Кавитационный теплогенератор

Современная цивилизация нуждается в замене существующих энергетических технологий на экологически чистые, гарантирующие сохранение биосферы. Это особенно касается энергетики, основанной на сжигании природных запасов угля, нефти, газа, урана. Эффективность получаемой энергии остается незначительной, и проблема энергообеспечения и доставки энергии потребителям остается актуальной. Запасы полезных ископаемых и ресурсы дешевого урана исчерпываются. Предполагается, что в ближайшее время потребление природных ресурсов достигнет 25 млрд. тонн, поэтому делаются прогнозы, что запасов природного топлива человечеству хватит примерно на 150 лет. Разрабатываются проекты использования солнечной энергии. Солнечную энергию планируется перерабатывать в электричество путем создания космических электростанци, однако для получения мощности в 10 миллионов кВт необходимы солнечные батареи площадью примерно 100 квадратных километров. В микроволновом диапазоне энергию можно будет транспортировать на Землю. На пути решения этой задачи стоят серьезные проблемы создания передающих и приемных систем, работающих в диапазоне СВЧ-волн, небезопасных для биосферы. [5, с. 52].

Под «кавитацией» понимают явление энергии — от 10³ до 10²¹ Вт / м3. Кавитация возникает вследствие локального снижения давления до значений давления насыщенного водяного пара при соответствующих условиях [1]. Кавитация – это сложное гидродинамическое явление, специфичное для жидкости, и изучение механизма кавитации имеет большое значение. Долгое время люди стремились к подавлению кавитационных процессов, в результате чего положительный эффект кавитации игнорировался. Кавитация происходит при схлопывании кавитационного пузыря и мгновенно может высвобождать большое количество энергии. Использование энергии может быть достигнуто в химических и физических процессах для усиления эффекта, для достижения эффективности, энергосбережения, эффекта энергопотребления. По результатам исследований, энергии вырабатываемые при кавитации во много раз выше чем при той же стоимости. Нагреватели являются устройствами, которые работают и обеспечивают достаточное количество тепла с помощью большого источника энергии. Например, электрический обогреватель постоянно питаются от электростанции. Для отопления дома или здания используется водогрейный котел и печь, которые получают тепло от водогрейного котла и печи. Кроме того, для получения тепла, другим нагревателям необходимо сжигать нефть, газ и другие горючие вещества, для получения достаточного количества тепла [2].

Кавитационные теплогенераторы – это новое, перспективное оборудование. Предварительные исследования, проведенные несколькими независимыми разработчиками, показывают, что это эффективное и надежное оборудование. Коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую энергию для разных модификаций тепловых генераторов равен 1,2 – 2 единицам. Речь идет именно о коэффициенте теплопризводительности, а не о КПД, который, составляет около 90 –95%. [3, с.75]

Механизм получения тепловой энергии за счет кавитации основан на её вторичных нелинейных эффектах в жидкости. Акустическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. В момент схлопывания кавитационного пузырька, давление и температура газа достигают значительных величин. Энергия, затрачиваемая на образование кавитационного пузырька, заполненного паром, определяется как

1

В первом приближении принимается P0=Pi

Энергия сжатия кавитационного пузырька, определяется по формуле

2

При образовании пузырька радиусом 1 мм в воде при температуре t=10°C, давлении насыщенного пара Pp=1,25∙103, поверхностном натяжении σ=7,2810-4 Н/м энергия образования пузырька равна Ео=1,995∙10-5 Эдж. Энергия сжатия пузырька жидкостью при атмосферном давлении Р=105 Па равна Ес=4,189 10-4 Дж. Таким образом, энергия сжатия пузырька более чем в 20 раз превышает энергию его образования [4].

В таблице 1 приведены значения отношения энергии сжатия к энергии образования кавитационного пузырька при различных значениях давления в жидкости и давления пара в кавитационном пузырьке.

Таблица 1

Значение отношения энергии сжатия к энергии образования каватационного пузырька при различных значениях давления насыщенных паров в каватационном пузырьке и давления в жидкости

 

Отношение энергии сжатия к энергии образования	P=105 , Pa					Pp=105 , Pa
	0.1	0.5	1	1.5	2	0.00238	0.0752	0.2031	0.483	0.715
						t=20 °С	t=20 °С	t=20 °С	t=20 °С	t=20 °С
Ес/Ео	2.1	10.5	20.9	31.5	41.9	20.99	6.65	2.46	1.04	0.69

 

При увеличении температуры воды и, соответственно, давления насыщенных паров, отношение энергии сжатия и энергии образования кавитационных пузырьков уменьшается. При увеличении давления в жидкости, величина отношения энергии сжатия к энергии образования кавитационного пузырька увеличивается.

Для оценки эффективности работы такой системы коэффициент теплопроизводительности можно рассчитать по формуле

3

Массовая концентрация кавитационных пузырьков, которые образуют кавитационное облако, определяется как отношение объема кавитационного облака к объему кавитационного пузырька при максимальном расширении теплого воздуха.

4

Таким образом, если гидравлическая система, в которой работает теплогенератор, открыта под давлением, сжатие пузырьков происходит под давлением окружающей жидкости. То есть происходит приток энергии к жидкости из окружающей среды.

Опуская промежуточные расчеты и считая, что процесс сжатия пузырька является адиабатическим, можно определить, что максимальная температура и давление в пузырьке при сжатии составляют Tmax~8500 K, Pmax~108 Па [3, с. 32].

Каждое устройство имеет преимущества и недостатки. Роторный кавитациооный теплогенератор также имеет свои недостатки и преимущества.

Преимущества устройства:

- так как кавитационные пузырьки имеют очень малые размеры и процесс схлопывания происходит не на поверхности элементов теплогенератора, то никакой эрозии металла не происходит;

- для отопления объекта требуется меньшая выделяемая мощность, прокладывается силовой кабель меньшего сечения, т.к. электроэнергия расходуется только для питания электродвигателя насоса, что значительно снижает капитальные вложения; -высокая экономичность теплоснабжения;

- возможность подключения к существующей системе отопления; - не требует никакого топлива; -не загрязняет окружающую среду;

Недостатки устройства:

- шумность (от работы электродвигателя насоса);

- мощность слишком большая для небольшого помещения до 60-80 м².

На рис. 1 показана структурная схема разработанного ротор-импульсный аппарат РИА (кавитационный теплогенератор)

Рис. 1. Конструкция кавитационной камеры роторного типа:

1 – ротор; 2 – каналы ротора; 3 – каналы статора;

4 – рабочая камера

 

Механизм работы: жидкость подается под давлением через входной патрубок в полость ротора 1, проходит через каналы ротора 2, канал статора 3 и рабочую камеру 4. Покидает устройство через выходной патрубок. В процессе вращения ротор соединяется с каналами статора, которые расположены на его концах. Если каналы ротора блокируются со стороны статора, давление в полости канала уменьшается. Когда канал ротора объединяется с каналом статора, давление снижается, и импульс давления распространяется в канал статора. Скорость потока жидкости в канале статора является переменной. Когда импульс положительного давления распространяется в канал статора, после него появляется короткий импульс пониженного давления, поскольку выравнивание каналов ротора и статора завершено. Объем жидкости, поступающей в канал статора, стремится выйти из канала, и силы инерции создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает кавитацию. На рис. 2 показана тепловая схема для децентрализованного теплоснабжения с разработанным встроенным кавитационным теплогенератором, собранным на ООО “Укравия” (Павлоград, Украина). Питательная вода из бака 4 подается в теплообменник 3 питающим насосом 5 и нагревается за счет тепловой энергии кавитационного теплогенератора (кавитатора) 2.]]]

Рис. 2. Структурная тепловая схема децентрализованного теплового

питающая установка, где 1 – электродвигатель АИР-160С2, N=15 кВт,

n=2930 об/мин; 2 – кавитационный теплогенератор; 3 – теплообменник

поверхностного типа; 4 – резервуар с питательной водой, 400 литров;

Как видно из результатов исследований роторный кавитационный теплогенератор является одним их самых лучших современных решений. Это устройство позволит вам разработать автономную систему отопления для жилых и промышленных объектов, а также обеспечить население и промышленность горячей водой.

Серьезный интерес к автономным системам отопления проявляют компании, занимающиеся нефтедобычей и добычей нефти и газа. Строительные компании также заинтересованы в автономных системах теплоснабжения.