Наша фірма співпрацює з корпорацією ЗАТ «ЕнергоТехМонтаж-Холдинг», яка спеціалізується на будівництві та облаштуванні котелень, ТЕЦ та інших об'єктів енергетики з 1957 року (!). Незважаючи на перебудову і лихоліття дев'яностих керівництво корпорації в особі Генерального директора Медведєва Геннадія Степановича зуміло зберегти ... →
Запрошуємо до співпраці професійних монтажників, які мають досвід монтажу індивідуальних теплових пунктів, внутрішніх систем опалення. →
Чи може ККД «вихрового теплогенератора» бути більше одиниці?
«Ми всі вчилися потроху
Чого-небудь і як-небудь ... »
А.С. Пушкін. "Євгеній Онєгін".
У 1824 році французький інженер С. Карно розглянув круговий процес, що складається з двох ізотерм і двох адіабати. Цей круговий процес, який зіграв важливу роль у розвитку вчення про теплових процесах, називається циклом Карно (рис. 1).
Малюнок 1. Цикл Карно.
Цикл Карно робить газ, що знаходиться в циліндрі під поршнем. Карно висловив коефіцієнт корисної дії циклу через температури нагрівача T1 і холодильника T2:
Цикл Карно виключає теплообмін при кінцевій різниці температур робочого тіла і навколишнього середовища (термостатів), коли тепло може передаватися без здійснення роботи. Тому цикл Карно - найбільш ефективний круговий процес з усіх можливих при заданих температурах нагрівача і холодильника:
Це та частина інформації, яку можливо ще пам'ятає про ККД більшість людей. Практично ніхто не пам'ятає продовження. Будь-яка ділянка циклу Карно і весь цикл в цілому може бути пройдений в обох напрямках. Обхід циклу за годинниковою стрілкою відповідає тепловому двигуну, коли отримане робочим тілом тепло частково перетворюється в корисну роботу. Обхід проти годинникової стрілки відповідає холодильній машині, коли певна кількість теплоти відбирається від холодного резервуара і передається гарячому резервуару за рахунок здійснення зовнішньої роботи. Тому ідеальний пристрій, що працює за циклом Карно, називають оборотною тепловою машиною.
Пристрій, що працює по холодильному циклу, може мати двояке призначення. Якщо корисним ефектом є відбір деякої кількості тепла | Q2 | від охолоджуваних тел (наприклад, від продуктів в камері холодильника), то такий пристрій є звичайним холодильником. Якщо корисним ефектом є передача певної кількості тепла | Q1 | нагрівається тіл (наприклад, повітрю в приміщенні), то такий пристрій називається тепловим насосом. Коефіцієнт перетворення енергії (КПЕ) теплового насоса βТ може бути визначений як відношення
т. е. кількістю теплоти, що передається більш теплим тіл на 1 джоуль витраченої роботи. З першого закону термодинаміки випливає:
отже, βТ завжди більше одиниці. Для зверненого циклу Карно
Такий процес більш вигідний, ніж безпосереднє перетворення електричної, механічної або хімічної енергії в теплоту.
Ситуація, при якій КПЕ більше одиниці, виникає, якщо його визначати відношенням Wпол / Wзатр, де Wпол - енергія, що отримується на «виході» системи, Wзатр - не вся енергія, яка надходить в систему, а лише та її частина, для отримання якої виробляються реальні витрати. Витрата електроенергії в теплових насосах менше кількості виділеної теплоти. Надлишок енергії черпається з навколишнього середовища. При цьому, хоча істинний ККД установки менше одиниці, розглянутий КПЕh = Wпол / Wзатр може виявитися більше одиниці.
Схема теплового насоса показана на рис. 2.
Рис.2. Схема теплового насоса.
1 - контур подачі низькотемпературного тепла;
2 - випарник;
3 - компресор;
4 - конденсатор;
5 - контур подачі високотемпературного тепла;
6 - дросельний клапан.
У реальному тепловому насосі джерелом тепла може бути скеляста порода, земля, вода або, наприклад, повітря. Охолоджений теплоносій, проходячи по трубопроводу 1, укладеному в землю (озеро) нагрівається на кілька градусів. Всередині теплового насосу теплоносій, проходячи через теплообмінник, званий випарником 2, віддає зібране з навколишнього середовища тепло у внутрішній контур теплового насоса.
Внутрішній контур теплового насоса заповнений хладогеном. Хладоген підбирається такий, щоб міг закипати навіть при мінусовій температурі. Тому, навіть коли зовсім холодну воду проганяють насосом через канали випарника 2, рідкий хладоген все одно випаровується. Далі пар втягується в компресор 3, де стискається. При цьому його температура сильно збільшується (до 90-100 ° С). Потім гарячий і стислий хладоген направляється в теплообмінник конденсатора 4, що охолоджується водою або повітрям. На холодних поверхнях пара конденсується, перетворюючись на рідину, а його тепло передається охолоджуючої середовищі. Воду використовують в системі опалення або гарячого водопостачання, а хладоген, тепер знову рідкий, прямує на дросселирующий вентиль, проходячи через який він втрачає тиск і температуру, а потім знову повертається у випарник. Цикл завершився, і буде автоматично повторюватися, поки працює компресор.
Умови розвитку енергетики, які полягають у спільній виробленні теплоти і електроенергії, обмежують використання теплових насосів, які застосовуються тільки в тих випадках, коли інші види теплопостачання утруднені (наприклад, при віддаленості об'єкта від ТЕЦ). Іноді теплові насоси застосовуються для опалення в районах з жарким кліматом, так як в літній період ця ж установка охолоджує подається в будівлю повітря. Теплові насоси набули широкого поширення під час Другої світової війни 1939-45 р.р. в зв'язку з паливними труднощами, особливо в країнах, де є в надлишку дешева електрична енергія гідростанцій (наприклад, в Швейцарії, Швеції, Норвегії та ін.).
При проектуванні водогрійних котлів трактування ККД відрізняється від чисто теоретичної. У пункті 14 ГОСТ 21563-93 «котли ВОДОГРІЙНІ Основні параметри і технічні вимоги» вказується, що при розрахунку ККД використовується так звана «нижча теплота згоряння палива».
У теплофізики розрізняють вищу і нижчу теплоту згоряння. Вища теплота згоряння відповідає умові доведення всіх водяної пари, що містяться в продуктах згоряння палива до рідкого стану (їх повної конденсації). Тобто це поняття враховує, крім енергії, що виділяється при згорянні палива і охолодження продуктів згоряння, також енергію конденсації водяної пари. Нижча теплота згоряння не враховує теплоту (енергію) виділяється при конденсації. Таким чином, вища теплота згоряння за абсолютним значенням більше ніж нижча. Але в практичних теплових розрахунках при визначенні ККД теплового агрегату прийнято користуватися саме нижчою теплотою згоряння, так як при спалюванні палива в котлах традиційної конструкції ніколи не відбувається конденсації водяної пари з продуктів згорання.
Такий підхід не випадковий. Адже утворюється водний конденсат, за рахунок розчинення в ньому СО2, викликає корозію сталі і чавуну. Тому конструктори котлів далекого, так і недалекого минулого виключали саму можливість конденсації водяної пари в газоходах і, природно, не враховували теплоту конденсації в своїх розрахунках.
Ситуація змінилася, коли з'явилася можливість використання при конструюванні котлів корозійно-стійких легких сплавів і нержавіючих сталей. На ринку теплотехніки з'явилися нові котли, конструкція яких передбачає отримання додаткового тепла від йдуть продуктів згоряння, за рахунок конденсації водяної пари, що утворюються при спалюванні палива. Таким чином, можна отримати додаткову кількість тепла - до 10,7% при спалюванні газу і до 5,95% при спалюванні солярки. Наслідком цього і є значення ККД, що перевищують 100%. Котли, що діють за вказаним принципом, отримали назву «конденсатних» або «конденсаторних».
Тепер розглянемо, як розраховується КПЕ у насоса-теплогенератора. Насос -теплогенератор ( «вихровий теплогенератор») - пристрій, що використовує вихровий рух для нагріву рідкого теплоносія, засноване на новому принципі. Якщо раніше теплоносій нагрівали за допомогою електричних ТЕНів або електродів, то в насосах-теплогенераторах нагрів відбувається за рахунок закручування рідкого теплоносія в вихровий потік на зразок смерчу.
Цікавий погляд на цей процес наведено на нашому сайті в розділі «Теорія»
Впливати на рідкий теплоносій можна за допомогою різних пристроїв: насоса типу «равлик» і «вихровий труби», дисків, турбін і т.д. Енергія електродвигуна перетворюється в механічну енергію завихрення рідкого теплоносія, механічна енергія перетворюється на теплову. При цьому запускаються мало вивчені в даний час механізми виділення енергії, які призводять до того, що енергії виділяється більше, ніж витрачається. Ніхто не стверджує, що насоси-теплогенератори відкидають закон збереження енергії або закони термодинаміки, просто зараз не можна однозначно пояснити, за рахунок чого виділяється додаткова енергія. Існують кілька гіпотез, що пояснюють процеси виділення тепла, проте жодна з них не може повністю описати ці процеси, дати методи розрахунку і оптимізації конструкції теплових установок. Наукові дослідження зводяться лише до фіксації результатів роботи створених теплових установок і інтерпретації цих результатів. Ясно лише одне, що теплова установка працює не за циклом Карно.
На заводах-виробниках кожен насос-теплогенератор перед відвантаженням споживачу проходить приймально-здавальні випробування. Схема випробувального стенду показана на рис. 3, а його загальний вигляд на фото 1.
Рис.3. Схема випробувального стенду.
Фото 1. Загальний вигляд випробувального стенду.
За час проведення експерименту (30 хв) було вироблено 1386 ккал (1,62 кВт-год), спожито електроенергії 1,485 кВт-годину, тобто КПЕ = 1,091. В даному експерименті необхідно звернути увагу на той факт, що після 15 хвилини установка була вимкнена, температура при цьому була 84 ° С, а на 30 хвилині при непрацюючій установці температура досягла 92 ° С. Це свідчить про те, що процес виділення тепла відбувається не тільки в самому теплогенераторі, а триває в системі теплопостачання. Побічно це підтверджується тим, що коли деякі споживачі застосували на вихідний магістралі пластикові труби, то на перших 10 метрах вони руйнувалися.
У зв'язку з тим, що в даний час немає загальноприйнятої методики визначення КПЕ «вихрових теплогенераторів», у розробників і споживачів обладнання можуть виникнути проблеми при порівнянні теплопродуктивності різних конструкцій або при підтвердженні заявленої КПЕ в процесі експлуатації. Необхідність розробки єдиної методики визначення КПЕ стає все більш актуальною. Така робота вже розпочата нами спільно з іншими організаціями та винахідниками. За основу взята вище наведена випробувальна методика. У вирішенні цього завдання ми готові співпрацювати з усіма зацікавленими особами та організаціями.
Практично підтверджена висока ефективність насосів-теплогенераторів дозволяє при укрупненому підборі потужності застосовувати норматив 1 кВт встановленої потужності електродвигуна на 30 м2 площі (на обсяг 90 м3), в той час як для інших видів теплових установок застосовується норматив 1 кВт теплової енергії на 10 м2 площі.
Більше трьохсот насосів-теплогенераторів типу «НТГ» експлуатуються в регіонах РФ, ближньому і далекому зарубіжжі: в Москві та Московській області, Архангельську, Володимирі, Єкатеринбурзі, Калінінграді, Липецьку, Магнітогорську, Нижньому Новгороді, Омську, Оренбурзі, Орлі, Самарі, Тулі, Чебоксарах і інших містах, в Башкирії і Якутії, в Білорусії, Казахстані, Узбекистані, Україні, Південній Кореї і Японії.
Більш детальна інформація про насосах-теплогенераторах ( «вихрових теплогенераторах»), в тому числі фотографії деяких об'єктів, і теплових вузлів на яких вони встановлені, розміщена на сайті www.ecoteplo.ru.
Фактами, викладеними в статті можна вірити, можна не вірити, це особиста справа кожного, але скасувати їх не можна. А сучасним інквізиторам, пригрівшись в «комісіях з лженауки» ми заявляємо: «А все-таки вона крутиться!».