Кавитационный теплогенератор: устройство, виды, применение

Для отопления помещений или нагрева жидкостей зачастую применяются классические приспособления – тэны, камеры сгорания, нити накаливания и т.д. Но наряду с ними применяются устройства с принципиально иным типом воздействия на теплоноситель. К таким устройствам относится кавитационный теплогенератор, работа которого заключается в формировании пузырьков газа, за счет которых и возникает выделение тепла.

Устройство и принцип работы

Принцип действия кавитационного теплогенератора заключается в эффекте нагрева за счет преобразования механической энергии в тепловую. Теперь более детально рассмотрим само кавитационное явление. При создании избыточного давления в жидкости возникают завихрения, из-за того, что давление жидкости больше чем у содержащегося в ней газа, молекулы газа выделяются в отдельные включения – схлопывание пузырьков. За счет разности давления вода стремиться сжать газовый пузырь, что аккумулирует на его поверхности большое количество энергии, а температура внутри достигает порядка 1000 — 1200ºС.

При переходе кавитационных полостей в зону нормального давления пузырьки разрушаются, и энергия от их разрушения выделяется в окружающее пространство. За счет чего происходит выделение тепловой энергии, а жидкость нагревается от вихревого потока. На этом принципе основана работа тепловых генераторов, далее рассмотрите принцип работы простейшего варианта кавитационного обогревателя.

Простейшая модель

Посмотрите на рисунок 1, здесь представлено устройство простейшего кавитационного теплогенератора, который заключается в нагнетании насосом воды к месту сужения трубопровода. При достижении водяным потоком сопла давление жидкости значительно возрастает и начинается образование кавитационных пузырьков. При выходе из сопла пузырьки выделяют тепловую мощность, а давление после прохождения сопла значительно снижается. На практике может устанавливаться несколько сопел или трубок для повышения эффективности.

Идеальный теплогенератор Потапова

Идеальным вариантом установки считается теплогенератор Потапова, который имеет вращающийся диск (1) установленный напротив стационарного (6). Подача холодной воды осуществляется с трубы расположенной внизу (4) кавитационной камеры (3), а отвод уже нагретой с верхней точки (5) той же камеры. Пример такого устройства приведен на рисунке 2 ниже:

Рис. 2: кавитационный теплогенератор Потапова

Но широкого распространения устройство не получило из-за отсутствия практического обоснования его работы.

Основная задача кавитационного теплогенератора – образование газовых включений, а от их количества и интенсивности будет зависеть качество нагрева. В современной промышленности существует несколько видов таких теплогенераторов, отличающихся принципом выработки пузырьков в жидкости. Наиболее распространенными являются три вида:

• Роторные теплогенераторы – рабочий элемент вращается за счет электропривода и вырабатывает завихрения жидкости;
• Трубчатые – изменяют давление за счет системы труб, по которым движется вода;
• Ультразвуковые – неоднородность жидкости в таких теплогенераторах создается за счет звуковых колебаний низкой частоты.

Помимо вышеперечисленных видов существует лазерная кавитация, но промышленной реализации этот метод еще не нашел. Теперь рассмотрим каждый из видов более детально.

Роторный теплогенератор

Состоит из электрического двигателя, вал которого соединен с роторным механизмом, предназначенным для создания завихрений в жидкости. Особенностью роторной конструкции является герметичный статор, в котором и происходит нагревание. Сам статор имеет цилиндрическую полость внутри – вихревую камеру, в которой происходит вращение ротора. Ротор кавитационного теплогенератора представляет собой цилиндр с набором углублений на поверхности, при вращении цилиндра внутри статора эти углубления создают неоднородность в воде и обуславливают протекание кавитационных процессов.

Рис. 3: конструкция генератора роторного типа

Количество углублений и их геометрические параметры определяются в зависимости от модели вихревого теплогенератора. Для оптимальных параметров нагрева расстояние между ротором и статором составляет порядка 1,5мм. Данная конструкция является не единственной в своем роде, за долгую историю модернизаций и улучшений рабочий элемент роторного типа претерпел массу преобразований.

Одной первых эффективных моделей кавитационных преобразователей был генератор Григгса, в котором использовался дисковый ротор с несквозными отверстиями на поверхности. Один из современных аналогов дисковых кавитационных теплогенераторов приведен на рисунке 4 ниже:

Рис. 4: дисковый теплогенератор

Несмотря на простоту конструкции, агрегаты роторного типа достаточно сложные в применении, так как требуют точной калибровки, надежных уплотнений и соблюдения геометрических параметров в процессе работы, что обуславливает трудности их эксплуатации. Такие кавитационные теплогенераторы характеризуются достаточно низким сроком службы – 2 — 4 года из-за кавитационной эрозии корпуса и деталей. Помимо этого они создают достаточно большую шумовую нагрузку при работе вращающегося элемента. К преимуществам такой модели относится высокая продуктивность – на 25% выше, чем у классических нагревателей.

Трубчатые

Статический теплогенератор не имеет вращающихся элементов. Нагревательный процесс в них происходит за счет движения воды по трубам, сужающимся по длине или за счет установки сопел Лаваля. Подача воды на рабочий орган осуществляется гидродинамическим насосом, который создает механическое усилие жидкости в сужающемся пространстве, а при ее переходе в более широкую полость возникают кавитационные завихрения.

В отличии от предыдущей модели трубчатое отопительное оборудование не производит большого шума и не изнашивается так быстро. При установке и эксплуатации не нужно заботиться о точной балансировке, а при разрушении нагревательных элементов их замена и ремонт обойдутся куда дешевле, чем у роторных моделей. К недостаткам трубчатых теплогенераторов относят значительно меньшую производительность и громоздкие габариты.

Ультразвуковые

Данный тип устройства имеет камеру-резонатор, настроенную на определенную частоту звуковых колебаний. На ее входе устанавливается кварцевая пластина, которая производит колебания при подаче электрических сигналов. Вибрация пластины создает волновой эффект внутри жидкости, который достигая стенок камеры-резонатора и отражается. При возвратном движении волны встречаются с прямыми колебаниями и создают гидродинамическую кавитацию.

Рис. 5: принцип работы ультразвукового теплогенератора

Далее пузырьки уносятся водным потоком по узким входным патрубкам тепловой установки. При переходе в широкую область пузырьки разрушаются, выделяя тепловую энергию. Ультразвуковые кавитационные генераторы также обладают хорошими эксплуатационными показателями, так как не имеют вращающихся элементов.

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.

Плюсы и минусы

В сравнении с другими теплогенераторами, кавитационные агрегаты отличаются рядом преимуществ и недостатков.

К плюсам таких устройств следует отнести:

• Куда более эффективный механизм получения тепловой энергии;
• Расходует значительно меньше ресурсов, чем топливные генераторы;
• Может применяться для обогрева как маломощных, так и крупных потребителей;
• Полностью экологичен – не выделяет в окружающую среду вредных веществ во время работы.

К недостаткам кавитационных теплогенераторов следует отнести:

• Сравнительно большие габариты – электрические и топливные модели имеют куда меньшие размеры, что немаловажно при установке в уже эксплуатируемом помещении;
• Большая шумность за счет работы водяного насоса и самого кавитационного элемента, что затрудняет его установку в бытовых помещениях;
• Неэффективное соотношение мощности и производительности для помещений с малой квадратурой (до 60м 2 выгоднее использовать установку на газу, жидком топливе или эквивалентной электрической мощности с нагревательным тэном).\

КТГ своими руками

Наиболее простым вариантом для реализации в домашних условиях является кавитационный генератор трубчатого типа с одним или несколькими соплами для нагревания воды. Поэтому разберем пример изготовления именно такого устройства, для этого вам понадобится:

• Насос – для нагревания обязательно выбирайте тепловой насос, который не боится постоянного воздействия высоких температур. Он должен обеспечивать рабочее давление на выходе в 4 – 12атм.
• 2 манометра и гильзы для их установки – размещаются с двух сторон от сопла для измерения давления на входе и выходе из кавитационного элемента.
• Термометр для измерения величины нагрева теплоносителя в системе.
• Клапан для удаления лишнего воздуха из кавитационного теплогенератора. Устанавливается в самой верхней точке системы.
• Сопло – должно иметь диаметр проходного отверстия от 9 до 16мм, делать меньше не рекомендуется, так как кавитация может возникнуть уже в насосе, что значительно снизит срок его эксплуатации. По форме сопло может быть цилиндрическим, коническим или овальным, с практической точки зрения вам подойдет любое.
• Трубы и соединительные элементы (радиаторы отопления при их отсутствии ) – выбираются в соответствии с поставленной задачей, но наиболее простым вариантом являются пластиковые трубы под пайку.
• Автоматика включения/отключения кавитационного теплогенератора – как правило, подвязывается под температурный режим, устанавливается на отключение примерно при 80ºС и на включение при снижении менее 60ºС. Но режим работы кавитационного теплогенератора вы можете выбрать самостоятельно.

Рис. 6: схема кавитационного теплогенератора

Перед соединением всех элементов желательно нарисовать схему их расположения на бумаге, стенах или на полу. Места расположения необходимо размещать вдали от легковоспламеняемых элементов или последние нужно убрать на безопасное расстояние от системы отопления.

Соберите все элементы, как вы изобразили на схеме, и проверьте герметичность без включения генератора. Затем опробуйте в рабочем режиме кавитационного теплогенератора, нормальным нарастанием температуры жидкости считается 3- 5ºС за одну минуту.

Видео в помощь

Теплогенераторы для частных домов и квартир

Теплогенераторы для водяного отопления
Для обогрева частного дома или квартиры обычно используют один теплогенератор. А для систем центрального отопления требуется не менее двух котлов. Такой прибор должен обладать главным качеством — надежностью.

Квартирные теплогенераторы снабжены дымовой трубой (высотой 5-7 м), через которую происходит вывод газов. Тяга в трубе невелика, и, чтобы избежать выхода дыма из топки, газовое сопротивление должно быть минимальным.

Теплогенераторы должны быть надежными и обладать наименьшим гидравлическим сопротивлением.

С целью увеличения циркуляционного давления теплогенератор располагают как можно ниже.

При обычном размещении прибор ставят на полу, создавая тем самым минимальную высоту. Топливо засыпают в топку через 3-5 ч, а прочищают ее несколько (1-2) раз в сутки.

Большой популярностью пользуются теплогенераторы, сделанные из чугуна или стали. Они используются в комплекте с бытовыми плитами. Если приходится выбирать между чугунным и стальным котлом, лучше предпочесть первый.

Чугунный котел обладает не только прочностью, но и относительно недорогой стоимостью.

К тому же котлы собирают из отдельных частей. При ремонте можно ограничиться заменой старой секции на новую.

Гарантийный срок службы чугунного котла — не менее 20 лет (остальные — до 10 лет).

Как уже было сказано, теплогенераторы выпускают в комплекте. В него входят: расширительный бачок, термометр в оправе и ерш для очистки газоходов. Если котел рассчитан на отопление твердым топливом, прилагаются также резак, кочерга и совок для угля.

Выпускаются также универсальные котлы. Они работают как на жидком, так и на газообразном топливе. В этом случае в комплект входит горелка с автоматом безопасности.

Для отапливания в теплогенераторах используют уголь, антрацит, кокс или малозольное топливо (в брикетах). Пользуются только топкой верхнего горения. Если для обогрева применяют дрова, необходимо увеличить высоту топки. А при отапливании газом или жидким топливом обязательно заменяют топливник.

Как правило, небольшие по объему котлы имеют маленькие конвективные поверхности. Это напрямую связано с коэффициентом полезного действия. Чтобы увеличить КПД и снизить температуру отходящих газов, котел соединяют с дымовой трубой через отопительный щиток.

При ухудшении тяги (обычно это происходит при растапливании котла) открывают заслонку прямого хода и газы идут в прямую трубу. Аналогичным образом поступают в начале отопительного сезона, т. е. перед первой топкой. Заслонку закрывают при нормальной тяге.

Сейчас чаще всего используют чугунные котлы марок КЧММ, КЧММ-2 и т. д.

Подобное устройство состоит из трех секций, на двух из них (крайних) расположена необходимая гарнитура. Сверху секции оснащены кожухом из листовой стали. Между кожухом и чугунными секциями находится теплоизоляция из листового асбеста. Колосниковая решетка этого котла частично охлаждается и имеет шуровочное устройство.

Другие разновидности котлов отличаются количеством секций и структурой колосниковой решетки.

Все котлы работают на подогреве воды до температуры 90-95 °С и с давлением до 200 кПа.

У котлов, выполненных из чугуна, есть свои минусы.

Они требуют ручной поддержки постоянной толщины слоя топлива на колосниковой решетке. Кроме того, такие котлы тяжелы и трудно поддаются монтажу.

Стальные сварные котлы выпускают в виде прямоугольной тумбы. Внутреннюю топку окружает так называемая водяная рубашка. В нижней части устройства находится колосниковая решетка с зольниковой дверцей, а наверху расположен загрузочный люк.

Существует несколько марок стальных котлов -КС-1, КС-2, КС-3 и КС-4. Все они работают на угле, антраците, а также на жидком топливе. При сжигании в таких котлах твердого топлива возникают некоторые трудности с розжигом. Чтобы избежать этого, в доме с горелкой на баллоном (сжиженном) газе используют специальное растопочное средство.

Стальной котел устроен следующим образом.
На верху котла находится отвод для продуктов сгорания. Первичный воздух подается через колосниковую решетку, а вторичный проходит над слоем дров. Первичный воздух необходим для горения твердого топлива, вторичный разлагает оставшуюся часть.

Главной отличительной чертой стального котла является его многофункциональность. Подобное устройство применяют не только для отопления помещения, но и для горячего водоснабжения.

Для отопления малоэтажных домов и отдельных квартир используют стальные газовые теплогенераторы.

Они имеют небольшое гидравлическое сопротивление, поэтому могут применяться в системах водяного отопления с естественной циркуляцией.

Подобный аппарат состоит из вертикального цилиндрического резервуара, кожуха, газовой горелки с запальником и газоотводящим устройством. Между резервуаром и кожухом находится изоляция, в качестве которой используют стекловату.

Непосредственно над выходным отверстием жаровой трубы имеется тягопрерыватель. В нижней части — горелка низкого давления с закрепленным
на кронштейне запальником. Он имеет два языка пламени, один из них служит для зажигания основной горелки, а другой нагревает спай термопары.
Устройство оснащено автоматическими системами безопасности и регулирования.

Водонагреватель запускают в работу только после заполнения его водой. Для этого открывают любой из водоразборных кранов горячей воды и проверяют, вытекает ли вода из него под напором.

Затем отвинчивают кран на газоходе, подносят зажженную спичку к запальнику и открывают кран. Через несколько минут кнопку электромагнита оттягивают до отказа (оставляя ее на прежнем месте). Если запальник горит, открывают кран основной горелки и зажигают ее. В случае, когда горелка не горит, а запальник тухнет, его снова поджигают только через 2-3 мин.

Запустив водонагреватель, закрывают дверцу и проверяют наличие разрежения в дымоходе. Для этого туда вводят зажженную спичку. Если в дымоходе нет разрежения, пользоваться устройством нельзя.

Терморегулятор прекращает подачу газа, когда вода нагревается до определенной температуры. Работа возобновляется при снижении температуры на 5-10 °С. Установить необходимую температуру можно посредством вращения правой нижней гайки блока автоматики. Так, при повышении гайку поворачивают вверх, а при понижении — вниз.

Для того чтобы выключить водонагреватель, следует закрыть кран запальника и кран основной горелки. После этого завинтить кран на газопроводе перед прибором.

Самым качественным прибором в настоящее время считается АОЖВ-9.
Прибор представляет собой напольный металлический шкаф с откидными крышками. Его передняя крышка открывает доступ для управления. Сверху «шкаф» накрывается теплоизолирующей крышкой с экраном. На задней стенке водяной рубашки теплообменника имеется дымовой короб. На нем находится шибер, предназначенный для изменения направления движения газов.

Прибор имеет ряд преимуществ перед остальными теплогенераторами.
Он отличается высокой теплоотдачей, не допускает возникновения холодных и горячих участков в квартире, равномерно распределяет тепло по всему помещению.

Наконец, аппарат легко очищается от нагара и сажи. Для этого достаточно снять крышку камеры сгорания и с помощью скребка удалить грязь.
Смешанные отопительно-варочные теплогенераторы
В небольшом частном доме или на даче можно установить котел для водяного отопления и плиту для приготовления пищи.

Плита и обогревательное устройство работают отдельно друг от друга, т. к. оснащены самостоятельными топливниками и дымоходами.
Выгоднее и удобнее использовать приборы со смешанной конструкцией.

Они представлены в виде водяных коробок и змеевиков, которые встраиваются в дымоход печи или плиты.

Теплогенератор работает на твердом топливе, и пригоден он не только для обогрева помещений площадью 50 мг, но и для приготовления еды.
Генератор выполнен в виде прямоугольной тумбы с эмалированными боковыми поверхностями.

Состоит такой механизм из сборной топки, задней и боковых стенок, сварного трубчатого теплообменника, водогрейного бочка, духовки и настила. Последний разделен на две плиты, выполненные из чугуна. Внизу находятся специальные ящики для хранения топлива.

Движение газов двухтопочной системы можно регулировать в зависимости от времени года.

Зимой газы пускаются в дымообороты, не попадая в духовку, а летом после духовки направляются в дымовую трубу, минуя дымообороты.
Отопительную и варочную части можно использовать как вместе, так и раздельно, что очень удобно в любых условиях.