Проблеми проведення теплотехнічних випробувань вихрових теплогенераторів.

Епіграфом до цієї статті можна взяти віршовану строфу: «Кожен вважає себе стратегом бачачи бій зі сторони». Робота, яку роблять інші, здається простою. Проблеми несподівано виникають, коли починаєш щось робити сам. Дилетанти вважають, що виміряти теплопродуктивність теплових гідродинамічних насосів («вихрових теплогенераторів») дуже просто і дивуються, чому виробники досі цього не зробили. Проблему поглиблює те обставина, що розвелося маса «самоделкиних», які, винайшовши черговий «велосипед», «зляпати» його в гаражі і один раз запустивши, роблять на цій підставі невірні, але безапеляційні висновки. Такі «невизнані генії» відрізняються крайньою галасливістю, їх некомпетентність дискредитує саму ідею отримання тепла за допомогою теплових гідродинамічних насосів. Тому й виникла необхідність у роз'ясненні підходів до розробки методик теплотехнічних випробувань.

Перш, ніж вести будь-яку дискусію, необхідно узгодити термінологію, так як кожен з учасників дискусії може розуміти під одним і тим же терміном зовсім різні за змістом явища. В рамках тематики, що розглядається в даній статті, найбільш широко трактуються два терміни: ККД - коефіцієнт корисної дії і КПЕ - коефіцієнт перетворення енергії. Необхідно особливо підкреслити, що в залежності від області застосування в ці поняття вкладають різний зміст, і цю практику, що склалася ніхто не може ні скасувати, ні заборонити.

Термін ККД практично всі пам'ятають зі шкільного підручника фізики, де було сказано, що при роботі за прямим термодинамическому циклу Карно виходить максимально можливий ККД, причому він не може бути більше одиниці. Але більшість вже не пам'ятають, що для зворотного циклу С. Карно увів термін КПЕ, значення якого вже за визначенням вище одиниці.

З розвитком техніки з'явилася необхідність порівняння характеристик різних за конструкцією, але однакових за призначенням пристроїв. Тому терміни ККД і КПЕ отримали більш широке поширення (не тільки для пристроїв, що працюють по циклу Карно), їх зміст значно змінився в порівнянні з тим, який вкладав у ці визначення С. Карно. Наприклад, для ККД котельні використовується не менше 6 визначень:

1. ККД горіння - кількість енергії палива, що вивільняється при спалюванні (приблизно 93-95%) -

2. ККД котельні - кількість енергії палива, яке корисне використовується, тобто перетворюється в іншу енергонесущіх середу (на 10-15% нижче, ніж ККД горіння) ;

3. ККД топкової техніки - показує, як ефективно відбувається горіння і прийом тепла в котельні (ККД топкової техніки і ККД котельні приблизно однаковий) ;

4. ККД установки - визначається відношення між загальним обсягом корисної енергії та загальною кількістю енергії ККД установки. У загальну кількість енергії входить також «допоміжна енергія», наприклад: електрична енергія необхідна для роботи насосів котельні, вентиляції, димоходів і т.д. Таким чином, він буде нижче на 1-5%, ніж ККД котельні.

5. ККД системи - розширює межі системи до:

- виробництва тепла з потерямі;

- розподілу тепла з втратами в теплотрасах тощо.;

- використання тепла.

6. ККД річний - в принципі відповідає ККД котельні, але тоді розраховується середнє ККД котельні протягом усього року. У ККД в рік входять також періоди з поганим рівнем горіння, наприклад, при запуску котельні і т.д.

З розвитком технологій виникли парадоксальні ситуації, коли ККД gt; 1. Наприклад, відповідно до ГОСТ 21563-93, конденсаторні котли мають ККД = 108-109% [1].

У теплових гідродинамічних насосах («вихрових теплогенераторах») електрична енергія перетворюється в механічну енергію обертання, а потім - у теплову енергію нагріву рідкого теплоносія (води). Хоча в деяких публікаціях [2] і зустрічаються випадки використання терміна ККД стосовно «вихровим теплогенератора», нам це представляється принципово не правильним. Незважаючи на те, що з водою ми стикаємося щомиті, вона залишається маловивченою і таїть в собі масу загадок. Наприклад, вода може мати різну структуру і змінювати її під зовнішніми впливами, навіть під впливом людської мови, має «пам'ять» і т.д. Лід має близько сімдесяти агрегатних станів, а кількість станів води може досягати двох тисяч. Що відбувається з водою в активаторі теплового гідродинамічного насоса, як вона змінюється, до теперішнього часу точно не з'ясовано, немає підтвердженої практикою теоретичної моделі процесу нагрівання [3, 4]. На основі практичного досвіду можна стверджувати, що з активатора виходить не вода, а водо-газо-вакуумна суміш. Причому, так як система гідравлічно закрита, і «підсосу» повітря із зовнішнього середовища немає, газові та вакуумні бульбашки є продуктом впливу відцентрових сил на потік теплоносія. Накопичені фактичні дані дозволяє висунути гіпотезу про те, що теплові гідродинамічні насоси є «енергетично відкритими» пристроями, тобто вони витягують енергію ззовні. Проходячи по системі теплопостачання, вода повертається в початковий стан за рахунок впливу сил: гравітаційних, міжмолекулярної взаємодії або інших, поки ще не відомих нам.

На користь гіпотези про «енергетичної відкритості» свідчать наступні факти:

- Процес тепловиділення не закінчується в активаторі, а продовжується в трубопроводі системи теплопостачання. Під час експериментів було зафіксовано, що температура теплоносія підвищується в міру віддалення від вихідного патрубка активатора. Якщо процес «релаксації» води в системі повністю не завершувався то, починаючи з моменту входу не "релаксированной» суміші в активатор, відбувалося різке зниження градієнта нагріву.

- Після відключення електроенергії протягом ще деякого часу температура теплоносія підвищується [5]. Час і величина «донагрева» теплоносія залежить від кількох факторів: потужності пристрою, об'єму теплоносія в системі, температури теплоносія в момент виключення пристрою і т.д. Можна з упевненістю стверджувати, що цей «донагрев» пов'язаний не з інерційністю термометрів, а викликаний продовженням процесу тепловиділення.

У зв'язку з цим виникають великі технічні та методологічні складності у визначенні теплопроизводительности теплових гідродинамічних насосів.

Необхідно усвідомити, що існують два принципово відмінних один від одного підходу до випробувань теплових гідродинамічних насосів («вихрових теплогенераторів»):

- підтвердження працездатності конкретного вироби;

- розрахунок номінальної (паспортної) теплопродуктивності для конкретного типу конструкції.

Залежно від поставленого завдання методика вимірювань і склад устаткування випробувального стенду будуть різними. Якщо методика підтвердження працездатності досить проста і відпрацьована, то в даний час немає загальноприйнятої методики випробувань для розрахунку номінальної (паспортної) теплопроизводительности конкретного типу конструкції.

Найбільш просто працездатність теплового гідродинамічного насоса можна перевірити таким чином: при рекомендованому обсязі прокачування, зазначеному в таблиці 1, де під потужністю установки розуміється встановлена потужність електродвигуна, вимірюються температури на вхідному і вихідному патрубках активатора.

Залежно від температури теплоносія на вхідному патрубку, за один прохід через активатор теплоносій повинен нагріватися на 14 - 24оС. При цьому, чим нижче температура теплоносія на вході в активатор, тим менше градієнт нагріву. Якщо виміряний градієнт знаходиться в заданому діапазоні температур, то теплової гідродинамічний насос визнається придатним до експлуатації.

Великий вплив на процес тепловиділення надає система теплопостачання: гідросопротівленіе на вихідний магістралі, швидкість прокачування, обсяг теплоносія в системі, протяжність і розгалуженість трубопроводів і т.д. Тому неправильно спроектована схема системи теплопостачання і невірно підібрані режими можуть не тільки зменшити теплопродуктивність «вихрового теплогенератора», а й повністю зірвати процес тепловиділення.

Наприклад, при випробуваннях в жовтні 2007 р в Технологічному університеті міста Лаппеенранта (Фінляндія), при встановленій потужності електродвигуна в 7,5 кВт, він споживав 11,0 кВт-год електроенергії. Відповідно його розрахункова теплопродуктивність була низькою. В результаті аналізу ситуації з'ясувалося, що з метою зменшення обсягу прокачування і тим самим збільшення градієнта нагріву, засувка на вихідний магістралі була практично закрита. Після відкриття засувки електроспоживання зменшилось до 6,8 кВт-год без істотного зниження градієнта нагріву.

Занадто великий обсягу прокачування (в 3-5 разів більше рекомендованого) призводить до того, що процес тепловиділення «зривається», градієнт нагріву різко знижується.

Великий обсяг теплоносія в системі також знижує теплопродуктивність системи. На підприємстві в м Орлі після зменшення кількості радіаторів, а отже і об'єму води, температура у приміщеннях підвищилася. На практиці для ТС1-055 оптимальний об'єм води в системі 0,5 - 1,0 куб. м. При такому обсязі теплоносій може за годину зробити 3-6 проходів через активатор.

Виділяється з води в процесі роботи кисень знижує тепловиділення і підвищує робочий тиск в системі, тому його необхідно постійно «стравлювати» з системи і, крім цього, підживлення системи «свіжої» водою повинна бути мінімальною.

При виникненні проблем в системі теплопостачання методика виміру градієнта нагріву дозволяє швидко і з мінімальними витратами переконатися в працездатності установки.

На заводі-виробнику працездатність кожного серійного теплового гідродинамічного насоса типу «ТС1» (ТУ 3631-001-78515751-2007, Сертифікат відповідності № РОСС RU.АЯ46.В57997) визначається за такою методикою:

1. Через воронку В1 воду масою 400 кг заливають у бак, використовуючи мірну посудину і товарні ваги з похибкою + 0,1 кг.

2. Циркуляційним насосом в напірному водогоні встановлюють тиск рівне 0,3 МПа.

3. По досягненні температури води в центрі її маси 30 + 2оС, включають секундомір і вимірюють інтервал часу Т, необхідний для нагріву води в гідравлічній системі випробувального стенду до температури 80 + 2оС. З метою запобігання теплового розшарування води, за рахунок монтажу патрубка вхідній магістралі в нижній частині бака, а патрубка напірної магістралі у верхній частині, забезпечується перемішування води в баку.

4. При температурі води 80 + 2оС відключають електродвигун і циркуляційний насос. Гарячу воду з бака через дренажну трубку і воронку В2 зливають в каналізацію

На іншому серійному заводі при проведенні приймально-здавальних випробувань вода масою 1000 кг, нагрівається від фактичної температури заправки 10 - 17оС до 80 + 2оС, при цьому заміряється час нагрівання. У середньому, час нагрівання 1000 кг. води становить для: ТС1-055 - 80-90 хвилин-ТС1-075 - 55-60 хвилин, ТС1-090 - 45-55 хвилин.

Для підтвердження працездатності конкретного виробу таких випробувань цілком достатньо. Однак конструкція заводського стенду і наведена вище методика випробувань не дозволяють провести розрахунок теплопродуктивності, для цього потрібен спеціальний атестований випробувальний стенд і інша методика.

Ми неодноразово зверталися в НП «АВОК» з проханням розробити стандарт НП «АВОК» і пропозицією надати для цього наявні фактичні дані. На нашу думку в стандарті повинні бути відображені два принципових моменти: які параметри необхідно контролювати при сертифікаційних випробуваннях і як методично правильно визначити ефективність роботи теплової установки. На всі пропозиції послідував невмотивована відмова. Для залучення суспільної уваги до проблеми, у статтях [1, 5-8] та інших ми запропонували взяти участь у розробці методики усіх зацікавлених у цьому фахівців.

Інтерес до спільної роботи проявили ряд організацій, що займаються розробкою та монтажем «вихрових теплогенераторів»: МНТЦ Корисних навантажень космічних об'єктів (м Корольов), ТОВ НВФ «ТГМ» (м.Москва), «Нотек-С» (м Жуковський), ЗАТ «Екотерм» (м Митищі), ТОВ «Енерготепло» (м Сергієв Посад), ТОВ «СервісХолдінг» (м.Москва). В даний час ми залучили до робіт зі створення сертифікаційного стенду та розробці методики вчених низки московських вищих навчальних закладів. Готові ми до співпраці і з іншими фахівцями, які мають конструктивні пропозиції.

Методика випробувань для розрахунку номінальної (паспортної) теплопроизводительности конкретного типу конструкції повинна враховувати наступні принципові моменти:

1. При запуску теплового гідродинамічного насоса електродвигуну потрібна підвищена потужність на початкову розкрутку вала, що має великий момент інерції, і подолання в'язкостіне розігрітого теплоносія в активаторі. Після виходу теплової установки на робочий режим, споживана потужність падає на 6-10%. Тому вимірювання параметрів повинно проводитися на сталому режимі роботи.

2. Якщо для підтвердження працездатності температура подаваного в активатор теплоносія не істотна, то при випробуваннях, призначених для розрахунку номінальної (паспортної) теплопродуктивності, температура води повинна знаходитися в діапазоні 60 + 10 оС. Це обумовлено наступними причинами:

- це реальний діапазон експлуатаційних температур всереденіоб'єктових системи опалення;

- як показала практика, на нагрів води в різних діапазонах температур потрібна різна кількість енергії. Найбільш енерговитрат нагрів води до +20 оС, при температурі води +63 оС енерговитрати на нагрівання мінімальні.

Тому всі випробування, проведені в діапазоні відносно низьких температур нагрівання води, завідомо дадуть занижені результати теплопродуктивності.

3. Облік вироблюваної енергії повинен проводитися не до моменту відключення електроенергії, а до моменту досягнення теплоносієм максимальної температури.

4. При розрахунку теплопроизводительности необхідно враховувати тепловтрати стенду в процесі проведення випробувань. Для обліку цих тепловтрат професор, д.т.н. Нікітський В.П. запропонував свою оригінальну методику, яка найближчим часом буде опублікована.

5. Наявність в системі водо-газо-вакуумної суміші зі значно меншою щільністю, ніж у води призводить до того, що водяні витратоміри не в змозі виміряти реальний витрата теплоносія. Тому:

- витратоміри повинні встановлюватися безпосередньо перед вхідним патрубком активатора, а перед витратомірами повинен бути змонтований «заспокоювач», що забезпечує повну «релаксацію» теплоносія-

- необхідно встановлювати поруч один з одним кілька витратомірів, що використовують різні методи вимірювання і порівнювати їх показанія-

- показання витратомірів використовувати тільки як довідкову інформацію.

Залежно від поставленого завдання, при одних і тих же фактичних даних, отриманих в ході експерименту, можна шляхом нескладних маніпуляцій зробити діаметрально протилежні висновки. Тому противники «вихрових теплогенераторів» навмисне проводять випробування за умов значно гірших, ніж оптимальні, не враховують додаткові фактори, такі як «донагрев» і тепловтрати стенду, а коли все одно отримують хороший результат, то не визнають його [9,10] .

Наша фірма шість років займається розробкою, виробництвом і доведенням теплових установок на основі «вихрових теплогенераторів». Більше чотирьохсот установок «ТС1» експлуатуються в регіонах РФ, ближньому і далекому зарубіжжі: в Москві і Московській області, в Архангельську, Виборзі, Єкатеринбурзі, Калінінграді, Липецьку, Магнітогорську, Нижньому Новгороді, Омську, Оренбурзі, Орлі, Орську, Самарі, Санкт- Петербурзі, Тольятті, Тулі, Чебоксарах, Череповці і ін. містах, в Башкирії і Якутії, в Білорусії, Казахстані, Узбекистані, Україні, Південній Кореї та Японії. Загальний вигляд типового теплового пункту показаний на фото 2.

Практиків мало цікавлять академічні суперечки з приводу значень ККД і КПЕ. Їх більше цікавить, яку економію дасть перехід на теплопостачання з допомогою теплових гідродинамічних насосів. Порівняння витрат на теплопостачання, проведені нами на основі шестирічного досвіду експлуатації, показують, що при використанні теплових гідродинамічних насосів вони нижчі, ніж при використанні ТЕНових і електродних котлів в 3-5 разів, дизельних в 8-10 разів, централізованого опалення в 3-5 раз.

При укрупненому підборі потужності теплових установок, застосовуваних для опалення, СНіПами задається норматив - 1 кВт, що подається теплової енергії, на 10 кв. м. площі, що обігрівається. При підборі потужності теплового гідродинамічного насоса «ТС1» цей норматив - 1 кВт встановленої потужності електродвигуна насоса на 30 кв. м. площі, що обігрівається. При виході на номінальний режим роботи споживана електрична потужність електродвигуна знижується на 10-15%. Виходячи з укрупненого нормативу, теплові установки повинні обігрівати умовні типові (відповідні вимогам СНиП) житлові, побутові, культурно-розважальні приміщення, приміщення виробничо-господарського призначення тощо, обсягом: ТС1-055 - 5180 куб.м, ТС1-075 - 7060 куб.м, ТС1-090 - 8450 куб.м, ТС1-110 - 10200 куб.м. (У маркуванні вказується потужність електродвигуна).

У приміщеннях, що обігріваються може підтримуватися будь температурний режим. Наприклад, для житлових приміщень - 20 - 22 оС, виробничих - 15 - 18 оС, складських - 8 - 12 оС. Регулювання температурного режиму проводиться завданням температурного діапазону теплоносія. При нагріванні теплоносія до заданої максимальної температури, теплова установка відключається, при охолодженні теплоносія до мінімальної заданої температури - включається. Теплова установка виробляє рівно стільки теплової енергії, скільки складають тепловтрати обігрівається об'єкта. У зимовий час установка працює більше, в осінньо-весняний період - менше. У середньому за опалювальний сезон, теплова установка працює 25-30% часу. Тому при укрупнених розрахунках фінансових витрат на опалення нами застосовується коефіцієнт Краб. = 0,3.

Автоматика теплових установок дозволяє протягом хвилини призвести перенастроювання температурного режиму. Увечері черговий може знизити температуру в приміщеннях, а перед початком робочого дня знову поставити в приміщеннях комфортну температуру. Це додатково дозволяє знизити витрати на опалення.

При укрупненому підборі розрахунок ведеться по мінімально можливій температурі. Так як середня кліматична температура за опалювальний сезон вище, реально 1 кВт обігріває значно більший обсяг. Деякі фактичні дані наведено в табл. 2.

З економічної точки зору теплові гідродинамічні насоси типу «ТС» доцільно використовувати і на етапі будівництва. Щоб забезпечити будівельний майданчик теплом з самого початку будівництва, розроблені мобільні блочно-модульні теплові пункти (БМТП).

Загальний вигляд пілотного зразка БМТП-55, призначеного в даному конкретному випадку для повітряного обігріву бурових вишок, показаний на фото 2. У БМТП-55 змонтовані теплової гідродинамічний насос ТС1-055, зі встановленою електричною потужністю електродвигуна 55 кВт, що нагріває рідкий теплоносій, і повітряно -опалювальні агрегат на базі калорифера КСК, що знімає тепло. Об'єм теплоносія в системі 70 літрів. Зовнішнє повітря при проході через калорифер нагрівається до температури +70 оС і нагнітається в обігріваються приміщення.

Спочатку, відповідно до вимог ТЗ замовника, в БМТП-55 був змонтований повітряно-опалювальний агрегат АО2-10, з продуктивністю по теплу 116 кВт, тобто з теплос'ема в 2.1 рази більше, ніж встановлена електрична потужність ТС1-055. При випробуваннях рідкий теплоносій за 5 хвилин нагрівався до максимальної температури + 95 оС, після чого відбувалося автоматичне відключення ТС1-055. За наступні 5 хвилин, АО2-10 знімав вироблене тепло, знижуючи температуру рідкого теплоносія до +70 оС, ТС1-055 включався. Через 5 хвилин процес повторювався. Така частота включення - виключення потужного електродвигуна не допускається, тому було прийнято рішення про заміну АО2-10 на більш потужний агрегат АО2-20, з продуктивністю по теплу 220,4 кВт., Що в чотири рази більше встановленої потужності електродвигуна теплового гідродинамічного насоса. У процесі приймально-здавальних випробувань, при температурі навколишнього середовища - 2 оС, установка пропрацювала 17 хвилин з холодного стану до вимикання. При повторних пусках нагрів до максимальної температури відбувався за 13 хвилин, що свідчить про неповну зніманні теплової потужності. В даний час наша компанія проводить натурні випробування пілотного зразка мобільного БМТП-55 для обігріву нафтових бурових вишок. Роботи з удосконалення БМТП тривають, проте вже наявний досвід показує його високу ефективність.

Практика - критерій істини. А практика показує, що теплові гідродинамічні насоси мають хороші перспективи розвитку. Тому завдання, не вирішені сьогодні, обов'язково будуть вирішені завтра.