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.

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.

Кавитационный теплогенератор: устройство, виды, применение

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

Кавитационный теплогенератор: устройство, виды, применение

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

Кавитационный теплогенератор: устройство, виды, применение

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.

Тепловой насос

Прежде чем приступить к детальному рассмотрению устройства, необходимо расшифровать само понятие “тепловой насос”, поскольку далеко не все люди знают, что это такое. 

Что собой представляет

Итак, тепловой насос представляет собой специальное оборудование, которое работает по прямому или обратному циклу термодинамической машины. Основной его задачей является перенос тепла из одной среды в другую при помощи термодинамически расширяющегося газа или жидкости с определёнными свойствами.

Если буквально: тепловой насос – комплекс оборудования, позволяющий передавать тепло от нагретого тела к холодному. Конструктивно состоит из двух основных блоков: внутреннего – для установки внутри помещений и наружного.

Внутренний блок выполнен в виде металлического шкафа, в котором располагаются: компрессор, дроссели, расширительный бак. От внутреннего блока идёт разводка труб на систему отопления или кондиционирования.

Обратите внимание! Конструкция наружного блока зависит от типа теплового насоса. Например, в насосе типа «воздух-воздух» он представляет собой блок кондиционера, внутри которого располагается теплообменник с вентилятором. По трубным коммуникациям транспортируется теплоноситель.

Читайте также:  Как выбрать газовый обогреватель для дачи

Тепловые насосы, изготавливаемые крупными заводами, оснащаются управляющей автоматикой. Она информирует пользователя о текущем состоянии, критических параметрах насоса, а также позволяет управлять режимами работы.

Технические характеристики

Тепловой насос любой конструкции обладает следующими основными параметрами:

  • КПД в режиме нагрева (СОР);
  • коэффициент энергоэффективности в режиме охлаждения (EER).

Коэффициент СОР показывает уровень энергозатрат на нагрев помещений внутри зданий. То есть, сколько киловатт тепловой энергии будет получено при затратах 1 кВт электричества. Диапазон СОР может быть 3-5, а EER – 5-7.

Не менее важными являются и другие технические характеристики:

  1. диапазон рабочих температур для работы насоса в стабильном режиме;
  2. максимально допустимая длина труб, по которым будет протекать хладагент или теплоноситель;
  3. мощность и тип компрессора, одно- или трёхфазное питание;
  4. внутренняя площадь медного теплообменника;
  5. перепад высот между источником и потребителем, для функционирования насоса в заданных режимах;
  6. тип используемых теплоизоляционных материалов;
  7. уровень шумов компонентов установки в разных режимах работы.

Таблица 1. Параметры тепловых насосов мощностью 4,5 кВт и 9 кВт.

Температура источника, °С

Тепловая мощность насоса, кВт Электрическая мощность, кВт СОР Температура входной воды, °С

Температура выходной воды, °С

20

4,5 1,2 3,75 30 50

7

1,45 3,1

-15

2,48 1,81
20 9 2,4

3,75

7 2,9

3,1

-15 5

1,8

 Принцип работы теплового насоса

Принцип работы основан на теплопередаче от нагретой среды в холодную посредством хладагента, циркулирующего по замкнутому контуру. Для работы насоса достаточно, чтобы разница температур составляла минимум 1°С.

Упрощённая схема, объясняющая принцип работы теплового насоса.

В качестве источника тепла или холода могут выступать массивные тела со стабильной температурой в течение достаточно длительного времени, независимо от условий окружающей среды. Это может быть грунт, вода, камни или воздух. То есть, чтобы охладить или нагреть помещение, достаточно транспортировать теплообменную среду по замкнутому контуру между источником и потребителем, а также изменять её температуру путём термодинамического сжатия или расширения. 

 Тепловой насос работает так:

  1. При включении насоса теплоноситель начинает двигаться по замкнутому контуру системы.
  2. В ходе циркуляции теплоноситель от среды-источника при прохождении через теплообменник нагревается.
  3. Нагретый теплоноситель начинает нагревать хладагент при попадании во внутренний циркуляционный контур.
  4. Хладагент начинает испаряться внутри испарителя, то есть переходит из жидкого в газообразное состояние.
  5. Испаренный хладагент по коммуникациям попадает в компрессор, сжимается и начинает нагреваться (эффект Джоуля-Томсона).
  6. После сжатия нагретый хладагент попадает в конденсатор, внутри которого происходит обмен теплом с контуром системы отопления дома. Там он теряет свою температуру, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние.
  7. Жидкий хладагент по трубам при прохождении через редукционный клапан теряет высокое давление и снова поступает в испаритель.

Виды теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты подразделяются на несколько групп в зависимости от:

  • типа взаимодействия сред (поверхностные и смесительные);
  • типа передачи тепла (рекуперативные и регенеративные);
  • типа конструкции;
  • направления движения теплоносителя и теплопотребителя (одноходовые и многоходовые).

Наиболее наглядно классификация теплообменных аппаратов представлена на следующем изображении (если нужно увеличить картинку, то просто кликните по ней):

Рис. 1. Виды устройств теплообменников в зависимости от принципа работы

По типу взаимодействия сред

Поверхностные

Теплообменные аппараты данного вида подразумевают, что среды (теплоноситель и теплопотребитель) между собой не смешиваются, а теплопередача происходит через контактную поверхность – пластины в пластинчатых теплообменниках или трубки в кожухотрубных.

Смесительные

Кроме поверхностных теплообменников используются агрегаты, в основе эксплуатации которых лежит непосредственный контакт двух веществ.

Наиболее известным вариантом смесительных теплообменников являются градирни:

Рис. 2. Градирни – один из видов смесительных ТО

Градирни используются в промышленности для охлаждения больших объемов жидкости (воды) направленным потоком воздуха.

К смесительным теплообменникам относятся:

  • паровые барботеры;
  • сопловые подогреватели;
  • градирни;
  • барометрические конденсаторы.

По типу передачи тепла

Рекуперативные

В данном виде устройств теплопередача происходит непрерывно через контактную поверхность. Примером такого теплообменного аппарата является пластинчатый разборный теплообменник.

Регенеративные

Отличаются от рекуператоров тем, что движение теплоносителя и теплопотребителя имеют периодический характер. Основная область применения таких установок – охлаждение и нагрев воздушных масс.

Установки с подобным типом действия нужны в многоэтажных офисных зданиях, когда теплый отработанный воздух выходит из здания, но его энергию передают свежему входящему потоку.

Читайте также:  Простые правила и советы по покупке загородного дома

Рис. 3. Регенеративный теплообменник

На изображении видно, как в теплообменник поступают 2 потока: горячий (I) и холодный (II). Проходя через коллектор 1, горячая среда нагревает гофрированную ленту, свернутую в спираль. В это время через коллектор 3, проходит холодный поток.

Спустя какое-то время (от нескольких минут до нескольких часов), когда коллектор 1, заберет достаточное количество тепла (точное время зависит от тех. процесса), крыльчатки 2 и 4 поворачиваются.

Таким образом изменяется направление потоков I и II. Теперь холодный поток идет через коллектор 1 и забирает тепло.

По типу конструкции

Вариаций конструкций теплообменных аппаратов очень много. Их выбор и подбор конкретной модели зависит от большого количества условий эксплуатации и технических характеристик:

  • мощность теплообменника;
  • давление в системе;
  • тип сред (агрессивные или нет);
  • рабочие температуры;
  • прочие требования.

Подробную классификацию типов конструктивов теплообменных аппаратов можно посмотреть выше на Рис. 1.

По направлению движения сред

Одноходовые теплообменники

В данном виде агрегатов теплоноситель и теплопотребитель пересекают внутренний объем теплообменника однократно по кратчайшему пути. Наглядно это показано в следующем видео:

Подобная схема движения в ТО используется в простых случаях, когда не требуется повышать теплоотдачу от теплоносителя хладогенту. Кроме того, одноходовые теплообменники требуют более редкого обслуживания и промывки, так как на внутренних поверхностях скапливается меньше отложений и загрязнений.

Многоходовые теплообменники

Применяются, когда рабочие среды плохо отдают или принимают тепло, поэтому КПД теплообменного аппарата увеличивают за счет более длительного контакта теплоносителя с пластинами агрегата.

Пример работы двухходового пластинчатого теплообменника представлен в данном видео:

От чего зависит КПД теплового насоса

Принцип действия теплового насоса схож с принципом действия холодильника. Но задача холодильника произвести холод, используя тепловую и электрическую энергию. А насос, используя низкотемпературный природный носитель и электричество, производит тепло. Подробнее принцип действия описан на этой странице. Расчет КПД теплового насоса показывает удивительные результаты, если учитывается только затраченная на его работу электроэнергия. Как уже указывалось, на киловатт потребленной энергии приходится в 4-5 раз больше произведенной. Что это? КПД больше единицы — нарушение законов электродинамики? Нет. Дело в том, что не учтен источник низкопотенциального тепла. Ведь в своей работе насос использует и природную энергию. Поэтому при расчете мощность источника (Рист.) и энергия из электросети (Рс.) должны складываться. А формула расчета будет выглядеть таким образом:

η = Рвыход./ Рист.+ Рс.

И, конечно, он будет меньше единицы.

Но расчет КПД может быть затруднен. Например, геотермальный насос, КПД которого следует рассчитывать с учетом температуры земли. Земля в этом случае – источник тепла. Ее температура на глубине более 6м практически не изменяется, но точно определить ее достаточно трудно. Это затрудняет определение КПД.

Такая же ситуация с определением КПД тепловых насосов других типов, для которых точная оценка мощности низкопотенциальной энергии не возможна. Поэтому оценивают эффективность и производительность тепловых насосов, используя два специальных коэффициента – СОР и степень термодинамического совершенства.

Гидравлический КПД

Гидравлический КПД определяется течением жидкости внутри проточной части насоса, а если точнее гидравлическими потерями, которые возникают во время работы насоса. Например, если шероховатость поверхности стенок насоса увеличена, то жидкости станет сложнее преодолеть сопротивление трения, а значит, скорость течения жидкости будет ниже. Многое зависит и от вида течения жидкости. Возникающий в проточной части насоса турбулентный (вихревой) поток жидкости увеличивает гидравлические потери.

Отношение количества жидкости поступившей в насос через всасывающий патрубок, к количеству жидкости вышедшей из него через напорный патрубок является объёмным КПД насосной части. Объёмный КПД ещё называют КПД подачи, так как его можно рассмотреть как отношение производительностей, действительной к теоретической.

Чтобы потребитель имел возможность определить КПД насоса в конкретной рабочей точке, многие производители насосного оборудования прилагают к диаграммам рабочих характеристик насоса диаграммы с графиками характеристик КПД.

График эффективности насоса на примере Argal TMR

Тепловые насосы

В приборе используют рабочую жидкость – хладагент. Среди компонентов присутствуют конденсатор, испаритель, расширительный клапан и компрессор. Теплопередача осуществляется в испарителе с рабочей жидкостью, трансформирующейся в газ. Компрессор с электрическим приводом увеличивает температуры и давление газа, запуская его в катушки конденсатора, расположенные внутри нагретого пространства.

Температура газа превышает показания внутри пространства, поэтому тепло передается в помещение, а газ конденсируется с жидкостью. Далее жидкость попадает в редукционный клапан и, из-за расширения, охлаждается. Ниже представлена схема теплового насоса.

Тепловые насосы

Простой тепловой насос обладает четырьмя компонентами: конденсатор (1), расширительный клапан (2), испаритель (3), компрессор (4)

Принцип работы, виды и устройство теплового насоса

Тепловой насос – серьезный альтернативой традиционной отопительной системе, поскольку он не производит тепло, а лишь собирает его. При постоянно растущих тарифах на тепло и электричество он может стать неплохой альтернативой традиционным система отогрева.

  • Виды тепловых насосов
  • Грунт-вода     Воздух-вода     Вода-вода    

  • Принцип работы теплового насоса
  • Охлаждение с помощью теплового насоса
  • Окупаемость системы отопления
  • Расчет оборудования для дома
  • Безопасность
Читайте также:  Как настроить котел бакси на экономичный режим

Виды тепловых насосов

Существует три вида тепловых насосов:

  • Грунт-вода;
  • Воздух-вода;
  • Вода-вода.

А теперь разберемся что из себя представляет каждый из видов теплового насоса. В качестве незамерзающей жидкости используется соленой раствор, вода со спиртом или гликолевая смесь.

Грунт-вода

Тепловой насос «извлекает» тепло из грунта на глубине более одного метра при помощи зондов или коллекторов. В системе циркулирует незамерзающая жидкость, которая перемещает тепловую энергию к системам отопления.

Для больших земельных участков подойдут геотермальные коллекторы, которые проложены ниже уровня промерзания грунта. Если же участок небольшой, то в данном случае оптимальны геотермальные зонды. В почве система трубопроводов устанавливается вертикально.

Воздух-вода

В данном случае насос извлекает тепло из воздуха. Вентиляторы прогоняют воздух через испаритель и при этом происходит «извлечение» тепла. Холодный воздух отводится обратно.

Вода-вода

Устройство работает с водой, а точнее с грунтовыми водами или с водоемами, из которых извлекается тепло. Вода закачивается из скважины и, проходя через тепловой насос, отдает тепло. Охлажденная вода потом отводится обратно.

Принцип работы теплового насоса

В систему входит:

  • Сам тепловой насос;
  • Устройство забора (зонд или коллектор);
  • Устройство распределения тепла (теплый пол или другие).

Внутренний контур теплового насоса состоит из элементов:

  • Компрессор;
  • Испаритель;
  • Дроссельный клапан;
  • Конденсатор
Принцип работы, виды и устройство теплового насоса

По принципу работы тепловой насос – холодильник, который работает наоборот. Только если холодильник отводит тепло из внутреннего пространства наружу, то тепловой насос – забирает тепло из окружающей среды и передает в отопительную систему.

Главное преимущество воздуха — его доступность, тогда как земные недра и грунтовые воды — оптимальные теплоаккумуляторы с относительно постоянной в течение всего года температурой.

При этом на обогрев дома уходит гораздо меньше электроэнергии, чем при обычном электрокотле.

Охлаждение с помощью теплового насоса

Тепловой насос может работать и на охлаждение. При этом есть две технологии работы: активная и пассивная. Пассивная охлаждение работает по принципу отопления. При активном охлаждении используется кондиционирование воздуха. В реверсивном тепловом насосе можно менять направление фреона или другого хладагента.

Производители предоставляют техническую поддержку при выборе, проектировании и дальнейшем запуске в эксплуатацию теплового насоса, при это они помогут с получением необходимых разрешительных документов.

Окупаемость системы отопления

Стоимость установки оборудования теплового насоса подразумевает значительные траты, большие чем электрический или газовый котел. Но зато система отопления в среднем доме в 100-150 квадратных метров окупит себя за полтора-два года на обслуживании. И это только на отоплении. Летом, в жаркие дни, тепловой насос может выступать в качестве кондиционера.

Надо помнить, что окупаемость системы во многом зависит от теплоизоляции дома, ведь дом с хорошей теплоизоляцией обогревать легче, чем дом с «открытыми» окнами.

Расчет оборудования для дома

При выборе теплового насоса надо учитывать энергетическое (теплопотери и теплоизоляцию) состояние дома. Должна быть установлена хорошая теплоизоляция здания. Чем выше показатели теплоизоляции, тем ниже будут затраты на обогрев здания.

Это позволит поставить тепловой насос меньшей мощности и позволит уменьшить стоимость монтажа, да и системы отопления в целом.

Если на данном этапе неправильно рассчитать мощность теплового насоса, то это приведет к его неэффективной работе — большее потребление электроэнергии впустую или сильной нагрузкой на систему.

Расчет мощность для дома производится с учетом теплопотерь. Перед установкой теплового насоса нужно максимально уменьшить потери тепла.

Для обогрева дома нужно от 70-80 ватт на квадратный метр с большими теплопотерями до 30Вт на кв. м у «пассивных» домов.

Тепловой насос лучше всего сочетается с водяным теплым полом, но при его расчете необходимо учитывать тип напольного покрытия – в идеале, напольная плитка.

Безопасность

Тепловой насос не выбрасывает вредные соединения в атмосферу. Также насос не подвержен взрыву, как котлы на жидком топливе или газе, ведь в системе нет нагрева деталей, чтобы произошел взрыв. При хорошей изоляции проводов система прослужит долго.

Отличительные черты

Преимущества

Отопление дома тепловым насосом в сравнении с другими системами обладает:

  1. хорошими параметрами экологичности;
  2. большим сроком службы оборудования без технического обслуживания;
  3. возможностью простого переключения режима обогрева зимой на кондиционирование летом;
  4. высокой годовой эффективностью.

Недостатки

На стадии проекта и при эксплуатации приходится учитывать:

  1. сложность выполнения точных технических расчетов;
  2. высокую стоимость оборудования и монтажных работ;
  3. возможности образования «воздушных пробок» при нарушениях технологии укладки трубопроводов;
  4. ограниченную температуру воды на выходе из системы (≤+65ºС);
  5. строгую индивидуальность каждой конструкции для любого здания;
  6. потребность больших площадей для коллекторов с исключением строительства объектов на них.