Теплогенератор на основе кавитационного вихревого потока: особенности устройства

Обычно с целью обогрева жилища люди используют такие устройства как камера сгорания (печь), тэн, нить накаливания. Сегодня, в условиях изменяющегося климата под воздействием человеческой жизнедеятельности, когда выбросы углекислого газа увеличиваются, актуальны поиски альтернативных источников энергии. Помимо известных устройств, работающих по принципу непосредственного нагрева теплоносителя, существуют варианты другого спектра воздействия. Таковым является кавитационный теплогенератор. Он выделяет тепло путем формирования газовых пузырьков, которые и являются источником тепла.

Что такое кавитационные теплогенераторы

Принцип работы кавитационных устройств базируется на получении энергии  путем переноса теплоносителя с одного места на другое. При этом устройство может не только выделять тепло, но и поглощать его. Преимущество такого агрегата в том, что нет энергопотерь, так как малейшую энергию он использует. Тепло выводится непосредственно от обмотки двигателя или других поверхностей, где присутствует трение.

У таких приспособлений КПД выше, чем у остальных бытовых приборов. Например: холодильник теряет КПД за счёт того, что в летнее время нагревает кухню; работа кондиционера зачастую приводит к выводу тепла из холодной комнаты и поглощению прохлады с солнечной стороны. Принцип деятельности кавитационной системы позволяет минимизировать потери, путем преобразования максимального количества задействованной в работе энергии. Таким образом, кавитационные теплогенераторы применимы для: получения энергии из сточных вод; кондиционирования поизвидственных пространств, при этом обогревая рабочие места; не используя горюче материалы отапливать помещения.

Принцип работы кавитационных систем

Подобные теплогенераторы позволяют преобразовывать механическую энергию в тепловую и нагревать окружающее пространство. Само явление кавитации заключается в завихрениях в жидкости под воздействием избыточного давления. Это возможно из-за присутствующего в ней газа, молекулы которого образуют отдельные включения – впоследствии схлопывающиеся пузырьки.

Разность давления газа и жидкости на его поверхности приводит к скоплению энергии снаружи и повышению температуры внутри него свыше 1000⁰С. Когда скопления газа перемещаются вихревым потоком в область с меньшим давлением, пузырьки лопаются, высвобождая при этом тепловую энергию, нагревая жидкость вокруг. Это и есть основной принцип работы теплового генератора работающего за счет вихревых потоков.

Разновидности кавитационных устройств

Так как основой для работы подобного теплоргенератора являются газовые пузырьки в жидкости, то именно от интенсивности их образования зависит количество и скорость нагрева теплоносителя.

В настоящее время применимы три типа каитационных систем (теплогенераторов):

•  роторный – путем вращения электропривода получают нужное завихрение жидкости;
• трубчатый – давление системы меняется при движении жидкости по специально организованному трубопроводу;
• ультразвуковой – при создании звуковых низкочастотных колебаний, меняется давление жидкости, создавая завихрение.

В настоящее время есть исследования в области лазерной кавитации, но подобные системы еще не применимы на практике. Рассмотрим вышеперечисленные устройства детально.

Теплогенератор роторного типа

Его деятельность связана с работой электродвигателя. Внутри агрегата вал соединяется с роторным устройством, которое и создает вихревой поток жидкости. Главное отличие конструкции это наличие герметичного статора, в котором и происходит теплообмен. Он с цилиндрической вихревой камерой внутри, где и вращается ротор, который является цилиндром с поверхностными углублениями. Именно благодаря им, вращение цилиндра провоцирует неоднородность жидкостной среды что способствует возникновению кавитационных потоков.

Параметры аппарата, такие как количество углублений и зазор между статором и ротором определяют на основании модели устройства. Оптимальными являются параметры с расстоянием 1,5м. Однако за всю историю применения кавитационных генераторов подобные роторные конструкции имеют множество вариаций.

Первым эффективным агрегатом считается теплогенератор Григгса. В нем основным действующим элементом является ротор дискового типа, где располагаются не сквозные отверстия. В настоящее время существует множество его аналогов. При этом простота конструкции требует выполнения сложных манипуляций для обеспечения точности геометрических параметров: калибровка, надежность уплотнений. Подобные генераторы имеют невысокий запас прочности, так как возникает кавитационная эрозия деталей, и служат до 4 лет. Кроме того стоит учитывать, что во время работы устройство довольно шумное. Однако преимуществом его применения считается продуктивность на 25% больше нагревателей классического типа.

Теплогенератор трубчатого типа

Подобная система не оснащена вращающимися элементами. Процесс нагрева обеспечивается путем тока жидкости по трубопроводу, на протяжении которого имеются сужения и расширения или имеет место применение сопла Лаваля. Сам процесс движения воды обеспечивает гидродинамический насос. Именно благодаря его механическому усилию жидкость проходит сужающееся пространство с повышенным давлением и попадая в более широкую трубу вызывает необходимый для получения тепла кавитационный эффект.

Преимуществом трубчатой конструкции является ее долгий срок эксплуатации, так как оборудование практически не изнашивается. Отмечается низкий уровень шума. Также не требуется соблюдения точных геометрических пропорций как в роторном генераторе. Однако есть и недостатки: система отличается крупными габаритами и меньшей производительностью.

Тепологенератор ультразвукового типа

Основным действующим элементом системы является резонаторная камера, где и создаются звуковые колебания необходимой для создания кавитации частоты. На выходе из нее нужно установить пластину из кварца, которая и позволяет создавать электроколебания. При этом в жидкости создается эффект волны, которая при соприкосновении со стенками резонатора отражаются и на выходе встречает еще одну волну, направляющуюся от пластины. При их соприкосновении и возникают колебания, лежащие в основе гидродинамической кавитации.

Возникающие при столкновении волн пузырьки продолжают движение по трубопроводу теплоустановки, отдавая свою энергию в пространстве с наименьшим давлением. Так как данная система не оснащается дополнительными вращательными элементами, ее деятельность также отличается высокими эксплуатационными показателями.

Кавитационный генератор своими руками

Первое устройство на принципе кавитационного потока изобрел Потапов И.А. патента на него выдано не было, так как заявленный агрегат был далек от идеала, заявленного изначально. Поэтому в дальнейшем получили распространение чертежи его последователей (Ларионов Л.В., Федоткин И.М., Жук Н.А.).

Данные устройства трубчатого типа. При  всем разнообразии их форм, как в промышленности, так и в быту они представляют собой сопло, так как эта форма наиболее практична. В зависимости от условий эксплуатации она легко модернизируется для повышения мощности теплообменника под любые факторы. Кроме того, отопительные теплогенераторы должны оснащаться камерой расширения, профиль которой также подстраивают под параметры требуемой мощности. В зависимости от последней, модернизируется вся кавитационная конструкция.

Прежде чем приступать к работе нужно правильно рассчитать необходимый размер отверстия, связывающего конфузор и диффузор. Величина варьируется от 8 см и до 15 см. Наименьшее значение дает возможность повышать давление в камере. Однако этот вариант является менее мощным, так как соотношение нагретой жидкости и холодной неравномерно: холодный поток будет преобладать. Помимо этого насыщение кислородом входящей жидкости значительно повышает уровень шума. Также отмечается проявление кавитации в самом насосе, что приводит к его быстрому износу.

Поэтому следующим этапом при составлении схемы генератора станет выбор насоса. Может быть вакуумный или бесконтактный. Для правильного выбора стоит учесть: требуемую мощность, необходимую теплоотдачу, требуемый объем перекачиваемой жидкости в единицу времени, типовую характеристику (повышение или понижение).

Необходимое оборудование

Когда схема и расчеты системы выполнены, нужно подготовить инструменты, которые потребуются для выполнения всех этапов сборки. Чтобы самостоятельно соорудить прибор на подобие того, что был предложен Потаповым, понадобятся:

•  дрель и сверла разного диаметра;
• аппарат для сварки или болты и гайки;
• болгарка;
• набор ключей;
• угольники;
• кисточка;
• грунтовка.

Также в качестве основного оснащения нужен двигатель на 220В и неподвижная платформа под агрегат.

Схема сборки

• Изначально процесс работы связан с соединением насоса с патрубком для смешивания. Их закрепляют при помощи специального крепежа – фланца. Посередине дна патрубка делают отверстие для вывода нагретой жидкости. Чтобы этот поток не был слишком быстрым, перед дном располагают агрегат для торможения. Для контроля циркуляции холодного потока применяют выпрямитель дискового типа. Он позволяет направить остывшую жидкость к горячей стороне, где расположен смеситель для соединения с нагретым потоком.
• Далее работа концентрируется на сборке станины для закрепления на ней агрегата. Параметры конструкции напрямую зависят от особенностей рассчитанного устройства. Для начала нарезают угольники на отрезки размеченные в схеме. Затем их соединяют при помощи болтов и гаек или сваркой.
• Чтобы станина не подвергалась коррозии, перед установкой действующих агрегатов, необходимо покрыть конструкцию грунтовкой.

• Для установки системы просверливают отверстия под крепежи основных элементов устройства.
• Закрепляют на станине двигатель. Следует учесть, что под него также нужно закрепить угольник, который будет являться поперечиной.
• Следующий этап – установка насоса с патрубком. Ранее присоединенный патрубок направляют к отверстию, откуда будет закачиваться в систему вода. Затем надевают второй патрубок, который служит для вывода горячей жидкости в систему отопления.
• Оснащают систему запорными устройствами, чтобы регулировать температуру теплоносителя. При желании это могут быть электронные контролеры.
• После проверки всех стыков на герметичность, можно запускать в систему жидкость.

Актуальность применения кавитационных устройств на практике

Несмотря на всю полезность системы кавитационного теплогенератора в теории, на практике данное устройство не столь актуально. Чаще всего на просторах интернета при поиске схем кавитационных агрегатов, попадаются роторные генераторы. Они работают благодаря вращению цилиндрической крыльчатки. Проанализировав их работу, можно прийти к выводам:

•  Для работы электродвигателя необходимо затратить электроэнергию. При этом на нагрев жидкости поступает только часть энергии, остальное тратиться на трение в кавитационном насосе. То есть КПД будет около 88%. В сравнении с обычными ТЭНами, которые выдают до 97% КПД, подобные устройства изначально уступают вихревым агрегатам.
• Для обеспечения продуктивной работы системы нужен насос, который в разы мощнее обычного циркуляционного, изготовленный из более прочных материалов. Так как в обычных насосах производители стараются снизить кавитацию, разрушающе воздействующую на всю конструкцию, вызывая эрозию деталей.
• Чтобы увеличить кавитацию от ротора и тем самым добиться скорейшего повышения температуры жидкости, снижается эффективность насоса как перекачивающего механизма. То есть в систему придется включать дополнительно циркуляционный насос для обеспечения движения теплоносителя по трубопроводу.

Еще одно кавитационное устройство «вихревая труба» или статический теплогенераторе. Он построен на принципе прохождения жидкости по соплу Лаваля.

Данная система также имеет ряд недостатков:

• Эффективность обогрева возрастает при большем перепаде давления в системе. Это возможно при уменьшении проходного отверстия сопла. Но при этом и возрастает гидродинамическое сопротивление системы. То есть, так же как и в роторной установке, требуется насос с завышенными эксплуатационными показателями прочности.

Сам расчет энергии, которую получает система от вихревого потока жидкости выполнить пока нет возможности. Поэтому говорить о продуктивности системы, которая полностью зависима от работы насосов, а, следовательно, и электродвигателей, не правильно. По сути все получаемое КПД напрямую зависит от затраченной электроэнергии, часть которой теряется в процессе работы насоса. Поэтому пока вариант с обычным электрическим ТЭНом более эффективен.