Принцип кавитационного нагрева меняет представление о добыче тепловой энергии

В этом убежден Иван Сергеевич Терех, кандидат технических наук, менеджер проекта и главный конструктор проекта  Александр Эдуардович Пшонь.

Проблема модернизации систем отопления возникает практически у всех организаций, получивших в наследство от минувшего строя объекты, не подключенные к сетям централизованного отопления. В годы проектирования и запуска этих тепловых станций цены на топливо внутри страны были минимальны, однако резкое увеличение стоимости сразу показало их низкую эффективность.

Централизованное теплоснабжение в настоящий момент также имеет свои недостатки. Обветшавшие теплотрассы отапливают улицу, а не только объекты. Теплопотери достигают в зимний период более 50% от общего количества теплоэнергии, риски возникновения аварийных ситуаций повышаются с каждым годом, производители теплоэнергии вынуждены постоянно повышать тарифы на выработку и доставку тепла, что увеличивает затраты потребителей.

До начала наступившего века казалось, что газовое отопление было и останется наиболее экономичным  вариантом, однако, мировая тенденция повышения цен на газ снижает относительную эффективность этого вида топлива. Более того, при оценке окупаемости систем отопления на природном и биогазе следует учитывать не только стоимость самого энергоносителя и нагревательных котлов, но также и стоимость работ по проектированию, прокладке коммуникаций, и, конечно, текущие затраты на обслуживание оборудования.

Таким образом, одним из решений задачи экономичного обогрева является изменение подхода к созданию систем отопления, перейдя к децентрализованным системам, использующих альтернативные способы получения теплоэнергии (солнечные батареи, кавитационные установки, тепловые насосы и т.п.). Такие системы позволят отказаться от теплотрасс, а, следовательно, резко сократят как расходы на их содержание, так и теплопотери.

Одним из таких решений, наиболее эффективных и оптимизированных для конечного потребителя, являются предлагаемые нами Электрические Тепловые Системы (ЭТС) СИТЕЛтм, представляющие из себя нагревательные установки, использующие для нагрева теплоносителя физическую природу кавитации.

Кавита́ция– образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое вызывается каким-либо возмущением жидкостной среды. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк захлопывается, излучая при этом ударную волну и значительный выброс энергии.

Исследования влияния кавитации на объекты в потоке так или иначе шли постоянно, как часть науки гидродинамики. Еще в начале ХХ века, рядом ученых (Ж.Ранк, Р.Хильш, К.Страхович) были отмечены такие явления, как изменение температуры потока вследствие возникновения в нем кавитации. Процесс схлопывания кавитационного пузырька длится на этой стадии микросекунды, и даже при нормальной температуре все пары не успеют сконденсироваться. Температура в центре схлопнувшегося пузырька в результате адиабатического сжатия намного превышает температуру основной жидкости. В зависимости от условий схлопывания это превышение может достигать тысячи градусов. Именно это физическое явление и положено нашими специалистами в основу генерации теплоэнергии в ЭТС СИТЕЛ^тм.

Основоположником вихревой теории в нашей стране в конце 50-х – начале 60-х годов прошлого столетия внес профессор Александр Меркулов. Именно ему приписывают авторство создания принципиально нового нагревательного прибора — первого теплогенератора, работающего на вихревом эффекте и жидком теплоносителе.

 Представленная нами серия нагревательных установок ЭТС СИТЕЛтм  начала создаваться в 1998 году с регистрации патента на принципиально новый активатор кавитационного процесса, преобразующий кинетическую энергию воды в тепловую энергию с эффективностью, близкой к 100%.

В настоящее время теплогенераторы ЭТС СИТЕЛтм проектируются и создаются по ТУ BY 190708775.002-2011, вобрав в себя весь более чем 15 летний опыт проектирования, разработки, изготовления и испытаний.

Принципиальная схема ЭТС СИТЕЛтм представлена на рисунке:

1.     Напорный электронасос, 2. Теплогенератор (активатор), 3. Накопительная емкость, 4. Расширительный бачек, 5. Циркуляционный насос, 6. Блок управления, 7. Контроллер, 8. Основной теплодатчик, 9. Спускной клапан, 10. Манометр, 11. Запорный кран выходного патрубка, 12. Запорный кран входного патрубка, 13. Фильтр очистки, 14. Шумоподавляющий кожух, 15. Теплосистема (батарея), 16. Основание, шасси, 17. Шкаф управления, 18. Устройство плавного пуска двигателя.

После включения оборудования, напорный электронасос (1), контролируемый блоком управления (6), подаёт теплоноситель (воду) под высоким давлением в теплогенератор (2). В процессе прохождения жидкости через конструкцию теплогенератора теплоноситель претерпевает нагрев и поступает в накопительную емкость (3) и смешивается с основным объемом теплоносителя. Данный процесс происходит непрерывно до момента, когда температура теплоносителя не достигнет установленной на блоке управления температуры. Когда температура теплоносителя достигает заданного верхнего предела, теплодатчик (8) подает команду на блок управления об остановке основного насоса. Включается циркуляционный насос(5), и даёт возможность теплоносителю двигаться в систему отопления (15), через радиаторы (конвекторы), обратно в накопитель. По мере остывания теплоносителя теплодатчик дает команду блоку управления на запуск основного насоса. Процесс нагрева теплоносителя носит циклический характер и контролируется автоматически, а среднее потребление электроэнергии составляет 50-70% от номинальной мощности напорного насоса.

Эффективность данного метода производства теплоэнергии подтверждается опытом использования установок ЭТС в Республике Беларусь и за ее пределами, в частности, в Российской Федерации.

Среди прочих можно привести адресные примеры. В их числе – СК «Бета-Ф», г.Минск, полигон «Боровая». Предприятие выпускает пластиковые детали и малые архитектурные формы. На производстве очень остро стояла проблема поддержания (не ниже +18оС) температур производственного цикла. Объем помещений – около 300 м3. В 2002 году была смонтирована нагревательная установка мощностью (номинальной) 7,5 кВт. Средесуточное потребление – до 4,5 кВт/час. Установка функционирует без сбоев до настоящего дня. Для сравнения, расчетная мощность стандартных электрических теплообогревателей для подобного помещения – 9-10 кВт с потреблением до 7 кВт/час. Разница в энергопотреблении ЭТС и стандартных электрообогревателей позволяет  получить экономию электроэнергии в отопительный период (185 дней) – до 12000 кВт.

Еще адрес – АЗС концерна «Белнефтехим», г.Минск, 51км МКАД. Для обогрева здания и служебных помещений общим объемом около 330 м2 в 2008 году установлена ЭТС номинальной мощностью 7,5 кВт. Потребляемая в сутки электроэнергия – до 120 кВт. Анализ энергопотребления в аналогичных строениях АЗС, обогреваемыми электроприборами (тепловые завесы, конвекторы) дает цифру суточного потребления до 140-150 кВт. Расчетная экономия – около 17000 кВт за отопительный сезон или до 47,5 млн. рублей в действующих ценах Тарифной Декларации РУП «БелЭнерго».

Частный дом в дер.Вязынка, Молодечненский район. Для отопления строения (100 м2) применена ЭТС мощностью 7,0 кВт. Оборудование установлено в 2008 году. Среднее потребление электроэнергии – 3,7 кВт/час. Альтернативой ЭТС выступает газовый котел с принудительной конвекцией. Требуемая мощность – до 10 кВт. Потребление – 1,5-1,8 м3 газа в час в зависимости от типа модели. Выбор заказчиком ЭТС был обусловлен высокой стоимостью проектирования и прокладки газовой сети (сметная стоимость – более 15 тыс. у.е.), а также сжатыми сроками ввода жилья в строй.

В общих чертах, расчеты наших специалистов-энергетиков позволяют утверждать, что стоимость 1 кВт тепла, вырабатываемого ЭТС сравнимы со стоимостью 1 кВт тепла от газовых установок ведущих мировых производителей, и значительно ниже цены кВт тепла от установок на твердом или жидком топливе, но с учетом перспективных проектов в электроэнергетике Республики Беларусь (строительство АЗС, реконструкция и модернизация существующих ТЭЦ и сетей электроснабжения), можно утверждать, что стоимость 1 кВт/час электроэнергии внутри страны будет неуклонно снижаться, что в перспективе увеличивает привлекательность проекта ЭТС для потребителя тепла.

Следует также отметить, что представленная нами ЭТС СИТЕЛтм помимо экономичности обладает рядом неоспоримых достоинств: пожаробезопасность, мобильность, отсутствие шума и вредных выбросов (экологичность), нетребовательность к качеству воды, гибкость использования (как автономная система нагрева или элемент, встроенный в централизованную сеть).