Роторный вихревой теплогенератор
Схема вихревого теплогенератора.
Данная гидродинамическая конструкция являет собой несколько измененный центробежный насос. Говоря другими словами, имеется корпус насоса (в данном случае он является статором) с выходным и входным патрубками и рабочей камерой. Внутри корпуса находится ротор, который выполняет роль рабочего колеса. Основное отличие от обыкновенного насоса заключается в роторе. Известно большое количество конструктивных роторных исполнений вихревых теплонегераторов, все описывать не имеет смысла. Наиболее простой из них является диском. На его цилиндрической поверхности просверлено немалое количество глухих отверстий определенного диаметра и глубины. Данные отверстия называются ячейками Григгса (американский изобретатель, который первым испытал данную конструкцию). Размеры и количество этих ячеек должны определяться исходя из размеров роторного диска и частоты вращения электрического двигателя, который приводит его во вращение.
Статор (корпус теплогенератора) в большинстве случаев выполняется в виде полого цилиндра, то есть трубы, которая заглушена фланцами с обеих сторон. Зазор между внутренней стеной статора и ротором при этом весьма мал и составляет приблизительно 1-1,5 мм.
В зазоре между статором и ротором будет происходить нагрев воды. Ему способствует трение жидкости о поверхности ротора и статора, при быстро вращении первого. Большое значение для нагрева воды имеют и кавитационные процессы, завихрения воды в роторных ячейках. Скорость вращения ротора в большинстве случаев составляет 3000 об/мин, в случае если его диаметр равен 300 мм. С уменьшением диаметра ротора частота вращения должна увеличиваться.
Схема принципа работы воздушного отопления теплогенератора.
При всей простоте данная конструкция нуждается в большой точности изготовления. Помимо того, понадобится балансировка ротора. Необходимо будет решить и вопрос уплотнения вала ротора. Следует знать, что уплотнительные элементы нуждаются в регулярной замене.
Из того, что было сказано выше, следует, что ресурс данных установок не очень большой. Стоит заметить, что работа роторных теплогенераторов создает повышенный шум. В сравнении с конструкциями статического типа они обладают на 20-30% большей производительностью. Устройства роторного типа могут даже вырабатывать пар.
Изготовление гидродинамического контура
Для изготовления гидродинамического контура предварительно необходимо изобразить схему контура. (ИЗОБРАЖЕНИЕ 2) На схеме можно увидеть:
- манометр на выходе из сопла (измерение давления на выходе);
- термометр (измерение температуры на входе в систему);
- кран для сброса воздуха (удаление из системы воздушной пробки);
- выходной патрубок с краном;
- гильза для термометра;
- входной патрубок с краном;
- гильза для термометра на входе;
- манометр на входе в сопло (измерение давления на входе в систему).
Схема обогревателя на отработанном масле.
Устройство контура представляет собой трубопровод, вход которого соединен с выходным патрубком насоса, а выход – с входным. В трубопровод нужно вварить сопло, патрубки для подключения манометра, гильзы для установки термометра, штуцер под вентиль, для того чтобы сбрасывать воздух, штуцер для подключения контура отопления.
На данной схеме вода будет двигаться против часовой стрелки. Подача в контур воды осуществляется через нижний патрубок, а выдача из него воды – через верхний. Регулирование перепада давления будет осуществляться вентилем, который находится между выходным и входным патрубками.
Разновидности
Кавитационные устройства делятся на следующие виды:
- роторные – вихревой кавитационный теплогенератор предусматривает видоизмененный центробежный насос, корпус которого представляет собой статор с входящей и выходящей трубой. Основной рабочий орган прибора – камера с подвижным ротором, который вращается по типу колеса;
- статические – в приборе отсутствуют вращающиеся детали, для кавитации применяют конструкцию из сопел с мощным центробежным насосом;
- трубчатые – в конструкции предусмотрены продольно расположенные трубки. КПД трубчатых теплогенераторов кавитации отличается высокими показателями;
- ультразвуковые – эффект кавитации обеспечивается при помощи ультразвуковых волн.
Кавитационный теплогенератор вихревой КПД ультразвукового оборудования невероятно высок.
Принцип работы роторных генераторов
Пожалуй, к самым продуктивным моделям относится конструкция Григгса, в которой ротор в форме диска располагает поверхностью с многочисленными глухими отверстиями определенного диаметра и глубины. Статор представлен в виде цилиндра с запаянными концами, в котором вращается ротор. Между роторным диском и стенками статора есть зазор величиной около 1,5 мм. В ячейках устройства обеспечивается возникновение завихрений для образования кавитационных полостей. Количество ячеек определяется частотой вращения ротора.
Как отмечают специалисты, для эффективности работы прибора применяется ротор с поперечным размером от 30 см со скоростью вращения 3 000 оборотов/мин. При меньшем диаметре требуется увеличить параметры оборотов.
Особенности роторных теплогенераторов кавитационного действия:
- присутствует значительный уровень шума;
- КПД устройства не впечатляет;
- непродолжительный срок службы;
- показатели производительности на 25% выше, чем у статических моделей.
При эксплуатации роторной установки требуется отработка четкого действия всех элементов, в том числе и балансировка цилиндра. Также необходимо своевременно менять исчерпавшие свой потенциал изоляционные материалы для уплотнения вала.
Принцип работы статического теплогенератора
Кавитация предполагает высокую скорость перемещения рабочей жидкости при помощи мощного мотора центробежного типа. Так как dвыхода сопла значительно меньше, чем параметры противоположного конца, увеличивается скорость перемещения субстанции, и возникают кавитационные эффекты.
Статические кавитаторные приборы располагают массой преимуществ:
- не требуется балансировка и точная подгонка деталей;
- уплотнители изнашиваются меньше, чем в роторной модели, так как здесь отсутствуют подвижные детали;
- продолжительность срока службы статического кавитатора около 5 лет, что значительно больше, чем у предыдущего варианта прибора.
При необходимости производится замена сопла, для чего понадобится относительно небольшой расход времени и сил, тогда как в случае с роторным прибором придется воссоздать его заново, если оборудование выйдет из строя.
Трубчатые тепловые генераторы: устройство и принцип работы
В этой модели кавитационное тепло вырабатывается благодаря продольному расположению трубок:
- помпа способствует нагнетанию давления во входящую камеру, и рабочая субстанция направляется через трубки. При этом на входе образуются пузырьки;
- при попадании во вторую камеру, где установлено высокое давление, пузырьки разрушаются, в процессе образуется тепловой потенциал.
Трубчатый тепловой генератор Выработанная таким способом энергия направляется вместе с паром на отопление дома. Как утверждают производители трубчатых теплогенераторов кавитации, как и специалисты в сфере климатического оборудования, эта модель отличается высокими показателями КПД.
Особенности ультразвуковых генераторов кавитационного действия
В установке создаются ультразвуковые волны, благодаря которым образуется кавитационное тепло. Для этого применяется кварцевая пластина, на ее основе под воздействием электрического тока создаются звуковые колебания. Они направляются на вход, впоследствии чего образуется вибрация. На обратной фазе звуковых волн возникают участки разряжения и наблюдается эффект кавитации. Принцип работы ультразвукового кавитатора предполагает минимальные потери энергии и практическое отсутствие трения. Всем этим обуславливается исключительно высокий КПД ультразвукового оборудования.
Классический вариант
Как уже отмечено, в электростанции на дровах используется несколько технологий для получения электричества. Классической среди них является энергия пара, или попросту паровой двигатель.
Здесь все просто – дрова или любое другое топливо сгорая, разогревает воду, в результате чего она переходит в газообразное состояние – пар.
Полученный пар подается на турбину генераторной установки, и за счет вращения генератор вырабатывает электроэнергию.
Поскольку паровой двигатель и генераторная установка соединены в единый закрытый контур, то после прохождения турбины пар охлаждается, снова подается в котел, и весь процесс повторяется.
Такая схема электростанции – одна из самых простых, но у нее имеется ряд существенных недостатков, одним из которых является взрывоопасность.
После перехода воды в газообразное состояние давление в контуре значительно повышается, и если его не регулировать, то высока вероятность порыва трубопроводов.
И хоть в современных системах применяются целый набор клапанов, регулирующих давление, но все же работа парового двигателя требуется постоянного контроля.
К тому же обычная вода, используемая в этом двигателе, может стать причиной образования накипи на стенках труб, из-за чего понижается КПД станции (накипь ухудшает теплообмен и снижает пропускную способность труб).
Но сейчас эта проблема решается использованием дистиллированной воды, жидкостей, очищенных примесей, выпадающих в осадок, или же специальных газов.
Но с другой стороны эта электростанция может выполнять еще одну функцию – обогревать помещение.
Здесь все просто – после выполнения своей функции (вращения турбины) пар необходимо охладить, чтобы он снова перешел в жидкое состояние, для чего нужна система охлаждения или попросту – радиатора.
И если разместить этот радиатор в помещении, то в итоге от такой станции получим не только электроэнергию, но еще и тепло.
Статический кавитационный теплогенератор
Данный тип теплогенератора лишь условно называется статическим. Это обусловливается отсутствием вращающихся частей в кавитаторной вихревой конструкции. Для того чтобы создавать кавитационные процессы, используются различные виды сопел.
Чтобы возникла кавитация, понадобится обеспечить большую скорость движения в кавитаторе жидкости. Для этого следует использовать обыкновенный центробежный насос. Насос будет нагнетать давление жидкости перед соплом. Она устремится в отверстие сопла, которое имеет гораздо меньшее сечение, чем подводящий трубопровод. Это обеспечивает большую скорость на выходе из сопла. При помощи резкого расширения жидкости возникает кавитация. Этому будет способствовать и трение жидкости о поверхность канала и завихрения воды, которые возникают в случае резкого выравнивания струи из сопла. Вода нагревается по тем же причинам, что и в роторной вихревой конструкции, однако с несколько меньшей эффективностью.
Схема принципа работы стационарного теплогенератора.
Устройство статического теплогенератора не нуждается в высокой точности изготовления деталей. При изготовлении данных деталей механическая обработка сводится к минимуму по сравнению с роторной конструкцией. В связи с отсутствием вращающихся частей может легко решиться вопрос уплотнения деталей и сопрягаемых узлов. Балансировка здесь тоже не нужна. Период службы кавитатора гораздо больше. Даже в случае выработки ресурса соплом изготовление и замена его потребует гораздо меньшие материальные затраты. В данном случае роторный кавитационный теплогенератор понадобится изготавливать заново.
Недостатком статического устройства является стоимость насоса. Однако себестоимость выполнения теплогенератора данного устройства практически не отличается от роторной вихревой конструкции. В случае если же вспомнить о ресурсе обеих установок, данный недостаток превратится в преимущество, потому как в случае замены кавитатора не нужно менять насос.
Следовательно, есть смысл задуматься над тем, чтобы сделать статический вихревой теплогенератор.
Термоэлектрогенераторы
Электростанции с генераторами, построенными по принципу Пельтье – достаточно интересный вариант.
Физик Пельтье обнаружил эффект, который сводится к тому, что при пропускании электроэнергии через проводники, состоящие из двух разнородных материалов, на одном из контактов происходит поглощение тепла, а на втором – выделение.
Причем эффект этот обратный – если с одной стороны проводник разогревать, а со второй – охлаждать, то в нем будет образовываться электроэнергия.
Именно обратный эффект используется в электростанциях на дровах. При сгорании они разогревают одну половину пластины (она и является термоэлектрогенератором), состоящую их кубиков, сделанных из разных металлов, а вторая же ее часть – охлаждается (для чего используются теплообменники), в результате чего на выводах пластины появляется электроэнергия.
Но есть у такого генератора несколько нюансов. Один из них – параметры выделяемой энергии напрямую зависят от разницы температуры на концах пластины, поэтому для их выравнивания и стабилизации необходимо использование регулятора напряжения.
Второй нюанс заключается в том, что выделяемая энергия – лишь побочный эффект, большая часть энергии при сгорании дров просто преобразуется в тепло. Из-за этого КПД такого типа станции не очень высокая.
К достоинствам электростанций с термоэлектрогенераторами относятся:
- Длительный срок службы (нет подвижных частей);
- Одновременно вырабатывается не только энергия, но и тепло, которое можно использоваться для обогрева или приготовления пищи;
- Бесшумность работы.
Электростанции на дровах, использующие принцип Пельтье, — достаточно распространенный вариант, и выпускаются как портативные устройства, которые способны лишь выделить электроэнергии для зарядки маломощных потребителей (телефона, фонаря), так и промышленные, способные запитать мощные агрегаты.
Радиаторные батареи
Все видели таки батареи в квартирах, и принцип их работы в частных домах ничем не отличается. Главным недостаток является неравномерность прогрева пространства. Возле батареи жарко, а в коридоре если не налажена система тепло обмена, будет холодно.
Плюсы это конечно простота и относительная дешевизна в установке.
- Наращивание радиаторов — пошаговое описание и советы как добавить секцию быстро и просто (145 фото + видео)
- Как сделать отопление своими руками — схемы, проекты и особенности применения актуальных систем отопления (115 фото)
- Подключение датчика температуры — схема подключения автоматики и нюансы использования в системе управления отоплением (130 фото, схем и видео монтажа)
Применение
В промышленности и в быту кавитационные теплогенераторы нашли реализацию в самых различных сферах деятельности. В зависимости от поставленных задач они применяются для:
- Отопления – внутри установок происходит преобразование механической энергии в тепловую, благодаря чему нагретая жидкость двигается по системе отопления. Следует отметить, что кавитационные теплогенераторы могут отапливать не только промышленные объекты, но и целые поселки.
- Нагревание проточной воды – кавитационная установка способна быстро нагревать жидкость, за счет чего может легко заменять газовую или электрическую колонку.
- Смешение жидких веществ – за счет разрежения в слоях с получением мелких полостей такие агрегаты позволяют добиться надлежащего качества перемешивания жидкостей, которые естественным образом не совмещаются из-за разной плотности.
Изготовление теплогенератора своими руками
Список деталей и приспособлений для создания генератора тепла:
- для измерения давления на входе и выходе из рабочей камеры нужны два манометра;
- термометр измерения температуры входной и вытекающей жидкости;
- вентиль для удаления воздушных пробок из системы отопления;
- входной и выходной патрубки с кранами;
- гильзы под термометры.
Выбор насоса циркуляционного действия
Для этого нужно определиться с требуемыми параметрами устройства. Первой характеристикой является возможность работы насоса с высокотемпературными жидкостями. Если пренебречь таким условием, то насос быстро выйдет из строя.
Далее нужно выбрать рабочее давление, которое может создавать насос.
Для теплогенератора достаточно, чтобы при входе жидкости сообщалось давление в 4 атмосферы, можно поднять такой показатель до 12 атмосфер, что увеличит скорость нагрева жидкости.
Производительность насоса существенного влияния на скорость нагрев оказывать не будет, так как при работе жидкость проходит через условно узкий диаметр сопла. Обычно транспортируется до 3–5 кубических метров воды в час. Гораздо большее влияние на работу теплогенератора будет иметь коэффициент перехода электричества в тепловую энергию.
Изготовление кавитационной камеры
Классическим примером является выполнение приспособление в виде сопла Лаваля, которое модернизируется мастером, изготовляющим генератор своими руками
Особое внимание следует уделить выбору размера сечения проходного канала. Оно должно обеспечить максимальный перепад давления жидкости
Если устроить наименьший диаметр, то вода будет вылетать из сопла под большим давлением, и процесс кавитации будет происходить более активно.
Но в таком случае будет уменьшен поток воды, что приведет к смешиванию ее с холодными массами. Маленькое отверстие сопла также работает на увеличение числа воздушных пузырьков, что увеличивает шумовой эффект работы и может привести к тому, что пузырьки начнут образовываться уже в камере насоса. Это уменьшит срок его службы. Наиболее приемлемым, как показала практика, считается диаметр 9– 16 мм.
По форме и профилю сопла бывают цилиндрической, конусной и закругленной формы. Однозначно нельзя сказать, какой выбор будет более эффективным, все зависит от остальных параметров установки. Главное, чтобы вихревой процесс возникал, уже на этапе начального входа жидкости в сопло.
Изготовление водяного контура
Предварительно следует составить схематично протяженность контура и его особенности, все это перенести на пол мелом. Принципиально о контуре можно сказать, что он представляет собой изогнутую трубу, которая присоединяется к выходу их кавитационной камеры, а потом жидкость подается снова на вход. В качестве дополнительных приборов подсоединяются два манометра, две гильзы, в которые устанавливают термометр. Также в контуре присутствует вентиль для сбора воздуха.
Вода в контуре поступает против часовой стрелки. Для регулирования давления ставим вентиль между входом и выходом. Применяется труба диаметром 50, что характерно для совпадения с размером патрубков.
Старые модели теплогенераторов работали без установки сопел, повышение напора воды было предусмотрено за счет разгона воды в трубопроводе достаточно большой протяженности. Но в нашем случае не стоит применять слишком большую длину труб.
Испытание генератора
Насос подключают к электричеству, а радиаторы — к системе отопления. После того как оборудование установлено, можно приступить к испытаниям. Осуществляем включение в сеть и двигатель начинает работу
При этом стоит обратить внимание на показание манометров давления и установить нужную разницу с помощью вентиля между входом и выходом воды. Разница атмосфер должна быть в диапазоне от 8 до 12 атмосфер
После этого пускаем воду и наблюдаем за температурными параметрами. Достаточным будет нагревание в системе за десять минут на 3–5ºС за минуту. За небольшой промежуток времени нагрев достигает 60ºс. Наша система вместе с насосом запитана 15 литрами воды. Этого вполне достаточно для эффективной работы.
Для применения в быту теплогенераторов достаточно немного желания и навыков сборщика, так как все устройства применяются в готовом виде. А эффективность не заставит себя ждать.
Плюсы и минусы кавитационных источников энергии
Кавитационные нагреватели – это простые устройства, которые преобразуют механическую энергию рабочей жидкости в тепловую. По сути, данный прибор состоит из центробежного насоса (для ванной, скважин, систем водоснабжения частных домов), который имеет низкий показатель эффективности. Преобразование энергии в кавитационном нагревателе широко используется в промышленных предприятиях, где нагревательные элементы могут быть повреждены при контакте с рабочей жидкостью, у которой серьезная разность в температурах.
Конструкция кавитационного теплогенератора
Плюсы устройства:
- Эффективность;
- Экономичность теплоснабжения;
- Доступность;
- Можно собрать своими руками домашний прибор производства тепловой энергии. Как показывает практика, самодельный прибор не уступает купленному по своим качествам.
Минусы генератора:
- Шумность;
- Сложно достать материалы для производства;
- Мощность слишком большая для небольшого помещения до 60-80 квадратных метров, бытовой генератор проще купить;
- Даже мини-приборы занимают много места (в среднем как минимум полтора метра комнаты).
Принцип работы
«Кавитация» относится к образованию пузырьков в жидкости, таким образом, рабочее колесо работает в смешанной фазе (период жидкости и пузырьков газа) окружающей среды. Насосы, как правило, не предназначены для смешанной фазы потока (их работа уничтожает пузыри, из-за чего кавитационный генератор теряет эффективность). Данные термические приспособления предназначены, чтобы вызывать смешанный поток фаз как часть перемешивания жидкости, что приводит к термической конверсии.
Чертеж теплогенератора
В коммерческих кавитационных обогревателях, механическая энергия приводит в действие нагреватель входной энергии (например, двигатель, блок управления), в результате чего жидкость, которая отвечает за образование выходной энергии, возвращается к источнику. Такое сохранение превращает механическую энергию в тепловую с небольшой потерей (как правило, менее 1 процента), поэтому при пересчете учитываются погрешности преобразования.
Немного по иному работает суперкавитационный реактивный генератор энергии. Такой нагреватель используется на мощных предприятиях, когда тепловая энергия выхода передается на жидкость в определенном устройстве, её мощность значительно превышает количество механической энергии, необходимой для приведения в действие нагревателя. Эти приборы более энергетически продуктивны, чем возвратные механизмы, в частности тем, что они не требуют регулярной проверки и настройки.
Существуют разные типы таких генераторов. Самый распространенный вид – это роторно-гидродинамический механизм Григгса. Его принцип действия основан на работе центробежного насоса. Состоит он из патрубков, статора, корпуса и рабочей камеры. На данный момент существует множество модернизаций, самый простой – приводной или дисковый (сферический) водяной насос ротационного действия. Он представляет собой дисковую поверхность, в которой просверлено много различных отверстий глухого типа (без выхода), данные конструктивные элементы называются ячейки Григгса. Их размерные параметры, число напрямую зависят от мощности ротора, конструкции теплогенератора и частоты вращения привода.
Гидродинамический механизм Григгса
Между ротором и статором находится определенный зазор, который необходим для нагрева воды. Данный процесс осуществляется при помощи быстрого движения жидкости по поверхности диска, что способствует повышению температуры. В среднем, ротор движется приблизительно со скоростью 3000 оборотов в минуту, чего достаточно для повышения температуры до 90 градусов.
Второй вид кавитационного генератора принято называть статическим. Он не имеет, в отличие от роторного, никаких вращающихся частей, для того, чтобы осуществлялась кавитация, ему необходимы сопла. В частности, это детали известного Лаваля, которые подключены к рабочей камере.
Для работы, подключается обычный насос, как в роторном виде генератора, он нагнетает в рабочей камере давление, чем обеспечивает большую скорость движения воды, соответственно, повышение её температуры. Скорость жидкости на выходе из сопла обеспечена разностью диаметров поступательного и выходного патрубков. Его недостатком является то, что эффективность значительно ниже, чем в роторном, тем более, он более габаритный, тяжелый.
Изготовление и разработка кавитатора
Схема устройства стационарного теплогенератора.
Существует большое количество конструкций статических кавитаторов, однако практически во всех случаях они выполняются в виде сопла. За основу чаще всего берется сопло и модифицируется конструктором. Классическая конструкция изображена на рисунке (ИЗОБРАЖЕНИЕ 1).
Первое, на что необходимо обратить внимание – сечение канала между конфузором и диффузором. Не следует сильно зауживать его сечение, стараясь тем самым обеспечить максимальный перепад давления
Объем воды, которая перекачивается через сопло, будет слишком мал. При смешении с холодной водой, она передаст ей недостаточное количество теплоты. Значит, общий объем воды не сможет нагреваться быстро. Помимо того, малое сечение канала поспособствует завоздушиванию воды, которая поступает во входной патрубок рабочего насоса. Вследствие данный насос будет работать шумно, и может возникать кавитация в самом устройстве.
Наилучшие показатели могут быть достигнуты при диаметре канального отверстия 10-15 мм.
Принцип работы
Процесс кавитации. (Для увеличения нажмите) Теплоноситель (чаще всего используют воду) попадает в кавитатор, где установленный электродвигатель производит его раскручивание и рассечение винтом, в результате образуются пузырьки с парами (это же происходит, когда плывет подводная лодка и корабль, оставляя за собой специфический след).
Двигаясь по теплогенератору, они схлопываются, за счет чего выделяется тепловая энергия. Такой процесс и называется кавитацией.
Исходя из слов Потапова, создателя кавитационного теплогенератора, принцип работы данного типа устройства основан на возобновляемой энергии. За счет отсутствия дополнительного излучения, согласно теории, КПД такого агрегата может составлять около 100%, так как практически вся используемая энергия уходит на нагрев воды (теплоносителя).
