Автор:
Crocus
У цій статті описано як виготовити теплогенератор власними силами.
Докладно описано принцип дії статичного теплогенератора, результати його досліджень.Надано рекомендації щодо його розрахунку та вибору комплектуючих.
Зміст: (приховати)
Ідея созданияРоторный теплогенераторСтатический теплогенераторИзготовление теплогенератораВыбор насосаРазработка та виготовлення кавитатораИзготовление гідродинамічного контураИспытание теплогенератораЗаключение
Ідея створення
Як же бути, якщо не вистачає коштів на придбання теплогенератора? Як його зробити самому? Я розповім про власний досвід у цій справі.
Ідея зробити свій теплогенератор у нас з’явилася після знайомства з різними видами теплогенераторів. Їх конструкції здавалися досить простими, але не до кінця продуманою.
Відомі дві конструкції таких пристроїв: роторна і статична. У першому випадку для створення кавітації, як можна здогадатися з назви, служить ротор, у другому – основним елементом пристрою є сопло. Щоб зробити вибір на користь одного з варіантів виконання, порівняємо обидві конструкції.
Роторний теплогенератор
Що ж із себе представляє роторний теплогенератор? По суті – це дещо змінений відцентровий насос, тобто є корпус насоса (який в даному випадку є статором) з вхідним і вихідним патрубками, і робочою камерою, всередині якого знаходиться ротор, що виконує роль робочого колеса. Головна відмінність від звичайного насоса полягає саме в роторі. Існує безліч конструктивних виконань роторів вихрових теплогенераторів, і все описувати ми звичайно не будемо. Найпростіший з них представляє собою диск, на циліндричній поверхні якого просвердлено безліч глухих отворів певної глибини і діаметру. Ці отвори називають осередками Григгса, по імені американського винахідника, першими зазнав роторний теплогенератор такої конструкції. Кількість і розміри цих осередків визначається виходячи з розмірів диска ротора і частоти обертання електродвигуна, який приводить його в обертання. Статор (він же корпус теплогенератора), як правило, виконаний у вигляді порожнього циліндра, тобто труба, заглушена з обох сторін фланцями При цьому зазор між внутрішньою стінкою статора і ротором дуже малий і складає 1…1,5 мм.
Зовнішній вид теплогенераторів роторного типу
В зазорі між ротором і статором і відбувається нагрів води. Цьому сприяє її тертя об поверхні статора і ротора, при швидкому обертанні останнього. Ну і звичайно значну роль в нагріванні води грають кавітаційні процеси і завихрення води в осередках ротора. Швидкість обертання ротора, як правило, становить 3000 об/хв при його діаметрі 300 мм. Зі зменшенням діаметра ротора необхідно збільшувати частоту обертання.
Не важко здогадатися, що при всій простоті така конструкція вимагає досить високої точності виготовлення. І очевидно, що потрібно балансування ротора. До того ж доводиться вирішувати питання ущільнення вала ротора. Природно ущільнювальні елементи вимагають регулярної заміни.
З вище сказаного випливає, що ресурс подібних установок не так вже й великий. По мимо всього іншого, робота роторних теплогенераторів супроводжується підвищеним шумом. Хоча вони володіють більшою на 20-30% продуктивність у порівнянні з теплогенераторами статичного типу. Теплогенератори роторного типу здатні навіть виробляти пар. Але чи є це перевагою при нетривалому терміні експлуатації (у порівнянні зі статичними моделями)?
Статичний теплогенератор
Другий тип теплогенератора називається статичним умовно. Це обумовлено відсутністю обертових частин в конструкції кавітатора. Для створення кавітаційних процесів застосовуються різні види сопел. Найбільш часто використовується так зване сопло Лаваля
Щоб виникла кавітація необхідно забезпечити велику швидкість руху рідини в кавітаторів. Для цього використовується звичайний відцентровий насос. Насос нагнітає тиск рідини перед соплом, вона спрямовується в отвір сопла, яке має значно менший діаметр, ніж підвідний трубопровід, що забезпечує високу швидкість на виході із сопла. За рахунок різкого розширення рідини на виході з сопла і виникає кавітація. Так само цьому сприяє тертя рідини об поверхню каналу сопла і завихрення води, що виникають при різкому вириванні струменя з сопла. Тобто вода гріється з тих же причин, що і в роторному теплогенераторі, але з дещо меншою ефективністю.
Малюнок 5 – Зовнішній вигляд теплогенераторів статичного типу.
Конструкція статичного теплогенератора не вимагає високої точності виготовлення деталей. Механічна обробка при виготовленні цих деталей зводиться до мінімуму в порівнянні роторної конструкцією. Завдяки відсутності обертових частин легко вирішується питання ущільнення деталей, вузлів і деталей. Балансування також не потрібна. Термін служби кавітатора значно більше.(Гарантія на 5років) Навіть у разі вироблення соплом свого ресурсу виготовлення та його заміна потребує значно менші матеріальні витрати (роторний теплогенератор в такому разі доведеться по суті виготовляти заново).
Мабуть, найголовнішим недоліком статичного теплогенератора є вартість насоса. Однак собівартість виготовлення теплогенератора даної конструкції практично не відрізняється від роторного варіанту, а якщо згадати про ресурс обох установок, то цей недолік перетвориться у перевага, адже в разі заміни кавітатора насос міняти не потрібно.
Таким чином, ми зупинимо свій вибір на теплогенераторі статичної конструкції, тим більше що насос у нас вже є і витрачати гроші на його покупку, не доведеться.
Виготовлення теплогенератора
Вибір насоса
Почнемо з вибору насоса для теплогенератора. Для цього визначимося з його робочими параметрами. Цей насос циркуляційний або підвищує тиск, принципового значення не має. На фото малюнка 6 застосований циркуляційний насос з сухим ротором Grundfos. Значення мають робочий тиск, продуктивність насоса, максимально допустима температура перекачується рідини.
Не всі насоси можуть застосовуватися для перекачування рідини високої температури. І, якщо не надати значення цього параметру при виборі насоса, то термін його експлуатації виявиться значно менше, заявленого виробником.
Від величини напору розвиваючого насосом буде залежати ефективність роботи теплогенератора. Тобто чим більше тиск, тим більше перепад тиску забезпечується соплом. Як наслідок, тим ефективніше відбувається нагрів прокачується через кавітатор рідини. Однак не варто гнатися за максимальними цифрами в технічних характеристиках насосів. Вже при тиску в трубопроводі перед соплом дорівнює 4 атм буде помітний ріст температури води, хоча і не такий швидкий, як при тиску 12 атм.
Продуктивність насоса (обсяг перекачується ним рідини) на ефективність нагріву води фактично не впливає. Це пов’язано з тим, що для забезпечення перепаду тиску в соплі ми робимо його перетин значно менше умовного проходу трубопроводу контуру і патрубків насоса. Витрата рідини через кавітатор рідини не буде перевищувати 3…5 м3/год, оскільки всі насоси найбільший напір можуть забезпечити тільки при найменшій витраті.
Потужність робочого насоса теплогенератора буде визначати коефіцієнт перетворення електричної енергії в теплову. Детальніше про коефіцієнт перетворення енергії та його розрахунку нижче.
При виборі насоса для свого теплогенератора ми відштовхувалися від досвіду роботи з установками «Warmbotruff» (цей теплогенератор описаний у статті про екодома). Ми знали, що в установленому нами теплогенераторі був застосований насос WILO IL 40/170-5,5/2 (див. рис. 6). Це циркуляційний насос з сухим ротором типу Inline, потужністю 5,5 кВт, максимальним робочим тиском 16 атм, що забезпечує максимальний напір 41 м (тобто забезпечує перепад тиску 4 атм). Подібні насоси випускають і інші виробники. Наприклад, фірмою Grundfos випускається аналог такого насоса – це модель TP 40-470/2.
Малюнок 6 – Робочий насос теплогенератора «Warmbotruff 5,5 A»
І все ж, порівнявши робочі характеристики цього насосу з іншими моделями, що випускаються цим же виробником, ми зупинили свій вибір на відцентровому багатоступінчастому насосі високого тиску MVI 1608-06/PN 16. Цей насос забезпечує більш ніж у два рази більший напір, при тій же потужності двигуна, хоча і коштує майже на 300€ дорожче.
Зараз є прекрасна можливість заощадити, використовуючи китайський аналог. Адже китайські виробники насосів постійно підвищують якість підробок всесвітньо відомих брендів і розширюють асортимент. Вартість китайських «грундфосов» часто менше в кілька разів, при цьому якість далеко не завжди у стільки ж разів гірше, а часом мало чим поступається.
Розробка і виготовлення кавітатора
Будемо вважати, що з насосом ми визначилися. Переходимо до наступного важливого елементу теплогенератора – кавитатору.
Що ж собою являє кавітатор? Існує величезна кількість конструкцій статичних кавітаторів (в цьому ви можете переконатися з допомогою інтернету), але практично у всіх випадках вони виконані у вигляді сопла. Як правило, за основу береться сопло Лаваля і модифікується конструктором. Класичне сопло Лаваля показано на рис. 7.
Малюнок 7 – Сопло Лаваля
Перше на що варто звернути увагу – це перетин каналу між дифузором і конфузора.
Не варто занадто сильно заужалі його перетин, намагаючись забезпечити максимальний перепад тиску. Звичайно при виході води з отвори малого перетину і потрапляння її в камеру розширення, буде досягатися найбільша ступінь розрідження, а, отже, і більш активна кавітація. Тобто вода за один прохід через сопло буде нагріватися на велику температуру. Однак обсяг перекачується через сопло води буде занадто малий, і, змішуючись з холодною водою, вона буде передавати їй недостатня кількість теплоти. Таким чином, загальний об’єм води буде нагріватися повільно. Крім того мале перетин каналу буде сприяти загазуванню води надходить у вхідний патрубок робочого насоса. Внаслідок цього насос буде працювати більш шумно і можливе виникнення кавітації в самому насосі, а це вже небажані явища. Чому це відбувається, стане зрозуміло, коли ми будемо розглядати конструкцію гідродинамічного контуру теплогенератора.
Найкращі показники досягаються при діаметрі отвору каналу 8-15 мм. До того ж ефективність нагріву буде залежати ще і від конфігурації камери розширення сопла. Таким чином, ми переходимо до другого важливого моменту в конструюванні сопла – камері розширення.
Малюнок 8 – Варіанти виконання сопел.
Який же з профілів вибрати? Тим більше, що це далеко не всі можливі варіанти профілів сопла. Тому, щоб визначиться з конструкцією сопла, ми вирішили вдатися до математичного моделювання течії в них рідини. Я наведу деякі результати моделювання сопел зображених на рис. 8.
Малюнок 9 – Зміна швидкості потоку рухомої рідини через сопла.
Рисунок 10 – Зміна тиску при русі рідини через сопла.
Малюнок 11 – Розподіл турбулентних потоків в соплах
На малюнках видно, що зазначені конструкції сопел дозволяють проводити кавітаційний нагрівання рідин, що прокачується через них. На них видно, що при протіканні рідини утворюються зони високого і низького тиску, які і обумовлюють утворення каверн і подальшого її згортання.
Як видно з малюнка 8 профіль сопла може бути самим різним. Варіант а) – це по суті класичний профіль сопла Лаваля. Використовуючи такий профіль, ви можете варіювати кут розкриття камери розширення ?, тим самим змінюючи характеристики кавітатора. Зазвичай величина знаходиться в межах 12…30°. Як видно з епюри швидкостей рис. 9 таке сопло забезпечує найбільшу швидкість руху рідини. Однак перепад тиску сопло з таким профілем забезпечує найменший (див. рис. 10). Найбільша турбулентність буде спостерігатися вже на виході з сопла (див. рис.11).
Очевидно, що варіант б) буде більш ефективно створювати розрідження при витіканні рідини з каналу з’єднує камеру розширення з камерою стиску (див. рис. 9). Швидкість руху потоку рідини через дане сопло буде найменшою, про що свідчить епюра швидкостей зображена на рис. 10. Турбулентність, що виникає внаслідок проходження рідини через сопло другого варіанту, на мій погляд, найбільш оптимальна для нагріву води. Виникнення вихору в потоці починається вже на вході у проміжний канал, а на виході з сопла починається друга хвиля вихреобразования (див. рис.11). Однак у виготовленні таке сопло трохи складніше, оскільки доведеться виточувати півсферу.
Сопло профілю) – це спрощений попередній варіант. Слід очікувати, що два останніх варіанти будуть володіти близькими характеристиками. Але епюра зміни тиску, зображена на рис. 9 говорить про те, що перепад буде найбільшим з трьох варіантів. Швидкість руху потоку рідини буде вище, ніж у другому варіанті сопла і нижче, ніж у першому (див. рис. 10). Турбулентність, що виникає при русі води через це сопло, порівнянна з другим варіантом, але освіта вихору відбувається по-іншому (див. рис.11).
Я навів як приклад лише найбільш прості у виготовленні профілі сопел. Всі три варіанти можна використовувати при конструюванні теплогенератора і не можна сказати, що якийсь з варіантів правильний, а інші ні. Ви можете поекспериментувати з різними профілями сопел. Для цього необов’язково відразу їх виготовляти з металу і проводити реальний експеримент. Це не завжди виправдано. Спочатку можна провести аналіз придуманого вами сопла в якійсь із програм моделюють рух рідини. Для аналізу зображених вище сопел я використовував додаток COSMOSFloWorks. Спрощена версія цього додатка входить до складу системи автоматизованого проектування SolidWorks.
У експерименті зі створення своєї моделі теплогенератора ми застосували комбінацію з простих сопел (див. рис. 12).
Малюнок 12 – Фото сопла застосованого нами в своїх експериментах.
Існують на багато більш витончені конструкторські рішення, але я не бачу сенсу приводити їх всі. Якщо вас дійсно зацікавить ця тема, ви завжди зможете знайти інші конструкції кавітаторів в інтернеті.
Виготовлення гідродинамічного контуру
Після того як ми визначилися з конструкцією сопла переходимо до наступного етапу: виготовлення гідродинамічного контуру. Для цього попередньо слід накидати схему контуру. Ми зробили це дуже просто, накресливши схему на підлозі крейдою (див. рис. 13)
Рисунок 13 – Схема зібраного нами теплогенератора.
Тепер я опишу пристрій контуру. Він являє собою трубопровід, вхід якого з’єднаний з вихідним патрубком насоса, а вихід – з вхідним. В цей трубопровід вваривается сопло 9 , патрубки для підключення манометрів 8 (до і після сопла), гільзи для установки термометр 7,5 (ми не стали вваривать різьблення під гільзи, а просто вварили їх), штуцер під вентиль для скидання повітря 3 (ми застосували звичайний шаркран, згони під регулюючий вентиль і штуцера для підключення опалювального контуру.
На намальованої мною схеми вода рухається проти годинникової стрілки. Подача води в контур здійснюється через нижній патрубок (шаркран з червоним маховиком і зворотним клапаном), а видача води з нього, відповідно через верхній (шаркран з червоним маховиком). Регулювання перепаду тиску здійснюється вентилем, який знаходиться між вхідним і вихідним патрубками. На фото рис. 13 він тільки зображений на схемі і не лежить поруч зі своїм позначенням, т. до. ми його вже накрутили на згони, попередньо намотавши ущільнення (див. рис. 14).
Малюнок 14 – Заготовки для складання гідродинамічного контуру.
Для виготовлення контуру ми взяли трубу Ду 50, т. к. приєднувальні патрубки насоса мають такий же діаметр. При цьому вхідний і вихідний патрубок контуру, до яких підключається опалювальний контур, який ми виготовили з труби Ду 20. Те що у нас вийшло в результаті ви можете побачити на рис. 15.
Малюнок 15 – Зібраний гідродинамічний контур.
На фото показаний насос з двигуном 1 кВт. Згодом, ми замінили його на насос потужністю 5,5 кВт, описаний вище.
Вид, звичайно, вийшов не самий естетичний, але ми й не ставили перед собою таке завдання. Можливо, хтось із читачів запитає, навіщо такі розміри контуру, адже можна зробити його менше? Ми припускаємо за рахунок довжини труби перед соплом кілька розігнати воду. Якщо ви покопаетесь в інтернеті, то напевно знайдете зображення та схеми перших моделей теплогенераторів. Практично всі вони працювали без сопел. Ефект нагрівання рідини досягався за рахунок її розгону до досить великих швидкостей. Для цього застосовувалися циліндри невеликої висоти стангенциальным входом і коаксіальним виходом.
Ми не стали для прискорення води застосовувати такий метод, а вирішили зробити свою конструкцію якомога простішою. Хоча у нас є думки про те, як прискорити рідина при такій конструкції контуру, але про це пізніше.
На фото ще не вкрученманометр перед соплом і перехідник з гільзою для термометра, який монтується перед водоміром(на той момент він ще не був готовий). Залишилося встановити відсутні елементи і приступати до наступного етапу.
Запуск теплогенератора
Про те, як підключати електродвигун насоса і радіатор опалення, думаю, немає сенсу розповідати. Хоча до питання підключення електродвигуна ми підійшли не зовсім стандартно. Оскільки у домашніх умовах зазвичай використовується однофазна мережа, а промислові насоси випускаються з трифазним двигуном, ми вирішили застосувати частотний перетворювач,розрахований на однофазну мережу. Це дозволило, до того ж, підняти швидкість обертання насоса вище 3000 об./хв. і надалі знайти резонансну частоту обертання насоса.
Для параметрування перетворювача частоти нам потрібно ноутбук з COM портом для параметрування і управління частотним перетворювачем. Сам перетворювач встановлюється в шафі керування, де передбачений обігрів в зимових умовах експлуатації і вентиляція для літніх умов експлуатації. Для вентиляції шафи ми скористалися стандартним вентилятором, а для обігріву шафи використовується нагрівач потужністю 20 Вт.
Частотний перетворювач дозволяє регулювати частоту насоса в широких межах як нижче основної, так і вище основної. Піднімати частоту двигуна можна не вище 150%.
У нашому випадку можна піднімати швидкість обертання двигуна до 4500 об/хв.
Можна короткочасно піднімати частоту і вище до 200%, але це веде до механічного перевантаження двигуна і підвищує ймовірність його виходу з ладу. Крім того, за допомогою частотного перетворювача здійснюється захист двигуна від перевантаження і короткого замикання. Також частотний перетворювач дозволяє проводити запуск двигуна з заданим часом розгону, що обмежує прискорення лопатей насоса при запуску і обмежує пускові струми двигуна. Змонтований частотний перетворювач в настінному шафі (див. рис. 16).
Малюнок 16 – Шафа управління Частотним перетворювачем.
Всі органи управління та елементи індикації виведені на лицьову панель шафи управління. На лицьову панель (на прилад МТМ-РЕ-160) виведені параметри роботи системи.
Прилад має можливість запису протягом доби показань 6 різних каналів аналогових сигналів. В даному випадку, ми записуємо показники температури на вході системи, показники температури на виході системи і параметри тиску на вході і виході системи.
Завдання на величину числа оборотів основного насоса ведеться з допомогою приладів МТМ-103 зелена і жовті кнопки використовуються для запуску і зупинки двигунів робочого насоса теплогенератора і циркуляційного насоса. Циркуляційний насос ми плануємо використовувати для зниження споживання електроенергії. Адже, коли вода нагріється до встановленої температури, циркуляція все одно необхідна.
Малюнок 17– Лицьова панель управління теплогенератором.
При використанні перетворювача частоти Micromaster 440 , для параметрування перетворювача можна використовувати спеціальну програму Starter , встановивши її на ноутбук (див рис. 18).
Рисунок 18 – Ноутбук із встановленою програмою управління частотним перетворювачем.
Спочатку в програму заносяться вихідні дані двигуна, написані на шильдику( табличці з заводськими настройками двигуна, прикріпленою до статора двигуна) До таких даних відносяться
- Номінальна Потужність Р,кВт,
- Номінальний струм I ном.,
- Косинус,
- Тип двигуна
- Номінальна частота обертання N ном.
Після цього запускається автовизначення двигуна і частотний перетворювач сам визначає необхідні параметри двигуна. Після цього насос готовий до роботи.
Випробування теплогенератора
Після того як установка підключена можна приступати до випробувань. Запускаємо електродвигун насоса і, спостерігаючи показання манометрів, встановлюємо необхідний перепад тиску. Для цього в контурі передбачений вентиль, що знаходиться між вхідним і вихідним патрубками. Повертаючи рукоятку вентиля, встановлюємо тиск в трубопроводі після сопла в діапазоні 1,2…1,5 атм. В ділянці контуру між входом сопла і виходом насоса оптимальним тиском буде діапазон 8…12 атм.
Насос зміг нам забезпечити тиск на вході в сопло 9,3 атм. Встановивши тиск на виході з сопла 1,2 атм, пустили воду по колу (закрили вихідний вентиль) і засікли час. При русі води по контуру ми зафіксували зростання температури приблизно 4°С в хвилину. Таким чином через 10 хвилин ми вже нагріли воду з 21°С до 60°С. Обсяг контуру з встановленим насосом склав майже 15 л Споживану електроенергію вирахували, вимірявши струм. Виходячи з цих даних ми можемо обчислити коефіцієнт перетворення енергії.
КПЕ = (С*m*(Тк-Тн))/(3600000*(Q-Qн));
Де,
- З – питома теплоємність води 4200 Дж/(кг*К);
- m – маса води, що нагрівається, кг;
- Тн – температура води початкова, 294° К;
- Тк – кінцева температура води, 333° К;
- Qн – показання електролічильника початкові, 0 кВт*год;
- Qк – показання електролічильника кінцеві, 0,5 кВт*год.
Підставимо дані у формулу і отримаємо:
КПЕ = (4200*15*(333-294))/(3600000*(0,5-0)) = 1,365
Це означає, що споживаючи 5 кВт*год електроенергії наш теплогенератор виробляє в 1,365 разів більше теплової, а саме 6,825 кВт*год. Таким чином ми можемо сміливо стверджувати про спроможності даної ідеї. У цій формулі не враховується ККД двигуна, а отже, реальний коефіцієнт трансформації буде ще вище.
При розрахунку необхідної для обігріву нашого будинку теплової потужності виходимо з загальноприйнятою спрощеної формули. Згідно цій формулі при стандартній висоті стелі (до 3 м), для нашого регіону необхідно 1 кВт теплової потужності на кожні 10 м2.Таким чином, для нашого будинку площею 10х10=100 м2 потрібно 10 кВт теплової потужності. Тобто одного теплогенератора потужністю 5,5 кВт для обігріву цього будинку не вистачає, але це тільки на перший погляд. Якщо ви ще не забули, то для обігріву приміщення ми збираємося використовувати систему «тепла підлога», яка дає економію до 30% енергії, що витрачається. З цього випливає, що виробляються теплогенератором 6,8 кВт теплової енергії якраз має вистачити для обігріву будинку. До того ж подальше підключення теплового насоса і колектора дозволить нам ще зменшити витрати енергії.
Висновок
У висновку хотілося б запропонувати для обговорення одну спірну ідею.
Я вже згадував про те, що в перших теплогенераторах вода розганялася за рахунок надання їй обертального руху в спеціальних циліндрах. Ви знаєте, що ми таким шляхом не пішли. І все ж для підвищення ККД необхідно щоб вода крім поступального руху набувала ще і обертальний рух. При цьому швидкість руху води помітно зростає. Подібний прийом використовують на змаганнях з швидкісного випивання пляшки пива. Перед тим, як її випити, пиво в пляшці добре розкручують. Та рідина виливається через вузьке горлечко набагато швидше. І у нас з’явилася ідея, як можна спробувати це зробити, практично не змінюючи вже існуючу конструкцію гідродинамічного контуру.
Для додання воді обертального руху будемо використовувати статор асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором воду, пропускаємо через статор необхідно попередньо омагнитить. Для цього можна використовувати соленоїд або постійний кільцевий магніт. Про те, що вийшло з цієї затії, повідомлю пізніше, тому що зараз, на жаль, немає можливості займатися експериментами.
У нас так само є ідеї, як вдосконалити наш сопло, але про це теж після експериментів та патентування в разі вдалого їх результату.
