Rotor cavitation heat generators of original constructions have been developed. Their natural models have been tested. The questions of coordination of the oversingle heat generator and the heating system have been investigated. The prospects of applications of rotor and cavitation liquid heaters have been analysed.


Область наук:
  • Механіка і машинобудування
  • Рік видавництва: 2005
    Журнал: Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету
    Наукова стаття на тему 'Проблеми підвищення конкурентоспроможності роторно-кавітаційних нагрівачів рідин '

    Текст наукової роботи на тему «Проблеми підвищення конкурентоспроможності роторно-кавітаційних нагрівачів рідин»

    ?УДК 621.1

    ПРОБЛЕМИ ПІДВИЩЕННЯ КОНКУРЕНТОСПРОМОЖНОСТІ роторно-кавітаційних нагрівачі РІДИН

    Б.М. Посметний, інженер, виробниче підприємство "Весоизмеритель", Ю.І. Горпинка, к. Т.н., викладач, ХУПС

    Анотація. Розроблено роторні кавитационні теплогенератори оригінальних конструкцій, зроблені випробування їх натурних моделей. Досліджено питання узгодження сверх'едінічние теплогенератора і опалювальної системи. Проаналізовано перспективи застосування роторно-кавітаційних нагрівачів рідини.

    Ключові слова: сверх'едінічние, роторний кавітаційний теплогенератор, опалювальна система, розводка верхня, нижня.

    Вступ

    Сучасні роторні генератори тепла, використовують явище кавітації, мають сверх'-одиничною ефективністю; тим не менш, їх конкурентоспроможність низька. До того ж, характеристики агрегатів при підключенні до реальної навантаженні можуть сильно змінитися в гіршу сторону, в порівнянні з тими, які реєструються при стендових випробуваннях. У роботі наведені результати досліджень, присвячених зазначеним проблемам.

    аналіз публікацій

    Роторно-кавитационні генератори тепла були вперше виготовлені в США [1], і зараз їх технології активно розробляють в цій країні. Іонізуюче гамма-випромінювання у таких агрегатів не реєструвалося. Конструкції представлених в літературі, наприклад [1, 2] роторно-кавітаційних генераторів тепла, можна звести до максимально спрощеною схемою, наведеною далі на рис. 1. Привід сучасних агрегатів здійснюється від електродвигунів. Ротор, найчастіше, має циліндричну форму і може бути монолітним, порожнистим або складальним, в загальному випадку - є тілом обертання.

    Істотний внесок в розвиток зазначеного напрямку зі спробою побудови теоретичних моделей внесли дослідники з країн СНД [2, 3]. Досягнутий при випробуваннях рівень корисної ефективності агрегатів становить близько 200%. Рекомендації наукової літератури, найбільш повно представлені в [4], стосуються створення умов, сприятливих для кавітації при гальмуванні обертається рідини, забезпе-

    ня резонансного посилення звукових коливань. Наведено експериментальні докази досягнення гальмівним елементом статора температур рівня 500 ° С, в зв'язку з чим запропоновано використовувати контакт теплоносія з конструктивними елементами, для попереднього його підігріву перед подачею в зону кавітації.

    Питання стикування теплогенератора і його навантаження - опалювальної системи будівлі або споруди - практично не розглядалися. Існують проблеми і в прогнозуванні тиску в шарах обертається усередині агрегату рідини. Оцінки перспектив впровадження виробів і шляхів підвищення їх конкурентоспроможності на ринках джерел теплопостачання суперечливі і, на нашу думку, потребують доповнень.

    Мета і постановка задачі

    Дослідження способів поліпшення споживчих характеристик роторно-кавітаційних теплогенераторів, шляхів збереження їх високої ефективності при роботі в складі опалювальних систем; аналіз сучасних перспектив застосування і шляхів підвищення економічності.

    Основні конструкції

    Фахівцями Харківської асоціації виробників вимірювальної техніки «МІРА» розроблені оригінальні конструкції роторнокавітаціонних нагрівачів рідин, перевагами яких є порівняно низька вартість і простота експлуатації. Конструктивні схеми описаних в літературі агрегатів і оригінальних теплогенераторів подібні. Узагальнююча схема приведена на рис. 1.

    Технологічний блок складається з нерухомого корпусу - статора і ротора. Ротор встановлюється в статор з зазором; для інтенсифікації кавітації на тілі ротора виконані поглиблення. Вал ротора, найчастіше з двох сторін, спирається на підшипники, які встановлені в тілі статора, але можлива і одноопорного схема. Біля отворів статора вал оснащений ущільненням. Генерування тепла забезпечується фізичними процесами, що відбуваються в рідині, в зазорі між ротором і статором. Подача і відведення рідини можуть здійснюватися на різних відстанях від осі обертання, включаючи подачу в робочий зазор і висновок поблизу зазначеної осі.

    Мал. 1. Конструктивна схема роторно-кавітаційних нагрівачів рідини: 1 - статор, 2 - ротор, 3 - вал, 4 - отвори для посилення кавітації. Прямими стрілками показана схема прокачування рідини

    Методика випробувань, їх результати

    Випробування оригінальних роторно-кавітаційних нагрівачів рідини проводилися на стенді, що включає власне агрегат і накопичувальний бак для водяного конденсату. Така схема дозволяє легко вимірювати середні тепловиділення. Крім того, була забезпечена можливість безпосереднього підключення до реальної опалювальній системі з нижнім розведенням. Розроблений теплогенератор здатний нагрівати воду за один її прохід до температур 90 ° С, і вище. Виділення теплоти визначалося за допомогою вимірювань температур води на вході і виході теплогенератора і її витрати.

    За нашими спостереженнями, які узгоджуються з літературними даними, роторно-кавитационні джерела тепла помітного шкідливого впливу не роблять, що є їх вирішальною перевагою перед теплогенераторами на основі труби Ранка [5]. Максимальний виміряний рівень ефективності агрегатів не перевищив 200%. При висоті водяного стовпа опалювальної системи вище рівня десяти - п'ятнадцяти метрів,

    роторно-кавітаційний нагрівач опинявся нездатним витісняти в неї нагріту рідину, зберігаючи при цьому сверх'едінічние ефективність.

    інтерпретація результатів

    Аналіз експериментальних даних дозволив зробити висновок, що сверх'едінічние ефективність пристрою в цілому пов'язана зі зменшенням в технологічному блоці поверхні тертя рідини без кавітації. При наближенні дзеркала рідини до осі ротора (див. Рис.1), корисна ефективність теплогенератора знижується (зазвичай до 60%). Ми припускаємо, що причиною тому є високий рівень механічних втрат на тертя ротора про воду.

    Разом з тим, при роботі теплогенератора в умовах неповного заповнення теплоносієм вільної порожнини статора необхідно забезпечити його видавлювання в опалювальну систему. Для цього в зазначеному режимі є єдина можливість - за рахунок тиску стовпа рідини, що обертається, який повинен бути досить високим. Іншою причиною, котра виправдовує збільшення висоти стовпа рідини, що обертається, є необхідність забезпечення достатньої поверхні теплообміну між рідиною і ротором. За огляду сталевих роторів, які працювали в теплогенераторах оригінальних конструкцій, їх поверхню, що не піддавалася термічній обробці при виготовленні, в деяких зонах набувала кольору мінливості, характерні для загартування.

    Розподілу тиску під обертається рідини

    Для прогнозування тиску під обертається рідини, пропонуємо використовувати формулу (1), отриману в результаті аналітичного рішення відповідної крайової задачі. Тиск газу над поверхнею рідини вважалося заданим, в ряді ситуацій воно може бути прийнято рівним тиску атмосфери.

    Р (к) - РГАЗУ + 2

    | П2 • р • ИсГ '

    (К2 - кп

    2), (1)

    де РГАЗУ - тиск газу над обертається рідиною, КТТ - відстань від осі вала до дзеркала рідини, до - розрахункова відстань від осі вала; П - число пі, р - середня щільність рідини, Ист - частота обертання стовпа рідини, в першому наближенні може бути обрана за кількістю оборотів валу, уточнити її значення можна за допомогою формули (1), якщо виміряна тиск в робочому зазорі.

    Як видно з формули (1), приріст тиску рідини пропорційний квадрату відстані від осі обертання. У зв'язку з цим, навіть на невеликій висоті стовпа рідини, можливе істотне збільшення її тиску.

    Використання теплогенератора

    в опалювальних системах

    Очевидно, що найпростіше роторно-кавитационні генератори тепла погоджувати з опалювальними системами, в яких застосована верхня розводка. У такій системі вплив тиску її водяного стовпа буде мінімальним, оскільки джерело тепла встановлюється у верхній точці контуру. Завдання збереження ефективності теплогенератора в найбільш часто вживаних опалювальних системах з нижнім розведенням виявляється технічно складної.

    Рішенням проблеми теоретично могло б стати роз'єднання контуру опалювальної системи і контуру теплогенератора. Однак і постійне, і тимчасовий поділ контурів різко погіршують економічність системи. Підвищення рівня допустимого для ефективної роботи теплогенераторів водяного стовпа навантаження в перспективі пов'язано зі збільшенням діаметра ротора і швидкості його обертання (див. (1).

    Сфери застосування і шляхи підвищення економічності

    При корисної ефективності діапазону 60-200% споживчі характеристики теплогенераторні агрегату визначаються, головним чином, економічністю приводу. Існуючі технології дозволяють перетворити в електроенергію в середньому лише близько 30% теплоти згорання органічних палив. Тому пряме використання електричного опалення малорентабельне. Іншим серйозним недоліком роторних джерел тепла з електричним приводом є підвищений рівень капітальних витрат, у порівнянні зі звичайними водогрійними котлами. Високі капітальні та експлуатаційні витрати звужують сферу використання, в тому числі і сверх'едінічние нагрівачів, до забезпечення автономного або тимчасового теплопостачання, або теплопостачання за пільговим тарифом оплати електроенергії.

    Сверх'едінічние системи опалення з приводом від енергії руху природних потоків теоретично мають значний потенціал конкурентоспроможності. Основними їх перевагами є відсутність необхідності у використанні палива і зниження потреб у валовому відборі енергії від потоку. Однак для їх реалізації необхідно вирішити складні інженерні завдання, пов'язані з транспортуванням теплоти до місця споживання і поверненню теплоносія до генератора. Рідкий теплоносій має ряд очевидних недоліків: необхідність переміщати великий його обсяг для перенесення

    тепла до споживача, падіння температурного потенціалу в живильному трубопроводі і опалювальних елементах, можливість замерзання зворотного трубопроводу. Складність вирішуваних завдань швидко наростає при збільшенні відстані від теплогенератора до опалювальних приміщень. Різко змінити ситуацію в стані перехід на використання парового теплоносія в одноконтурній схемі, але для цього необхідне створення сверх'едінічние генераторів пара.

    висновки

    Для спрощення реалізації потенціалу ефективності роторно-кавітаційних нагрівачів рідини необхідно спеціально проектувати під їх використання опалювальні системи з верхнім розведенням, або застосовувати такі джерела тепла в опалювальних системах малоповерхових будівель.

    До розробки надійних і недорогих роторних парогенераторів або до підвищення корисної ефективності нагрівачів рідини до рівня 300%, перспективи їх застосування обмежуються системами автономного або резервного теплопостачання і системами теплопостачання з накопиченням теплоти, при її виробленні за нічним тарифом оплати електроенергії.

    література

    1. Патент США № 5188 090, МПК F 24 З 9/00

    U.S. Cl. 126-247. Apparatus for heating fluids / James L. Griggs // Бюл. №9. - 1994.

    2. Патент РФ № 2142604, МПК F 24 J3 / 00 / Спо-

    соб отримання енергії і резонансний насос-теплогенератор / Петраков А. Д. //

    Бюл. №3-4. - 1998.

    3. Патент Украши № 50608 А, МПК F 24 J3 / 00.

    На ^ вач рвдіні / Потапов Ю.С. Фомін-ський Л.П., Потапов С.Ю. // Бюл. №10. - 2002.

    4. Фоминский Л.П. сверх'едінічние теплогене-

    ратора проти Римського клубу. - Черкаси: «ОКО-Плюс», 2003. - 424 с.

    5. Посметний Б.М, горпинка Ю.І. активізація

    додаткових енерговиділень в вихрових генераторах тепла на основі труби Ранка // Вісник ХНАДУ / Зб. наук. тр. -Харків: Вид-во ХНАДУ. - 2005. - Вип. 29. - С. 181-183.

    Рецензент: М.А. Подригало, професор, д.т.н., ХНАДУ.

    Стаття надійшла до редакції 7 січня 2005 р.


    Ключові слова: сверх'едінічние / роторний кавітаційний теплогенератор / опалювальна система / розводка верхня / нижня

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити