.

Электрокотлы могут обеспечивать как отопление так и расходное горячее водоснабжение, имеют простую конструкцию, легко монтируются, удобны в эксплуатации, так как снабжены автоматическим управлением. Недостатком является необходимость тщательной водоподготовки, без которой происходит отложение накипи на нагревательных элементах, приводящее к снижению теплоотдачи с их поверхности и последующему перегоранию.

Газовые котлы имеют более сложную, чем электрокотлы конструкцию и систему управления, при наличии бойлера обеспечивают расходное горячее водоснабжение. Для установки газовых котлов требуется отдельное помещение, установка воздуховодов для подачи воздуха и дымоходов для отвода продуктов сгорания.

Кроме того для оплаты проекта на котельное помещение, на подводку газа от магистрали до котла, мон-

таж и установку котла требуются большие начальные затраты.

Жидкотопливные котлы используют в качестве топлива либо солярку, либо мазут, для хранения которых необходима емкость на несколько тонн, а для непрерывной подачи топлива в топочную камеру необходим электронасос. Для установки жидкотопливных котлов требуется отдельное помещение, воздуховоды для подачи воздуха и дымоходы для отвода продуктов сгорания. В связи с приведенными причинами капитальные затраты на приобретение и монтаж жидкотопливных котлов весьма значительны.

Твердотопливные котлы монтируются в отдельном помещении, используют в качестве топлива уголь, кокс, торф. Для хранения значительного запаса топлива необходимо иметь дополнительное помещение, обеспечивать его доставку и разгрузку. требуют постоянного присутствия человека для контроля за топочной камерой и загрузки в нее топлива. Наиболее существенный недостаток твердотопливных котлов заключается в необходимости практически постоянного присутствия человека для подачи топлива в топочную камеру и контроля за процессом горения.

Прямой нагрев воздуха в помещении производят с помощью электроконвекторов, нагрев поверхности которых производится с помощью электрических нагревательных элементов. При прямом нагреве воздуха высокотемпературными нагревательными элементами происходит его осушение, что вредно для здоровья. При необходимости горячего водоснабжения необходима дополнительная установка других водонагревательные приборов.

Вихревой термогенератор - новое экологически чистое устройство, предназначенное для автономного отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений. Принцип действия основан на преобразовании электрической энергии в тепловую, без использования нагревательных элементов за счет создания вихревого движения жидкого теплоносителя (вода, антифриз и т.п.) при его прокачивании электронасосом через вихревую камеру. Наиболее существенными преимуществами вихревого термогенератора в отличие от всех типов котлов является то что он обеспечивает не только нагрев, но и принудительную циркуляцию теплоносителя в системе отопления, не требует тщательной водоподготовки, при этом исключается появление отложений на внутренних поверхностях термогенератора и системы отопления. Вихревые термогенераторы отличаются высокой экономичностью в эксплуатации (КПД до 94%), не требуют постоянного обслуживания, их система управления обеспечивает работу в автоматическом режиме.

Затраты на отопление и горячее водоснабжение складываются из капитальных затрат на покупку и монтаж необходимого оборудования и текущих эксплуатационных затрат, связанных с оплатой доставки топлива, профилактикой и обслуживанием котлов. Наиболее существенной статьей эксплуатационных расходов является стоимость используемого топлива или электроэнергии. Эффективность эксплуатации различных типов отопительного оборудования определяется коэффициентом полезного действия теплоэнергетических устройств, теплотворной способностью органических видов топлива.

Стоимость энергоносителей, требуемых для отопления помещения площадью 100 м2 при принятых теп-лопотерях 100 Вт/м2 и непрерывной работе в течение отопительного сезона продолжительностью 8 месяцев

(57 60 часов), подсчитанные в сопоставимых условных единицах с учетом данных разработчиков теплотехнического оборудования приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Эксплуатационные затраты на отопление помещения площадью 100 м2 в течение отопительного сезона

Вид теплотехнического оборудования и топлива КПД отопительных устройств Теплота сгорания топлива Расход топлива на 1 Гкал тепла Цена топлива на 1 Гкал тепла, УЕ

Газовый котел (природный газ) 0,8 31-3 8 МДж/м3 15 6 м3 9,36

Котел на жидком топливе (дизельное топливо) 0,8 4 0-4 3 МДж/кг 120 кг 24,00

Котел на твердом топливе (уголь) 0,8 2 8-34 МДж/кг 187 кг 3,74

Электрокотел (электроэнергия) 0,9 - 1290 кВт*час 15,48

Вихревой термогенератор ТМГ (электроэнергия) 0,94 - 1234 кВт*час 14,80

Прямое электрическое отопление (электроэнергия) 0,95 - 1221 кВт*час 14,60

Сопоставление ежегодных эксплуатационных затрат без учета затрат на обслуживание теплотехнического оборудования и профилактических работ, о которых было сказано выше, показывает что наименьшая стоимость энергоносителей обеспечивается при использовании твердотопливных котлов, однако для их эксплуатации необходимо постоянное участие человека, обеспечивающего подачу топлива и регулирование процесса горения. Остальные отопительные устройства могут работать в автоматическом режиме, однако даже при кратковременных перебоях в электроснабжении аппаратура автоматического управления котлов на газовом и жидком топливе отключает процесс горения, а для его возобновления необходимо вмешательство человека. Включение электроотопительных устройств производится автоматически при возобновлении подачи электроэнергии, что является их несомненным преимуществом.

Таким образом, при наличии газоснабжения конкурентоспособными отопительными устройствами могут быть газовые и электрические котлы, прямые электроотопительные приборы и вихревые термогенераторы. При отсутствии газоснабжения наиболее эффективно использование для отопления и горячего водоснабжения вихревых термогенераторов. Потребителю остается выбрать вид теплоэнергетического оборудования с учетом собственных удобств и потребностей, возможности энергоснабжения и капитальных затрат, о характере которых было сказано выше.

Проведенные испытания показали, что проточно-накопительный водонагреватель на базе вихревого термогенератора на 15-20% эффективнее проточного водонагревателя модели ББ-13 производства Германии аналогичной мощности и может работать в двух режимах, как проточном, так и накопительном (рисунок 1) . Выполненные разработки превосходят известные отечественные и мировые аналоги, имеют патентную защиту, просты и высоконадежны, безопасны и экологически безопасны.

Расход горячей воды, л/мин

Рисунок 1 - Сравнительные характеристики водонагревателей вихревого и электрического типов

Основное преимущество вихревых гидравлических теплогенераторов перед тепловыми электронагревателями - это отсутствие требований по подготовке воды, отсутствие накипи и отложений на элементах устройства и возможность работы на различных видах жидкости, в том числе химически агрессивных и пожароопасных, в то время как ТЭНы требовательны к качеству подогреваемой воды. Коэффициент полезного действия вихревых теплогенераторов достигает 95%, поскольку "потери" электрической энергии в насосе (с КПД~7 0 %) полностью идут на нагрев рабочей жидкости.

Уникальная конструкция вихревого термогенератора кроме отопления и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных помещений находит применение для теплоснабжения производственного оборудования, нагрева, перемешивания и обеззараживания технических жидкостей [4].

Высокая надежность, безопасность и экономичность делают применение вихревых гидравлических теплогенераторов в качестве автономного источника теплоснабжения технологического оборудования более эффективным по сравнению с электронагревателями и более экономичным, чем паром. Их применение обес-печвает заданный температурный режим гальванических ванн. Четырехлетний опыт применения вихревых гидравлических теплогенераторов для теплоснабжения гальванических ванн в ОАО «Дизель» (Краснодарский край) и в ОАО «Кузнецкий завод приборов и конденсаторов» показал их высокую надежность, при этом обеспечивается экономия энергоресурсов до 20% (рисунок 2).

Рисунок 2 - Вихревой теплогенератор обеспечивает автономное теплоснабжение гальванических ванн

Применяемые в процессе механической обработки материалов эмульсионные смазочно-охлаждающие жидкости являются питательной средой для размножения бактерий. В результате жизнедеятельности бактерий, эмульсия разлагается, выделяется сероводород и она истощается, т.е. становится непригодной для дальнейшего использования. Кавитационные пузырьки, образующиеся в воде, существенно влияют на жизнестойкость микроорганизмов, значительно понижая последнюю. В работе [ 5] говорится, что методами электронной микроскопии обнаружено, что в эмульсии, приготовленной с применением эжекционно-волновой технологии, концентрация и активность микроорганизмов гораздо меньше по сравнению с СОЖ, получаемой традиционным способом. При волновой обработке устойчивость СОЖ к биопоражению достигала 3 месяцев, тогда как обычная СОЖ при отсутствии биоцидных добавок в летнее время склонна к развитию микроорганизмов уже через 5-7 суток эксплуатации. Традиционно используемые методы перемешивания эмульсий (рамными, лопастными и якорными мешалками, барботаж, перекачивание насосами, перекатывание бочек и др.) неэффективны [ 5]. Эмульсия получается при этом крупнодисперсная, с размерами частиц эмульсола от 3 до 8 мкм и более. Крупные капельки эмульсола замасливают инструмент и обрабатываемые детали. Только в однородных, нерасслаивающихся эмульсиях в каждой капле жидкости имеются все необходимые компоненты СОЖ. Чем выше дисперсность частиц эмульсола, тем более однородна и стабильна эмульсия.

Для решения задач приготовления высококачественных СОЖ и поддержания их в рабочем состоянии предложено применять вихревой термогенератор [6, 7]. При движении вихревого потока жидкости в оптически

прозрачной вихревой камере термогенератора было отмечено образование огромного количества мельчайших пузырьков. Пузырьки движутся вместе с вихревым потоком жидкости, распространяются на большую часть вихревой камеры. Данное явление называется кавитацией, которая возникает в результате разрывов сплошности жидкости при местном понижении давления. В периферийных вихревых потоках, где скорость потока жидкости резко уменьшается, а давление, соответственно, увеличивается, и перед выходом из вихревой камеры происходит схлопывание кавитационных пузырьков и выделение тепла. Совместное воздействие кумулятивных струек, образующихся при схлопывании кавитационных пузырьков, гидродинамических ударов и ультразвукового поля приводят к стерилизации обрабатываемой жидкости, эмульгированию обычно не смешиваемых продуктов, гомогенизации обрабатываемого продукта. В процессе приготовления СОТС с использованием вихревого теплогенератора проявляется синергетический эффект взаимного усиления процессов перемешивания, диспергирования, нагрева, обеззараживания и активации СОТС при движении жидкости в вихревых потоках. Эмульсия, приготовленная по кавитационной технологии, имеет до 90% частиц размером менее 1мкм. При этом возможно повысить срок службы эмульсии, за счет снижения бактериальной поражаемости. Применение небольших по мощности теплогенераторов, работающих в режиме кавитации, обеспечит качественное приготовление в производственных условиях мелкодисперсных трудно расслаивающихся эмульсий смазывающе-охлаждающих технологических средств (СОТС), используемых при обработке материалов резанием. Использование мелкодисперсных эмульсий, приготовленных с использованием кавитационных технологий, позволяет повысить производительность станков, сократить расход режущего инструмента, улучшить качество обрабатываемых поверхностей.

Интенсифицировать процесс очистки и мойки деталей при ремонте, после механической обработки, перед сборкой и нанесением гальванических покрытий поверхности позволит применение вихревого гидродинамического нагревателя жидкости. При прокачивании моющего раствора электронасосом через вихревую камеру вихревые потоки моющего раствора нагреваются, насыщаются мельчайшими паровоздушными пузырьками и при направленной подаче в моечный бак обеспечивают качественную мойку и очистку поверхности деталей, экономию моющих средств. Всепроникающие пузырьки, лопаясь на поверхности деталей интенсифицируют процесс очистки их поверхностей, обеспечивают экономию моющих средств и энергии.

Рекомендуемые области применения вихревых гидравлических теплогенераторов:

автономное горячее паро- и водоснабжение производственного и технологического оборудования в промышленности, сельском хозяйстве, пищевом и перерабатывающем производствах;

отопление и горячее водоснабжение жилых, производственных и общественных помещений;

подвижные или резервные системы теплоснабжения для коммунальных служб на случай аварий в системах теплоснабжения;

нагрев нефти перед переработкой;

приготовление мелкодисперсных, устойчивых к расслоению эмульсий;

автономный нагрев разнородных жидкостей и моющих растворов;

мойка и очистка деталей перед сборкой;

Кроме того, вихревые термогенераторы могут использоваться для: насыщения газом жидкости (аэрации

сточных вод и их окисления). Большой интерес представляет применение вихревых термогенераторов для очистки воды. При прохождении воды через вихревую камеру и создании условий для возникновения кавитации происходит обеззараживание воды. На эффективность кавитации не влияет ни мутность, ни солевой состав воды, ни цветность. При кавитационном воздействии разрушаются ассоциаты молекул воды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. Тем самым болезнетворные организмы лишаются защиты перед другими химическими и физическими воздействиями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Энергоэффективность - основа устойчивого развития экономики России : материалы Всероссийского совещания. - М. : 2002.

2. Курносов, Н. Е. Тепло XXI века / Н. Е. Курносов, А. В. Тарнопольский, В. М. Пичугин // Промыш-

ленный оптовик. - 2000. - № 12. - С. 23-24.

3. Курносов, Н. Е. Система отопления и горячего водоснабжения на основе вихревого термогенератора

/ Н. Е. Курносов, А. В. Тарнопольский, В. М. Пичугин, П. А. Цветков // По всей стране. - 2002. - №

8. - С. 12-13.

4. Тарнопольский, А. В. Технологическое обеспечение производства изделий машиностроения на основе применения вихревых преобразователей энергии / А. В. Тарнопольский // Ресурсосбережение и инновации: проблемы и решения : сб. статей Международ. науч.-практ. конф. - Пенза, Изд-во Приволжск. дома знаний, 2006. - С. 91-94.

5. Костров, С. А. Применение волновой технологии для улучшения СОЖ / С. А. Костров // Вестник машиностроения. - 1988. - № 6. - С. 56-58.

6. Тарнопольский, А. В. Эффективный способ приготовления СОЖ для обработки материалов резанием /

А. В. Тарнопольский // Надежность и качество 2006 : труды Междунар. симпоз. В 2 кн. : кн. 2. - Пенза

: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - С. 126-127.

7. Евстифеев, В. В. Использование вихревого гидравлического теплогенератора для приготовления

эмульсий / В В. Евстифеев, А. В. Тарнопольский // Ресурсосбережение и инновации: проблемы и решения

: сб. статей Международ. науч.-практ. конф. - Пенза, Изд-во Приволжск. дома знаний, 2006. - С. 35-

39.