о корректности методик измерения тепловой эффективности

О КОРРЕКТНОСТИ МЕТОДИК ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ
Геллер Сергей Владимирович
АННОТАЦИЯ
В статье классифицированы известные источники теплоты гидродинамического типа.
Описан гидродинамический аппарат для отопления, горячего водоснабжения, а также
безопасного нагрева технологических жидкостей. Указаны экономически обоснованные
области его промышленного применения. Затронуты вопросы о корректности (как
методик испытаний, используемых производителями гидродинамических аппаратов типа
«вихревые теплогенераторы», так и корректности в деле их продаж отдельными
фирмами).
Описаны испытания макетного образца гидродинамического теплогенератора
«БРАВО», рис., 1 проходящий в настоящее время испытания на одном из предприятий
города Москвы. Теплотехнические испытания показали, что тепловой КПД макетного
образца порядка 84%. Один и тот же объём воды при одинаковом питающем электро насосном агрегате (КМ100-65-200)нагревается до заданной температуры (80 градусов
Цельсия) в 1,852 раза быстрее, чем при использовании функционального аналога ВТУ-22
производства Ковровского завода имени Дегтярёва (рис.2), при этом расходуется в
полтора раза меньше электроэнергии. Приборные замеры тепловыделения проведены на
основе методики испытаний, впервые корректно составленной. Дан список источников
информации по теме.
Рис.1 «БРАВО»
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОПРОСА
Рис.2 ВТУ-22 на электронасосном
агрегате
Механическое воздействие на жидкость приводит к ее нагреву. Д. Джоуль и Р. Майер в
середине ХIХ века сформулировали механический эквивалент теплоты. Даже спустя
полтора века на эту тему создавались изобретения. При этом обнаружено, что в тепло
может быть превращена не только подводимая извне механическая энергия, но и
внутренняя энергия жидкости (в режиме кавитации). Для возбуждения кавитации
широко используется метод закрутки жидкости (вихревые эффекты). Первенство в
создании вихревого нагревателя жидкости принадлежит профессору Куйбышевского
авиационного института А.П.Меркулову(1960-е годы). Энергоресурсы в те годы не
считали, открытие ещё долго не получало развития. В настоящее время в России ВНЖ
производятся рядом фирм (Москва, Санкт - Петербург, Ростов - на - Дону), а также на
Украине (Донецк, Харьков, Киев). Использование ВНЖ выгодно на
электрифицированных объектах, прокладка газовых коммуникаций и теплоцентралей к
которым невозможна или не экономична. В частности, такие аппараты пригодны в
качестве мини-котельных для зданий и сооружений (рис.3). С их помощью можно
нагревать любые жидкости, в то время как ТЭНы недолговечны, пожароопасны,
подвержены воздействию накипи и не могут применяться в агрессивных средах (нагрев
растворов гальванических ванн).
1 - Электронасосный агрегат; 2 –
«БРАВО»; 3 - Бак-теплоаккумулятор;4 Циркуляционный насос; 5 - Радиатор
отопительный; 6 - Расширительный бак.
Рис.3 Тепловой пункт на базе «БРАВО»
ОСОБЕННОСТИ «БРАВО»
В аппарате «БРАВО» (Би - Роторный Аппарат Волновой Отопительный) вокруг
неподвижной геометрической оси установлены, как минимум, два ротора - активатор и
генератор. На периферии активатора расположены вихревые камеры. Генератор выполнен
по принципу Сегнерова колеса. Роторы вращаются встречно. При этом циклически
генерируются гидроудары путём перекрытия генератором выходов вихревых камер
активатора. Гидроударные волны из перекрытых камер перепускаются в тыловые зоны
открытых камер. Имеются средства саморегулирования энергообмена роторов с рабочим
телом. Всё это обеспечивает большую амплитуду и широкий частотный спектр колебаний,
а также высокую эффективность кавитации при малом гидравлическом сопротивлении.
Конструкция аппарата позволяет избежать общего недостатка аппаратов динамического
типа – наличия валов с жёстко посаженными на них роторами (см. ниже), а также
кавитационного износа роторов (зоны кавитации локализованы в осевых зонах рабочих
камер, вне контака с их поверхностями). Чтобы принципиальные отличия «БРАВО» от
«вихревых» теплогенераторов стали понятны читателю, кратко рассмотрим особенности
известных типов «вихревых» теплогенераторов и классифицируем их.
Рис. 4
В статических «вихревых»
теплогенераторах отсутствуют подвижные
конструктивные элементы [1] - [6], и
имеется тормозное устройство, имеющем
большое гидравлическое сопротивление.
Аппарат такого рода ВТУ 22 был упомянут
выше. Завод имени Дегтярёва декларирует
КПД установки «ВТУ-22» (рис.2) 80%. Но
если демонтировать этот аппарат с
электронасоссного агрегата КМ100-65-200 и
вместо него подключить макетный образец
« БРАВО», (что было проделано в самом
начале испытаний макетного образца летом
2007г, рисунок 4), то один и тот же объём
воды в двухсотлитровом бойлере
нагревается от 22-х до 70-ти градусов
Цельсия в 1,852 раза быстрее. Но, как будет
показано ниже, КПД макетного образца не
превышает 87,2% (при условии равенства
единице теплоёмкости
механоактивированной воды). Что
доказывает несоответствие декларируемого
КПД реальному и является следствием
некорректности методики, используемой
производителем «ВТУ-22».
Динамические «вихревые» теплогенераторы имеют размещённые в полости корпуса
активаторы, жёстко скрепленные с приводными валами (роторные активаторы - [7], либо
лопаточный активатор [8]). Некоторые из аппаратов снабжены средствами создания
автоколебаний в потоке жидкости (сходного с «БРАВО» назначения). Однако, в
«Роторном гидроударном насосе - теплогенераторе» [9] зона кавитации совмещена с
рабочим колесом насоса, что снижает ресурс и производительность последнего. Большой
момент инерции роторов, кинематически связанных с валом приводного электродвигателя
- общий недостаток всех известных «вихревых» теплогенераторов динамического типа.
Этот недостаток присущ, в частности, теплогенераторам марки «ТС» (производства
ФГУП «СПЛАВ», г. Тула). Аппаратам «ТС» необходимы энергоёмкий привод вала
ротора, дорогостоящая динамическая балансировка массивного ротора, применения
выносных подшипниковых опор с радиальными уплотнениями, а также циркуляционного
насоса. «ТС» требуют также применения аппаратуры плавного пуска (именно ввиду
больших моментов инерции роторов). Сопоставление с существующими аналогами
позволяет сделать вывод, что «БРАВО» представляет собой новый тип
гидродинамического теплогенератора (смешанный), сочетающий преимущества
статических и динамических ВНЖ и лишённый их недостатков. Оптимальными по
соотношению «себестоимость - эффективность» средствами повышена эффективность и
расширены функциональные возможности аппарата.
КОРРЕКТНЫЕ ЗАМЕРЫ
Не ставя перед собой задачу подтвердить или опровергнуть эффекты, возникающие в
процессе работы «вихревых» теплогенераторов (гидромеханических
преобразователей электроэнергии в теплоту), были проведены измерения выделяемой
теплоты по корректной методике и с минимальной погрешностью, чему способствовал
научный потенциал и накопленный опыт директора по науке ЗАО «НПО «Тепловизор»
Валерия Сергеевича Коптева, разработавшего методику испытаний. ЗАО «НПО
«Тепловизор» специализируется в области разработки, производства и реализации
многоканальных теплосчётчиков и расходомеров ВИС.Т и ВИС.МИР на базе
электромагнитных преобразователей расхода на диаметры Ду 15…1420мм. Приборы
используются для коммерческого учета тепловой энергии и количества теплоносителя у
производителей и потребителей тепловой энергии. Кроме того, они нашли широкое
применение для технологических целей на различных производствах, включая
химическое и металлургическое.
Рис. 5
На момент начала испытаний (декабрь 2007г.)
макетный образец «БРАВО» (об его
особенностях будет сказано ниже) входил в
состав теплового пункта (испытательного
стенда), состоящего из электронасосного
агрегата, «БРАВО», трубной обвязки и
запорной арматуры. Имелись также трубные
ответвления на два теплообменника (бойлера),
которые при проведении замеров были
перекрыты. Для измерения
теплопроизводительности был использован
серийный одноканальный электромагнитный
теплосчетчик ВИС.Т с первичным
преобразователем расхода dy15, который
устанавливался на подпиточном трубопроводе
(рис.5). Измерение потребляемой
электрической энергии производилось с
помощью электросчетчика типа САУ-И678,
который был любезно предоставлен главным
энергетиком предприятия, на котором
проводятся испытания макетного образца (САО
Москвы). В тепловую установку производился
постоянный подвод холодной воды, которая
после гидромеханических воздействий в
«БРАВО» непрерывно сливалась через
накопительный бак в сливной трап бойлерной.
Учитывая гидравлическую плотность установки
(отсутствие утечек контролировались
визуально), массовый расход воды на входе в
установку равен массовому расходу сливаемой
воды. Поэтому для измерения количества
генерируемой установкой «БРАВО» тепловой
энергии достаточно измерить массовый расход
холодной воды, температуры (энтальпии) воды
на её входе и выходе, и осуществить численное
интегрирование произведения разности
энтальпии на массовый расход на
контролируемом отрезке времени. Этот
алгоритм, в соответствии с «Правилами учета
тепловой энергии и теплоносителя», реализует
одноканальный теплосчетчик ВИС.Т,
укомплектованный подобранной парой
платиновых термометров сопротивлений.
Теплосчетчики ВИС.Т позволяют измерять
количество тепловой энергии с погрешностью
не более 4% в диапазоне разностей температур
от 2 до 10 градусов Цельсия и при расходах
менее 1 % (до 0,1%) от верхнего придела
измерения.
Так как в большинстве случаев практическое использование теплогенератора для
обогрева рабочих и жилых помещений требует непрерывных или квазинепрерывных
режимов подачи тепла, теплопроизводительность установки измеряли в
квазинепрерывном режиме, т.е. в установившемся режиме (температура сливаемой воды
стабилизировалась и не менялась на протяжении часа).
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД
Для минимизации влияния на результаты измерений притока или потерь тепловой
энергии с поверхности аппарата БРАВО в окружающий воздух измерения производилось
при таких расходах подпиточной воды, когда температура корпуса аппарата и сливаемой
воды на 1÷3ºС выше или ниже температуры воздуха в бойлерной.
1-е измерение
Температура воздуха в бойлерной +31,0ºС. Температура воды на выходе установки
«БРАВО» = 31,4ºС. Температура на корпусе 31,4ºС. Измерения проводились в течение
3600 сек. Начальное показание электросчетчика 635866,0 кВТ·ч. Показания
электросчетчика через 3600 сек. За период 3600сек.
2-е измерение
Температура окружающей воды = 31,0ºС. Температура воды на выходе установки 28,2ºС.
Температура на корпусе установки 29,8ºС. Начальные показания электросчетчика
635904,2 кВт·ч. Показания электросчетчика через 3600 сек. 635919,4 кВт·ч. Показания
ВИС.Т нарастающим итогом с шагом300 сек, за период 3600сек.
С учетом максимально возможной погрешности измерений КПД установки в
опробованных режимах работы находится в пределах от 75,6% до 87,2%. Потери в
обмотках электродвигателя (теплота, отдаваемая ими окружающей среде) хорошо
коррелируют с разностью между затраченной электроэнергией и верхним значением
теплового КПД макетного образца «БРАВО». Таким образом, становится вполне
реальным усовершенствовать конструкцию «БРАВО» таким образом, чтобы тепловой
КПД равнялся КПД электродвигателя, приводящего насос. В этом случае аппарат
предполагается оснастить погружным электронасосным агрегатом и поместить такой
агрегат в термоизолированный бойлер, чтобы вода нагревалась с тепловым КПД=1.
НАГРЕВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Многие технологические процессы требуют прямой нагрев химических реагентов –
кислотных, солевых, щелочных растворов и прочих агрессивных сред. Для чего обычные
способы нагрева (ТЭНы, парогенераторы) дороги, громоздки, и недолговечны.
Аппараты «БРАВО» позволяют эффективно и
удобно производить прямой нагрев этих
технологических жидкостей:


Рис.6

на железных дорогах:
o помывка и дезинфекция пассажирских
вагонов;
o система мойки, пропарки, разгрузки
цистерн с нефтепродуктами (рис.6);
o мойка вагонных тележек, колёсных
пар и т.п. крупногабаритных узлов.
нагрев нефти и нефтепродуктов
o В процессе переработки нефти её
температура должна быть не менее 22
°С. Нагретая нефть гораздо быстрее
перекачивается. Для нефти с
примесями, такими, как, например,
парафин и др. желателен нагрев нефти
до температуры 50…80°С, с целью
избежать отложения парафина.
Применение «БРАВО - Т» позволяет
значительно снизить энергозатраты,
сократить объемы аппаратов и их
металлоемкость. Помимо сказанного,
использование «БРАВО» позволяет
повысить качество подготовки нефти.
нагрев кислот, солей, щелочей и других
химически активных и агрессивных
жидкостей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Вихревой нагреватель. Патент RU2129686.
2. Вихревой нагреватель. Патент RU2293260.
3. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкости.
4. Термогенерирующая установка.
5. Вихревая система отопления.
6. Способ получения тепла, образущегося иначе, чем в результате сгорания топлива.
7. Способ получения энергии.
8. Кавитационный энергопреобразователь.
9. Роторный гидроударный насос-теплогенератор.
Смотри также уникальную открытую коллекцию патентов изобретений и технологий:
Альтернативные способы генерирования, аккумулирования и использования тепловой
энергии
Версия для печати
Автор: Геллер Сергей Владимирович
Конт. тел. +7(495)939-86-17
Дата публикации 12.07.2008гг