Механическое воздействие на жидкость в замкнутом объеме приводит к ее нагреву. Этот закон еще в 1840 х гг. открыли Р. Джоуль и Р. Ю. Майер. Полтора века спустя было установлено, что в тепло может быть превращена не только механическая работа привода, но и – в режиме кавитации – внутренняя энергия жидкости. А температура воды на выходе агрегата, в котором создается такой режим, может не соответствовать энергии привода на нагревание воды. На основе этих эффектов были созданы вихревые нагреватели жидкости (ВНЖ).

Только в странах бывшего СССР на вихревые нагреватели жидкости были поданы десятки патентных заявок. Их производит ряд фирм Ижевска, Пензы, Донецка и других городов.

Рабочие процессы ВНЖ объясняются теорией о структурировании жидкости, разработанной киевским профессором И. М. Федоткиным. Статическая диэлектрическая проницаемость, теплоемкость и другие показатели структурированной жидкости существенно отличаются от справочных значений (принятых для жидкости в обычном состоянии). Причина этих отличий – развитая кавитация в рабочем теле (в каждом кубическом миллилитре жидкости содержится до 105 кавитационных каверн диаметром около 10 мкм).

Удельная теплоемкость структурированной воды сопоставима с аналогичным параметром льда (она в два раза меньше удельной теплоемкости обычной, «свободной», воды). Поэтому переход воды в структурированное состояние сопровождается тепловыделением.

Общее количество тепла, вырабатываемого вихревым нагревателем, представляет собой сумму двух составляющих: тепла перехода воды в структурируемое состояние и тепла, полученного преобразованием энергии привода.

Значение первого зависит от интенсивности кавитации, степени различия молярных теплоемкостей воды в свободном и структурированном состояниях, а также начальной температуры воды.

В замкнутой схеме полученное при структурировании жидкости тепло в последующем жидкостью же и поглощается, поэтому эффективность теплогенератора (отношение количества полученной тепловой энергии к количеству затраченной электрической) никогда не превышает единицы.

Но совсем иначе обстоят дела при работе ВНЖ в разомкнутой схеме – от трубопровода проточной воды. Если возвращать в магистраль релаксируемую воду, а в насосный агрегат постоянно подавать свежую, с неиспользованной для тепловыделения внутренней энергией, то эффективность нагревательной системы заметно превысит единицу. Закон сохранения энергии при этом не нарушается: процесс проходит по обратному термодинамическому циклу. Такой режим обеспечивается не только самим вихревым нагревателем, но и отбором тепла, с затратой механической работы, от внешнего низкотемпературного источника – системы водоснабжения.

Недостатки вихревых нагревателей

Известно два типа вихревых нагревателей жидкости – статический и динамический. Статические аппараты не содержат подвижных деталей. Их основные элементы – завихритель и камера с выходным патрубком и тормозным устройством. Они отличаются высокой надежностью в работе, но неэкономичны.

Динамические ВНЖ имеют роторные (перфорированные либо лопаточные) активаторы, жестко скрепленные с приводными валами, а также образованные полостью корпуса неподвижные рабочие камеры с входным и выходным патрубками. Такие агрегаты характеризуются значительно большей эффективностью, но и у них есть свои недостатки.

Общий недостаток всех известных вихревых нагревателей динамического типа – большой момент инерции роторов, кинематически связанных с валом приводного электродвигателя. Например, тульские нагреватели «ТС» нуждаются в энергоемком приводе и дорогостоящей динамической балансировке массивного ротора, выносных подшипниковых опорах с радиальными уплотнениями и аппаратуре плавного пуска. Это сказывается на потребительских качествах теплогенераторов, на их надежности, а также ограничивает область их применения.

Нагрев рабочего тела при автономной работе рассмотренных выше моделей ВНЖ начинается с сетевой температуры – обычно не превышающей 20 оС. Это влечет большие затраты энергии и увеличивает срок окупаемости аппарата.

Новый тип нагревателя

Автором разработан новый тип кавитационно-вихревого нагревателя (патентная заявка РФ
№ 136836), сочетающего преимущества аппаратов статического и динамического типа. Конструкция включает в себя роторный активатор – активную турбину, приводимую прокачиваемой через аппарат жидкостью. В теле активатора размещены вихревые камеры. Имеется и второй ротор – реактивная гидротурбина. Роторы вращаются в противоположных направлениях. В моменты перекрытия вторым ротором срезов части вихревых камер циклически генерируются гидравлические удары. Эти волны перепускаются в тыловые зоны открытых камер. Имеются также дополнительные средства энергообмена роторов с рабочим телом.

Такие конструкционные решения обеспечивают большую амплитуду и широкий частотный спектр колебаний, а также высокую эффективность кавитации при малом гидравлическом сопротивлении. Аппарат лишен главного недостатка динамических ВНЖ – валов с жестко закрепленными на них роторами. Оптимальными по соотношению «себестоимость – эффективность» средствами повышена эффективность и расширены функциональные возможности аппарата.

Среди запатентованных ВНЖ уже известны аппараты, работающие по принципу создания автоколебаний в рабочей камере (например, роторный гидроударный насос-теплогенератор – патент РФ № 2202743). Однако в их конструкциях зона кавитации совмещена с рабочим колесом насоса, что снижает КПД последнего и эффективность всей нагревательной системы.

Рассматриваемая же инновация – основа для создания мини-котельных на базе стандартных насосных агрегатов (область применения – автономное теплоснабжение негазифицированных и удаленных от тепловых сетей объектов), а также мобильных тепловых агрегатов, работающих от двигателя транспортного средства. В последнем случае такие установки, в частности, могут применяться для гидравлического разрыва пласта на нефтяных и газовых промыслах.

Кроме того, аппарат может использоваться в качестве нагревательного элемента, приводимого в действие потенциальной энергией магистрали холодной воды.

Применение в котлах

Еще одно перспективное направление – оснащение для экономии топлива такими вихревыми нагревателями традиционных котлоагрегатов.

В современных паровых котлах рабочее тело питательным насосом прокачивается через экономайзер в зону парообразования. Автор предлагает повысить температуру рабочего тела прямым воздействием штатного питательного насоса.

Согласно изобретению, в паровом котле рабочее тело также прокачивают питательным насосом через экономайзер, где оно нагревается теплом отходящих газов до температуры не ниже 336 оК. Затем его направляют в зону кавитационного и волнового воздействия, которую создает генератор гидравлических ударов. Структурирование питательной воды с высвобождением внутренней энергии приводит к ее скачкообразному закипанию. Схлопывание кавитационных каверн вызывает появление ультразвуковых колебаний, а те в свою очередь – вторичную кавитацию (лавинообразный процесс с положительной обратной связью). При этом дополнительное потребление энергии питательным насосом несопоставимо меньше количества тепла, полученного при высвобождении внутренней энергии рабочего тела.

Обработка мазутной смеси

Еще одно применение: кавитационно-волновая обработка паро-мазутной смеси перед подачей в горелку или камеру сгорания, позволяющая улучшить сжигание тяжелых фракций нефти и снизить эмиссию в окружающую среду вредных веществ. Схема работы аппарата в таком качестве приведена на рисунке вверху. В агрегате имеются системы топок, в которых на водомазутную смесь производится энергоемкое механическое воздействие, а также ультразвуковые форсунки для сжигания мазута.

В заключение следует отметить, что в настоящее время автором разработана конструкторская документация на опытные образцы двух различных типов аппаратов для волновой обработки жидкости (включая применение в качестве вихревого нагревателя). Подписан меморандум о сотрудничестве для реализации данных проектов с одной из московских венчурных инвестиционных структур. Изготовление опытных образцов намечено на первое полугодие 2007 года.

Сергей ГЕЛЛЕР
Энергетика и промышленность России