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

Теплогенератор – эффективный и экономный источник тепла в доме

Что такое теплогенератор, как он работает и какими достоинствами обладает? Раньше я сам неоднократно задумывался над этими вопросами, но теперь, обладая определенными знаниями, постараюсь подробно на них ответить. А также расскажу, может ли вообще использоваться это прибор в бытовых целях.

Теплогенератор – эффективный прибор отопления

Немного истории

Теплогенератор, или тепловой насос – это прибор, который преобразовывает механическую энергию в кинетическую, а кинетическую – в тепловую. Таким образом, его можно отнести к приборам отопления или нагревателям воды.

История этого аппарата начинается в начале ХХ века, когда ученый Жозеф Ранк обнаружил, что в воздушной вихревой струе происходит сепарация на фракции нагретого воздуха и холодного. Прибор для образования вихревого воздушного потока назвали трубой Ранке.

Позже, в середине прошлого века, трубу Ранка модернизировал немецкий изобретатель Хилшем. Еще спустя некоторое время в модернизированную трубу Ранке советский ученый Меркулов запустил воду вместо воздуха. При этом он обнаружил, что на выходе вода сильно нагрелась.

Схема устройства трубы Ранка

Такое свойство связано с тем, что в воде, когда она проходит через вихревую трубу, образуется множество водяных пузырьков. В результате воздействия давления воды, эти пузырьки разрушаются. При этом высвобождается некоторое количество энергии, которая нагревает воду.

Данный процесс называется кавитацией. Этот принцип и лег в основу всех современных тепловых генераторов.

Виды тепловых генераторов

В зависимости от типа устройства теплогенераторы делятся на несколько видов. Наиболее широкое распространение из них получили:

• Роторный. Теплогенератор имеет ротор, который отвечает за образование вихревого потолка;

Промышленный статический теплогенератор

• Статический. Давление воды в таком приборе создает центробежный кавитационный насос. При этом водяной образуется за счет специальных кавитационных трубок.

Каждый теплогенератор имеет свои достоинства и недостатки, с которыми мы ознакомимся ниже.

Роторный

Роторный теплогенератор может иметь различную конструкцию. Надо сказать, что данный аппарат по сей день находится в стадии разработки и усовершенствования.

Роторный теплогенератор – основные узлы устройства

Наиболее распространенным считается дисковый роторный теплогенератор. Такой аппарат состоит из нескольких основных элементов:

• Ротор. Выполнен в виде диска, отсюда и такое его название. Для наибольшей эффективности устройства, в роторе просверливаются отверстия.
  Количество отверстий и глубина рассчитываются индивидуально, в зависимости от мощности двигателя и объема корпуса. Скорость вращения ротора в корпусе достигает 3000 оборотов в минуту;

• Электродвигатель. Приводит в действие ротор. Так как для работы применяется электродвигатель, устройство еще называют теплоэлектрогенератором.
  Надо сказать, что в мощных аппаратах могут использоваться другие силовые агрегаты, к примеру, дизельные двигателя;

На фото — корпус теплового генератора

• Корпус. Представляет собой полый цилиндр. Расстояние между ротором и стенками корпуса также подбирается индивидуально, но, как правило, находится в пределах 1,5-2 мм.

К нижней части корпуса подключается труба с холодной водой, а сверху труба, по которой выводится горячая вода.

В результате вращения ротора происходит трение воды с корпусом и самим ротором, за счет чего и нагревается вода. Кроме того, помогают нагреву и разрушающиеся пузырьки воздуха, о которых я уже говорил выше.

По сути, данный аппарат — это не что иное, как тепловой насос Френетта, принцип которого заключается в том, что один цилиндр вращается внутри другого, а между ними нагревается жидкость.

Роторные тепловые генераторы обычно применяются для обогрева производственных помещений

Достоинства:

• Простота конструкции. Как вы видите, устройство аппарата в целом достаточно простое. Поэтому можно даже сделать роторный теплогенератор своими руками.
  По сути, самостоятельно нужно изготовить или заказать лишь корпус ротора и сам ротор. Все остальные детали приобретаются в магазине;

Чтобы не заниматься самостоятельно расчетами, что требует определенных знаний, можно взять готовые чертежи роторного теплового генератора.

• Эффективность. Роторный теплогенератор выделяет на 30 процентов больше тепловой мощности, чем статический.

Кроме того, он более экономичный, чем традиционные приборы отопления. Это, собственно, и является основным достоинством тепловых генераторов, ради которых их используют в бытовых и промышленных системах отопления.

Минусов роторный теплогенератор имеет немного:

• Шумность. Это доставляет определенный дискомфорт в процессе эксплуатации устройства;
• Повышенный износ деталей. У такого аппарата быстро изнашиваются сальники и уплотнители.

В результате этих недостаток теплоэлектрогенератор чаще применяют для обогрева производственных помещений, чем для жилых домов или квартир.

Статический теплогенератор Потапова

Статический

Статический кавитационный теплогенератор, как я уже говорил выше, работает за счет центробежного насоса. Поэтому не имеет никаких вращающихся элементов, что дает ему свои преимущества, с которыми ознакомимся ниже.

Принцип работы данного аппарата выглядит следующим образом:

• Центробежный насос обеспечивает высокую скорость передвижения воды;
• Вода устремляется во входное отверстие сопла;
• Так как выходное отверстие сопла значительно меньше, чем входное, в нем образуется высокое давление воды. В результате вода еще больше ускоряется;
• Из-за быстрого расширения воды, на выходе из сопла происходит кавитационный эффект с образованием газа внутри.

Таким образом, нагрев жидкости в данном аппарате происходит в результате тех же процессов, которые происходят в и роторном тепловом генераторе – кавитации и трения жидкости.

На схеме теплогенератор Потапова

Также пользуется популярностью теплогенератор Потапова, который работает несколько иначе:

• Центробежный насос подает воду под давлением в так называемую улитку (на схеме 2);
• В результате вращения внутри изогнутого канала вода начинает нагреваться;
• Из улитки вода попадает в вихревую трубу (3), обладающую спиралью на стенках. Длина последней должна быть больше ширины в десятки раз.

В вихревой трубе вода продолжает нагреваться;

• Далее расположено тормозное устройство (4). В нем струя немного выравнивается благодаря пластинам, которые закреплены на втулке. Внутри тормозного устройства расположено пустое пространство, которое соединено с нижним тормозом (7).
  Горячая вода поднимается вверх и выходит через выходной патрубок, к которому подключается система отопления, а холодная опускается вниз. При этом холодную воду нагревают пластины, которые в свою очередь нагреваются горячей водой;
• Теплая вода спускается к нижнему тормозу и дополнительно подогревается благодаря кавитации;
• Далее теплая вода через байпас (8) попадает в выходной патрубок, где смешивается с горячей водой.

Схема диагональной обвязки

Чтобы использовать в системе отопления теплогенератор Потапова, необходимо выполнить диагональную обвязку батарей. В таком случае сверху будет подаваться горячий теплоноситель, а снизу будет выходить холодный, который подается на центробежный насос. В результате отопление будет работать наиболее эффективно.

Достоинства:

• Долговечность. Подобное устройство, как правило, работает без ремонта более 5 лет;
• Простота ремонта. Чаще всего выходит из строя сопло. Выполнить его замену своими руками под силу каждому, кроме того, такой ремонт требует немного затрат;
• Низкий уровень шума. Теплогенератор данного типа работает значительно тише, чем роторный аналог;
• Не требуется балансировка. При сборке конструкции нет необходимости шлифовать, калибровать и точно подгонять детали;

Статический теплогенератор имеет следующие недостатки:

• Сравнительно невысокая производительность. Как я уже говорил выше, теплогенератор данного типа менее производительный, но в любом случае обогрев помещения получается менее энергозатратным, чем в случае использования традиционных приборов отопления;
• Высокая стоимость насоса. Стоимость центробежного насоса достаточно высокая, правда, в целом себестоимость обоих аппаратов примерно одинаковая.

Статический аппарат вполне может использоваться в бытовой отопительной системе.

Теплогенератор отечественного производства ВТГ

Стоимость

Теплогенератор не обязательно делать самостоятельно. В продаже существуют уже готовые аппараты. Напоследок я приведу стоимость некоторых популярных моделей:

Модель	Цена в рублях
ВТГ 5,5 кВт	76400
НТГ-11 10,1 кВт	115000
EUROMIX REV 100, 100 кВт	472000
Euronord Н 50 для помещений площадью до 7500 м2	240 000

Вот и вся информация о том, что такое теплогенератор.

Вывод

Теперь вы знаете, что представляет собой теплогенератор, как он работает и какими достоинствами обладает это устройство. Дополнительно просмотрите видео в этой статье. Со всеми вопросами относительно данной темы вы можете обратиться ко мне в комментариях.