Энергосберегающая локальная тепловая установка

УДК 681.526.4

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ЛОКАЛЬНАЯ ТЕПЛОВАЯ УСТАНОВКА

Б.П. ТИМОФЕЕВ, А.С. ФРОЛОВ, Д.А. ФРОЛОВ, Н.В. ЯНКИН, М.Ю. САЧКОВ

ОАО «НПП Радар ммс», Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, «Фонд содействия занятости»

г. Санкт-Петербург

Статья посвящена опыту работы энергосберегающей локальной тепловой установки на основе кавитации, выделяющейся из рода аналогичных разработок высокой степенью автоматизации, миниатюризации и безопасности использования. Рассмотрены конструкции и принципы действия установки, устройства и принцип действия автоматики, обеспечивающей оптимальные по времени работы паузы и силы тока электрических разрядов, график работы в заданных условиях и при определенном отапливаемом объеме (площади) помещений.

Ключевые слова: отопительная установка, кавитация, энергопреобразование, эксплуатационные характеристики, автоматика, электроэрозия.

Идея создания локальных тепловых узлов (ЛТУ) не является новой. Мощности ЛТУ успешно обогревают школы, больницы, жилые дома и т.д. Большой популярностью пользуются ЛТУ, употребляющие различные источники энергии, например газ и мазут, дрова, уголь, нефтепродукты и т.д.

Дальнейший шаг в этом направлении - отказ от традиционных источников энергии. Различного рода тепловые генераторы позволяют, в частности, получать тепловую энергию непосредственно из воды, воздействуя на неё механическим способом. Для повышения экономического эффекта в локальные тепловые узлы включают аккумуляторные баки тепловой энергии. За счет интенсивной работы теплогенераторов в ночные часы, когда стоимость электроэнергии вычисляется по пониженному тарифу, аккумуляторы накапливают энергию, а днем отдают её на обогрев и горячее водоснабжение. Таких разработок великое множество [1-5].

В данной работе рассматривается устройство для отопления помещений теплогенераторами (УОПТ), которое работает на принципе кавитации. Установка с теплогенераторами такого рода может обеспечить теплом не только помещения квартир площадью от 30м2 и жилого дома площадью 1000м2 [6] (при использовании одиночных установок), но и решить проблему горячего водоснабжения (ГВС). Для этого можно использовать известные бойлеры косвенного нагревания. УОПТ может успешно эксплуатироваться и совместно с уже известными ЛТУ практически без изменения существующих схем отопления.

Кавитация (от лат. сауказ - пустота) - образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация) [7]. Вместо акустической волны возможно воздействие лазерного излучения, электрического разряда и т.д. Перемещаясь с потоком в область с более

© Б.П. Тимофеев, А. С. Фролов, Д.А. Фролов, Н.В. Янкин, М.Ю. Сачков Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

высоким давлением или во время полупериода сжатия кавитационный пузырек схлопывается, излучая при этом ударную волну.

При ударе капель жидкости о поверхность твердого тела радиальная скорость растекающейся жидкости в несколько раз выше скорости соударения, в результате статическое давление в жидкости может снизиться до величины давления насыщенного пара, и таким образом возможно появление кавитационных пузырьков. Существует и другое объяснение причин возникновения кавитационных каверн: при ударе капли у поверхности твердого тела возникает волна сжатия, которая проходит каплю и отражается от свободной поверхности волной разряжения. В зоне разряжения также возможно возникновение кавитационных каверн. Возникновение, развитие и схлопывание кавитационных пузырьков сопровождается комплексом механических, электрических, химических, электрохимических, тепловых, световых и акустических явлений. При схлопывании кавитационных пузырьков возникают высокие импульсы давления и температур, величина которых иногда достигает: Р = 100 МПа, Т = 6000С (по некоторым данным температуры могут достигать 10000С) [8].

Тепловая диссипация энергии связана с необратимостью или неполитропичностью процессов в газе при сжатии. В то время, когда температура газа становится выше температуры жидкости, газ отдает жидкости больше тепла, чем получает от неё в процессе своего расширения, когда его температура оказывается ниже температуры жидкости. Большое различие в значениях теплофизических параметров жидкости и газа позволяет считать, что при теплообмене между фазами смеси температура жидкости остается постоянной по всему её объему вплоть до границы раздела фаз [9].

Говоря об ЛТУ, следует четко проводить границу между помещениями с различным объемом и различными потерями тепла. Натурные испытания УОПТ, проводимые с 01.04.2009г. по 01.05.2010 г. на двух объектах Ленинградской области, показали её высокую эффективность. Производилось отапливание и снабжение горячей водой двух домов общей площадью 280 м2 при средней высоте потолков 2,7 м. Дома стояли на расстоянии 15м друг от друга. Схема подключения показана на рис. 1. В самое холодное время, когда температура наружного воздуха составила 28 оС (январь-февраль м-ц), затраты электроэнергии в денежном выражении, с учетом затрат электроэнергии общего пользования (свет, эл. плитка, телевизор и др.), составили 2250 руб. в м-ц (при тарифе 2 руб. за кВт-час).

Рис. 1. Схема подключения УОПТ при натурных испытаниях © Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

Наличие 3-х теплогенераторов, с возможностью регулирования времени подачи электрических разрядов, позволило использовать УОПТ для отопления дома эквивалентной площадью 900м2 (высота потолков 4,5м). Натурные испытания в межсезонье сентябрь - декабрь 2009г. показали, что потребляемая электроэнергия при этом составила от 9 до 15 кВт-час. Система отопления здания была выполнена в 1962 году и работает с чугунными радиаторами при количестве теплоносителя (воды) приблизительно 600л. Наиболее эффективно УОПТ работает при отоплении помещений от 30 до 100 м2, в этом случае достаточно использовать один теплогенератор. Включение же 2-го и 3-го повышает эффективность системы УОПТ.

Общий вид установки показан на рис. 2. УОПТ состоит из трех однофазных теплогенераторов 4, закрепленных на шасси 5, накопительного бака 1, который подключается нижней своей частью к выходному коллектору 9 теплогенераторов, а верхней - к общей системе отопления (радиаторам) и ГВС. Теплоноситель перемещается в магистрали под воздействием давления, создаваемого насосами 6. Накопительный бак служит для окончательного схлопывания пузырьков кавитации. На раме 2 закреплены два последовательно установленных циркуляционных насоса 6, расширительный бак 7 и два коллектора - входной 8 и выходной 9. УОПТ снабжена термометром 3 и фильтром 10.

Рис. 2. Общий вид установки УОПТ © Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

Основой УОПТ является теплогенератор однофазный (рис. 3). Он содержит корпус 1 нагревательного элемента с теплообменной камерой 2, заполненной теплоносителем. Число теплогенераторов однофазных равно трем - по числу фаз питающего напряжения. Электрод 3 через диэлектрическую вставку 4 крепится к корпусу 1 и соединен с соответствующей фазой переменного тока через блок управления режимом нагрева. Каждый из корпусов теплогенератора однофазного имеет устройство закручивания потока теплоносителя, выполненное в виде улиток 5 и 10. Наружная поверхностью трубы 6 установлена коаксиально с электродом. Торцы трубы не касаются фланцев корпуса 7 и 8. Рис. 3. Теплогенератор однофазный Теплогенератор снабжен заземлителем 9.

Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации) [7]:

X =

2(Р - Рs ) Р V 2 '

где Р - гидростатическое давление набегающего потока, Па; Рs - давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па; р - плотность среды, кг/м3; V - скорость потока на входе в систему, м/с.

Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной

скорости

V = Vs

когда давление в потоке становится равным давлению

парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации Х=1.

В зависимости от величины X можно различать четыре вида потоков:

• докавитационный - сплошной (однофазный) поток при Х>1;

• кавитационный - (двухфазный) поток при Х~1;

• пленочный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Х< 1;

• суперкавитационный - при Х<<1[7].

Для нашей установки значение числа кавитации составляет Х=1,2, т.е. мы имеем докавитационный (однофазный) поток. Кавитация возникает при подаче электрического разряда.

На рис. 4 показан график подачи тока к электродам теплогенератора. Установка работает при разряде электродов в течение приблизительно одной минуты. При этом кавитационные явления сопровождаются падением силы тока. Также можно отметить инертность системы: после отключения подачи тока к электродам температура теплоносителя продолжает расти до достижения заданного верхнего порогового значения. Когда температура теплоносителя приближается к нижнему заданному пороговому значению, происходит включение электропитания электрода теплогенератора для следующего цикла нагрева. В соответствии с данным алгоритмом работа установки наиболее экономически целесообразна при оптимальных интервалах подачи тока.

Т', град. С

too 90 80 70 60 50 40 30 20 10

О 30 60 90 120 150 180 210 300 330 360 390 t, сек-

Рис. 4. График оптимального режима работы УОПТ

Определение оптимального режима работы УОПТ было произведено на основе следующего эксперимента. Радиаторы и трубы системы отопления были заменены эквивалентной емкостью 250л. Температура измерялась спиртовыми термометрами на выходе и входе установки, т.е. температура прямой и обратной воды. Данную эквивалентную емкость можно сравнить с отопительной системой помещений здания в целом. Определенный период времени работа УОПТ была направлена на прогрев ограждающих конструкций (стен), что сопровождалось основным расходом электроэнергии, т.к. теплогенераторы работают без отключений. Затем работа установки направлена на достижение заданной температуры. УОПТ начинает работать с отключениями питания электродов при постоянной работе насосов («прокачке» теплоносителя). Затем УОПТ работает в режиме поддержания температуры. Как видно из графика на рис. 4, подача тока на электрод происходит при температуре теплоносителя ~ 450С. За 40 секунд электрод покрывается практически сплошь пузырьками и происходит самопроизвольное уменьшение силы тока скачком до 20 А. Эта сила тока выдерживается еще в течение 30 секунд, после чего теплогенератор отключается. Температура теплоносителя в этот момент равняется 600С, но процесс кавитации продолжается и продолжается рост температуры теплоносителя приблизительно еще в течении минуты до Г=75°-г80°С Далее происходит снижение температуры до 450С. Процесс снижения температуры протекает в течение 3-5 минут, после чего весь цикл повторяется.

Вся работа УОПТ контролируется системой автоматики. Блок автоматики (рис. 5) предназначен для управления тепловой установкой как в ручном, так и автоматическом режиме. Основные элементы блока отвечают требованиям к системе управления и контроля работы установки и непосредственно обеспечивают работу системы в заданном температурном режиме.

На рис. 5 входной выключатель 1 выполняет защиту приборов от перепадов напряжения питающей сети. Блок управления 2 представляет собой электронное

микропроцессорное устройство для определения правильности работы аппаратуры. В случае неисправности или снижения температуры ниже заданной устройство связывается с оператором

Рис. 5. Блок автоматики

(владельцем УОПТ, сервис службой, постом постоянного дежурства) через GSM канал и передает сообщение о произошедшем событии.

Для регулирования температуры теплоносителя в заданных пределах и определения его текущей температуры служат терморегуляторы 3, 4, 5 с плавной ручной регулировкой и цифровой индикацией текущей температуры.

Переход из ручного режима работы в автоматический осуществляется при помощи переключения автомата 6, а клемники 7 служат для подключения к внешней питающей сети.

Еще раз подчеркнем, что получение необходимого теплового потока обеспечивается за счет регулирования длительности включения и отключения питания при установке заданной температуры теплоносителя, что непосредственно обеспечивается при работе в ручном и автоматическом режиме.

Необходимо отметить, что некоторые из элементов теплогенератора подвержены эрозионному разрушению. Эрозия одного элемента показана на рис. 6.

Объяснить эрозию лишь

электрохимическим воздействием нельзя. Во первых, для изготовления элементов теплогенератора была использованна нержавеющая сталь 0Х18Н9Т, однако эрозии подвергаются и химически пассивные материалы, даже такие как стекло и золото. Экспериментально установлено, что скорость эрозионного разрушения при кавитации превосходит скорость коррозионного

разрушения более чем на четыре порядка. Наибольшее распространение в настоящее время находит механическая теория эрозионного разрушения при кавитации. Эта теория Рис. 6. Эрозия элемента подтверждается опытными данными, которые

теплогенератора однофазного показывают, что схлопывание пузырька

происходит неравномерно со всех сторон, при этом появляются отдельные струйки, входящие внутрь каверны и ударяющие по поверхности твердого тела.

Таким образом, можно констатировать, что УОПТ прошло опытную проверку в рабочих условиях эксплуатации на северо-западе РФ. Его высокая эффективность и надежность подтверждена. Режим работы автоматики, система водоподготовки, включая используемые реактивы и их концентрации, подобранные на основе длительных экспериментов, обеспечивают надежную долговечную работу УОПТ.

Согласно ТУ периодичность замены изнашиваемых элементов составляет 3 года. Срок службы УОПТ 10 лет.

Summary

Article is devoted an operational experience of power saving up local thermal installation on a cavity basis, allocated of a sort of similar workings out by high degree of automation, miniaturization and safety of use. Designs and modes of functioning of installation, the principle of operation and a mode of functioning of automatics providing

optimum on an operating time, a pause and a current strength of electric categories the work schedule in the set conditions and at certain heated volume (area) of premises are considered.

Key words: heating installation, cavitation, power transformation, operational characteristics, automatics, electro erosion.

Литература

1. 2045715 RU, C1 6 F25B29/00. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости / Потапов Ю. С. №93021742/06; заявл. 26.04.93.

2. 2132517 RU, C1 6 F24ffi/02. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости / Мустафаев Р. И. №97114262/06; заявл. 20.08.97.

3. 2142604 RU, C1 6 F24J3/00. Резонансный насосотеплогенератор / Петраков А. Д. №98102707/06; Заявл. 26.01.98.

4. 2133918 RU, C1 6 F24D3/08, F24D13/04. Устройство для отопления помещений / Киповский В. Я., Кучерявый И.В. №95103878/06; заявл. 15.02.95.

5. 2193529 RU, C2 7 CT2F1/48, С02F103:02. Магнито-сеточный грязевик / Микулич О. А., Федотов В.М. №2000111622/12; заявл. 10.05.2000.

6. 65619 RU, U1 F24D3/08, F24D13/04. Устройство для отопления помещений / Анцев Г. В., Французов А.Д., Фролов А.С. №2007113221/22; заявл. 09.04.2007.

7. Свободная энциклопедия Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/, свободный. Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

8. Дейч М. Е., Филиппов Г. А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергия,

1968.

9. Петушков В.А., Мельситов А.Н. Высокоскоростная динамика двухфазной газожидкостной среды с теплообменом между фазами // Математическое моделирование. 2000. Т. 12. №12.

Поступила в редакцию 25 июня 2010 г.

Тимофеев Борис Павлович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Мехатроника» Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПбГУИТМО). Тел.: 8 (843) 232-31-50.

Фролов Александр Семенович - ведущий инжинер ОАО «НПП Радар ммс». Тел.: 8 (812) 303-06-09 доб.441. E-mail: RADAR@RADAR-MMS/COM.

Фролов Дмитрий Александрович - канд. техн. наук, директор Центра содействия занятости и профессиональной ориентации молодежи «Вектор» Санкт-Петербургского государственного университета. Тел.: 8 (812) 598-06-77.

Янкин Николай Владиславович - генеральный директор «Фонда содействия занятости». Тел. 8 (812) 315-64-07. E-mail: fsz@inbox.ru.

Сачков Михаил Юрьевич - студент кафедры «Мехатроника» Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПбГУИТМО). Тел.: 8-921-3631604.