§18. Гидравлический теплогенератор


Гидравлический теплогенератор изобретен молдавским ученым Потаповым Ю.С. Принципиальная конструктивная схема этого теплогенератора показана на рис.1. Такие теплогенераторы уже широко применяются для отопления зданий и, что самое интересное, их коэффициент полезного действия больше единицы: его величина достигает 120 и даже 170 процентов. Это значит, что количество выделяемого тепла будет больше, чем потреб­ленная электродвигателем энергия. Однако, научного объяснения это важное обстоятельство до сих пор не имеет. Предполагается, что выделение допол­ни­тель­ной энергии происходит на микроуровне, поэтому эти теплогенераторы иногда называются квантовыми. Нами предлагается своя версия объяснения принципа работы та­ких теплогенера­то­ров, которая, воз­мож­но, поможет со­вершенствовать их конструкцию и повы­сить коэффициент полезного действия, а также создать новые конструкции теплогенераторов.
По нашему мнению, работа та­ких теплогенера­то­ров основана на подводе дополнительной энергии и процессе преобразования энергии механического движения в тепловую энергию. В объяснении этого процесса и будет заключаться выяснение принципа работы теплогенераторов.
Подвод дополнительной энергии, как было показано в предыдущем параграфе, происходит в улитке, что же касается процесса преобразования энергии здесь можно выделить две основные причины: 1) возникновение и гашение гидравлических волн и 2) явление кавитации.
Волны в данной гидравлической системе обусловлены самим характером работы центробежного насоса. Из-за наличия небольшого числа лопаток насос нагнетает воду в гидравлическую систему не с постоянным, а с переменным во времени давлением. Цикличность этого давления определяется числом лопаток и скоростью их вращения. На рисунке 2 показан примерный график изменения давления во времени, где характеризует величину пульсаций давления. Время одного цикла пульсации может быть найдено по формуле:
,                                                                                   (1)
где Т - время одного оборота ротора насоса, т.е. время одного оборота двигателя, Л - число лопаток в центробежном насосе.
Время одного оборота ротора насоса определится через его угловую скорость w:
,                                                                                        (2)
где
,                                                                                             (3)
n - число оборотов двигателя в минуту.
Тогда время одного цикла изменения давления будет равно:
(4)
Частота колебаний давления (пульсаций) соответственно будет равна:
(5)
Однако, здесь следует отметить одно важное обстоятельство. Дело в том, что изменение давления , являясь циклическим, в то же время имеет не гармонический характер, а это значит, что изменение может быть разложено в бесконечную сумму гармонических колебаний, или так называемых гармоник. Таким образом, частота, определяемая формулой (5), является первой или основной частотой, все же остальные частоты будут более высокими и будут определяться в соответствии с формулой:
,                                                                                         (6)
где n - номер частоты.
Каждая гармоника колебаний давления будет обладать определенной энергией. Из теории известно, что энергия волны определяется выражением:
,                                                             (7)
где r - плотность жидкости, - S - площадь поперечного сечения трубы, V - скорость волны, t - время, fn - частота колебаний, n - амплитуда колебаний давления соответствующей частоты.
Эта энергия гидравлических волн может быть использована только в том случае, если будут созданы условия для их возникновения в системе и их гашения. Возникновение волн с частотой fn , определяемой формулой (6), обеспечивается применением трубы-генератора определенной длины с гидравлическими дросселями на ее концах, которые способствуют образованию стоячих волн. Длина трубы-генератора определяется формулой :
(8)
где ln - длина волны с частотой  n, с - скорость звука в жидкости,  Тn - время одного цикла для волны с частотой n.
Следует отметить, что скорость звука в жидкости не постоянна и может изменяться в широких пределах в зависимости от давления, температуры, примесей и других факторов. Поэтому длина генератора Lген, найденная по формуле (8), будет приближенной. Для воды скорость звука в первом приближении можно считать равной 1490 м/с (по справочным данным).
Для примера найдем длину трубы-генератора при следующих параметрах гидравлической системы: n = 2900 об/с, Л=6, с=1490 м/с. Используя формулы (6) и (8), для основной частоты (n=1) получим:
м.
Как видим длина трубы-генератора получилась довольно большой. Практически она берется в четыре раза меньше, т.е. определяется в соответствии с четвертой гармоникой - 1,28 м. При такой длине генератора в нем будут формироваться  полные продольные стоячие волны всех гармоник, кратных четвертой гармонике, и половина волны второй гармоники. Из трубы-генератора эти волны будут поступать дальше в гидравлическую систему, неся большой запас механической энергии. Чтобы преобразовать эту энергию в тепло, необходимо создать условия для гашения этих волн. Это может иметь место в том случае, когда длина трубы не будет равна длине волны. Заметим, что поведение прямых и отраженных волн, их наложение, т.е. интерференция, подробно рассмотрены в учебниках. Поэтому мы не будем обсуждать этот вопрос, только отметим, что гашение волн будет достаточно хорошим, если длина трубы, в которой происходит гашение, будет, примерно, равна 5/8 от длины поступающей волны, т.е. четвертой гармоники в нашем случае. В соответствии со схемой, представленной на рисунке 1, гашение волн должно происходить в вихревой трубе. Однако, следует отметить, что гашение волн, не кратных основной волне, происходит уже в трубе-генераторе. Поэтому тепло начинает выделяться уже в ней.
Вихревая труба в тепловом генераторе выполняет две функции. Одну из них мы уже рассмотрели - это гашение гидравлических волн. Вторая функция заключается в получении дополнительной энергии за счет улитки. Возможность появления этой энергии и конструкция улитки рассмотрены в предыдущем параграфе. Эта дополнительная механическая энергия связана с вращением жидкости в вихревой трубе. Величина дополнительной энергии зависит от квадрата скорости потока жидкости, протекающей по улитке. Поэтому с целью увеличения энергии перед улиткой расположен конус, осуществляющий увеличение скорости потока. Конус, однако, создает дополнительное сопротивление движению жидкости, поэтому увеличение скорости не может быть большим.
Чтобы использовать механическую энергию вращения потока жидкости, вихревое движение надо остановить и перевести энергию этого движения в повышение давления в потоке жидкости. Для этого служит тормозная пластина, или успокоитель, в конце вихревой трубы. Это давление будет помогать дальнейшему движению жидкости в гидравлической системе, т.е. вихревая труба будет помогать центробежному насосу. Для лучшей работы вихревой трубы в этом режиме следует к ней подвести дополнительное давление со стороны улитки.  Один из возможных вариантов с помощью обводной трубы показан на рисунке 1. Это дополнительное давление будет компенсировать противодавление в вихревой трубе, возникающее за счет торможения вращательного движения по мере продвижения жидкости в осевом направлении.
После вихревой трубы жидкость может двигаться в двух направлениях: непосредственно на вход центробежного насоса или в отопительную систему. Движение по малому кругу применяется в моменты пуска и разогрева установки, затем с помощью задвижек поток направляется в отопительную систему.
Скорость нагрева жидкости в тепловом генераторе лежит в пределах от 2°С до 6°С в минуту. Коэффициент полезного действия для разных установок может колебаться в широких пределах: примерно от единицы до 1,7, причем причины этого явления не понятны. Попробуем разобраться с этим.
Коэффициент полезного действия теплогенератора, как уже отмечалось, определяется отношением тепловой энергии, выделяемой в генераторе, к энергии, потребляемой электродвигателем. Было показано, что основными причинами выделения тепла являются гашение продольных гидравлических волн, возникающих в трубе-генераторе и в других местах системы, и процессы кавитации. Кавитация имеет место там, где происходит завихрение потока жидкости. Так, например, конус перед входом в улитку производит завихрение в жидкости благодаря своей конструкции, которая схематично представлена на рисунке 3.
Однако на количество выделяемого тепла и потребление энергии будут влиять и другие причины. Рассмотрим их.
1. Не будут полностью гаситься гидравлические волны в системе. Так, из вихревой трубы не погашенные волны попадут в последующие части теплогенератора и могут просто затухнуть без выделения тепла. Поэтому в конструкции теплогенератора желательно предусмотреть несколько ступеней гашения волн. При этом следует иметь в виду, что волны могут генерироваться и гаситься на любом участке гидравлической системы, если для этого создать необходимые условия. Так, например, вихревая труба и гасит волны, идущие из трубы-генератора, и сама их генерирует в соответствии со своей длиной, так как она ограничена с одной стороны торцевой поверхностью улитки, а с другой - дросселем. Вновь генерируемые волны появляются за счет энергии непогашенной части волн. Но эти волны тоже можно погасить на последующих участках гидравлической системы. Тогда тепловая эффективность генератора увеличится.
2. Скорость движения жидкости в гидравлической системе не может сильно увеличиваться за счет вихревого насоса, так как в этом случае скорость жидкости на лопатках центробежного насоса будет больше, чем это имеет место в самом насосе. Увеличение же скорости движения жидкости вдоль лопаток приведет к появлению добавочного сопротивления за счет появления кориолисовых сил инерции. Кориолисова сила инерции будет направлена против кориолисова ускорения, направление которого определяется поворотом скорости потока жидкости на 90° в сторону вращения ротора насоса (см. рис. 4). Величина кориолисовой силы инерции определяется формулой:
,                                                                                   (9)
где m - масса жидкости, w - угловая скорость ротора насоса, V - скорость движения жидкости вдоль лопатки. На преодоление этих сил затрачивается дополнительная энергия, потребляемая двигателем, и коэффициент полезного действия от этого, естественно, уменьшается. Поэтому скорость движения жидкости во всей системе в целом не следует допускать очень большой. Однако, надо иметь в виду, что увеличению скорости жидкости при движении по большому кругу (в отопительной системе) будет мешать сопротивление самой отопительной системы за счет трения между жидкостью и трубами, а также в отопительной арматуре. При большой протяженности отопительной цепи большую помощь центробежному насосу может оказать вихревой насос, что будет способствовать повышению коэффициента полезного действия. Отсюда следует, что отопительная цепь должна быть согласована с параметрами вихревой трубы и генератора в целом.
3. Как следует из формулы (7) энергия волны пропорциональна квадрату частоты fn и квадрату амплитуды изменения давления n. Расчеты показали, что с увеличением частоты амплитуда давления уменьшается быстрее, чем изменяется сама частота, и энергия волн тоже уменьшается.  Поэтому в теплогенераторе выделение тепла в большей степени зависит от изменения давления , чем от частоты f. А это значит, что определяющую роль при этом будет играть изменение давления, создаваемого самим насосом. Это изменение давления будет зависеть как от общего давления, создаваемого насосом, так и от числа лопаток (с увеличением числа лопаток амплитуда пульсаций будет уменьшаться). Поэтому от выбора типа насоса будет зависеть и количество выделенного тепла.
Таким образом, мы рассмотрели причины, по которым происходит выделение тепла в теплогенераторе Потапова. И установили, что поступление дополнительной энергии в улитке может способствовать повышению коэффициента полезного действия, так как улитка в совокупности с вихревой трубой образует вихревой насос, помогающий центробежному насосу перемещать жидкость в системе. Естественно, что потребление энергии центробежным насосом при этом уменьшается. Процессы кавитации тоже увеличивают выделение тепла в теплогенераторе. Однако, у нас нет полной уверенности, что мы установили все причины, рассматриваемого явления. Дело в том, что и в волновых процессах и при кавитации выделение тепла связано с деформациями молекул жидкости, и чем больше эти деформации, а главное, их частота, тем, наверное, больше должно выделяться тепла. Здесь можно усмотреть аналогию с амплитудой механических колебаний, которая зависит от соотношения частот собственных и вынужденных колебаний механической системы. На рисунке 5 представлена амплитудно-частотная характеристика таких колебаний, откуда видно, что максимальная амплитуда соответствует явлению резонанса, когда частота вынужденных колебаний w равна точно частоте собственных колебаний системы р. Эта амплитуда может во много раз  превышать амплитуды при других соотношениях частот при одних и тех же затратах энергии. Возможно, что нечто подобное может происходить и в гидравлическом теплогенераторе, т.е. с увеличением частоты волновых процессов соотношение частот волн и собственных колебаний молекул будет приближаться к единице, т.е. к резонансу. тогда даже при малых затратах энергии раскачка молекул жидкости будет больше, а, значит, и  больше может выделиться тепла.  Правда, частота собственных колебаний молекул жидкости нам не известна, но, несомненно, она во много раз превышает частоты волн, образующихся в теплогенераторе. И тем не менее, если судить по кривой, представленной на рисунке 5, это может привести к изменению механического эквивалента теплоты, определяемому экспериментально при малых скоростях движения и равному 4,184 Дж на 1 калорию теплоты. А если, это будет так, то этот коэффициент будет меньше, и, значит, расчетное количество тепла будет больше, что автоматически приведет к уменьшению коэффициента полезного действия. В связи с такой возможностью и исходя из установленных законов механики и физики для рассматриваемой гидравлической системы, очевидно, нет смысла говорить о  ее коэффициенте полезного действия. В данном случае лучше использовать понятие коэффициента преобразования энергии. Коэффициент же полезного действия никогда не может быть больше или даже равен единице. Просто мы должны иметь в виду, что в противном случае имеется дополнительное поступление не учитываемой нами энергии.
Тем не менее рассмотренный нами теплогенератор и его возможные модификации могут найти широкое применение, сберегая энергию и упрощая систему отопления. Примеров такого использования можно было бы привести очень много. Мы на этом останавливаться не будем. Рассмотрим, однако, вопрос о совершенствовании таких теплогенераторов. Можно наметить следующие пути для совершенствования.
1. В случае протяженной отопительной системы можно для помощи центробежному насосу использовать две вихревые трубы, соединенные последовательно, с двумя улитками, причем первая вихревая труба должна быть короче, чтобы в ней вращательное движение тормозилось меньше.
2. Диаметр трубы-генератора не должен быть меньше диаметра выходного отверстия насоса. Внутренние диаметры дросселей, находящихся в начале и в конце трубы-генератора, не должны быть маленькими, так как это приведет к увеличению сопротивления движению жидкости. Следует подчеркнуть, что сопротивление движению потока жидкости в гидравлическом теплогенераторе должно быть возможно меньшим.
3. В случае применения центробежных насосов большой мощности после трубы-генератора можно использовать несколько вихревых труб, соединенных параллельно друг другу.
4. Поскольку в основе выделения тепла лежат волновые процессы, обусловленные характером работы центробежного насоса, то вместо центробежного насоса можно использовать другие устройства, создающие пульсации в потоке жидкости. Такие пульсаторы можно использовать в гидравлических системах, в которых жидкость движется без пульсаций. В этом случае исчезает потребность в центробежном насосе. Затраты же энергии в пульсаторе будут небольшими.

Полезная информация

Интересные предложения
В ближайшее время планируется опубликовать первую часть научной работы Макарова Б.И. "Законы управляющие вселенной"
  • гидроцилиндры от производителя

Популярные Материалы

Теория

Гидравлический теплогенератор с КПД 120-170 % - вымысел или реальность? КПД выше единицы означает, что количество выделяемого тепла будет больше, чем потребленная электродвигателем энергия. Однако, научного объяснения это важное обстоятельство до сих пор не имеет. Позже мы опубликуем свою версию объяснения этого явления.

Последние Публикации