Телефон: +7 (495) 984-31-32

Объявления

Наша фирма сотрудничает с корпорацией ЗАО «ЭнергоТехМонтаж-Холдинг», которая специализируется на строительстве и обустройстве котельных, ТЭЦ и других объектов энергетики с 1957 года (!). Несмотря на перестройку и лихолетье девяностых руководство корпорации в лице Генерального директора Медведева Геннадия Степановича сумело сохранить …

Приглашаем к сотрудничеству профессиональных монтажников, имеющих опыт монтажа индивидуальных тепловых пунктов, внутренних систем отопления.

Может ли КПД быть больше единицы?

Может ли КПД «вихревого теплогенератора» быть больше единицы?

«Мы все учились понемногу
Чему-нибудь и как-нибудь…»
А.С. Пушкин. «Евгений Онегин».

Когда в газете «Аргументы и Факты» № 8 (1321) за 2006 год было заявлено, что «вихревые теплогенераторы» имеют КПД = 172%, разгорелась бурная дискуссия о реальности такой эффективности. Все учились в школе, все «проходили» физику и ее раздел «Термодинамику». Со временем многое забылось, но большинство людей все-таки помнит, что существует такое понятие – коэффициент полезного действия (КПД), который не может быть больше единицы. Некоторые помнят еще и то, что есть «Второй закон термодинамики», который нельзя нарушать. Время стирает из памяти мелкие подробности, а, как известно, «дьявол» в деталях. Поэтому, прежде чем начинать дискуссию нужно выяснить, кто –  что понимает под конкретными терминами.

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот круговой процесс, сыгравший важную роль в развитии учения о тепловых процессах, называется циклом Карно (рис. 1).

Цикл Карно

Рисунок 1. Цикл Карно.

 

 

 

 

 

 

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T1 и холодильника T2:

Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:

ηКарно = ηmax.

Это та часть информации, которую возможно еще помнит о КПД большинство людей. Практически никто не помнит продолжения. Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q2| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q1| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Коэффициент преобразования энергии (КПЭ) теплового насоса βТ может быть определен как отношение

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

|Q1| > |A|,

следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

Такой процесс более выгоден, чем непосредственное превращение электрической, механической или химической энергии в теплоту.

Ситуация, при которой КПЭ больше единицы, возникает, если его определять отношением Wпол/Wзатр, где Wпол — энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты. Затрата электроэнергии в тепловых насосах меньше количества выделяемой теплоты. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный КПД установки меньше единицы, рассмотренный КПЭh = Wпол/Wзатр может оказаться больше единицы.

Схема теплового насоса показана на рис. 2.

Рис.2. Схема теплового насоса.

1 – контур подачи низкотемпературного тепла;
2 – испаритель;
3 – компрессор;
4 – конденсатор;
5 – контур подачи высокотемпературного тепла;
6 – дроссельный клапан.

 

 

В реальном тепловом насосе источником тепла может быть скалистая порода, земля, вода или, например, воздух. Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу 1, уложенному в землю (озеро) нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем 2, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.

Внутренний контур теплового насоса заполнен хладогеном. Хладоген подбирается такой, чтобы мог закипать даже при минусовой температуре. Поэтому, даже когда совсем холодную воду прогоняют насосом через каналы испарителя 2, жидкий хладоген все равно испаряется. Далее пар втягивается в компрессор 3, где сжимается. При этом его температура сильно увеличивается (до 90-100°С). Затем горячий и сжатый хладоген направляется в теплообменник конденсатора 4, охлаждаемый водой или воздухом. На холодных поверхностях пар конденсируется, превращаясь в жидкость, а его тепло передается охлаждающей среде. Воду используют в системе отопления или горячего водоснабжения, а хладоген, теперь снова жидкий, направляется на дросселирующий вентиль, проходя через который он теряет давление и температуру, а затем опять возвращается в испаритель. Цикл завершился, и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор.

Условия развития энергетики, заключающиеся в совместной выработке теплоты и электроэнергии, ограничивают использование тепловых насосов, которые применяются только в тех случаях, когда другие виды теплоснабжения затруднены (например, при удалённости объекта от ТЭЦ). Иногда тепловые насосы применяются для отопления в районах с жарким климатом, так как в летний период эта же установка охлаждает подаваемый в здание воздух. Тепловые насосы получили широкое распространение во время Второй мировой войны 1939—45 г.г. в связи с топливными затруднениями, особенно в странах, где имеется в избытке дешёвая электрическая энергия гидростанций (например, в Швейцарии, Швеции, Норвегии и др.).

При проектировании водогрейных котлов трактовка КПД отличается от чисто теоретической. В пункте 14 ГОСТ 21563-93 «КОТЛЫ ВОДОГРЕЙНЫЕ Основные параметры и технические требования» указывается, что при расчете КПД используется так называемая «низшая теплота сгорания топлива».

В теплофизике различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшая теплота сгорания соответствует условию доведения всех водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива до жидкого состояния (их полной конденсации). Т.е. это понятие учитывает, кроме энергии, выделяющейся при сгорании топлива и охлаждения продуктов сгорания, также энергию конденсации водяных паров. Низшая теплота сгорания не учитывает теплоту (энергию) выделяющуюся при конденсации. Таким образом, высшая теплота сгорания по абсолютному значению больше чем низшая. Но в практических тепловых расчетах при определении КПД теплового агрегата принято пользоваться именно низшей теплотой сгорания, так как при сжигании топлива в котлах традиционной конструкции никогда не происходит конденсации водяных паров из продуктов сгорания.

Такой подход не случаен. Ведь образующийся водный конденсат, за счет растворения в нем СО2, вызывает коррозию стали и чугуна. Поэтому конструкторы котлов далекого, да и недалекого прошлого исключали саму возможность конденсации водных паров в газоходах и, естественно, не учитывали теплоту конденсации в своих расчетах.

Ситуация изменилась, когда появилась возможность использования при конструировании котлов коррозионно-стойких легких сплавов и нержавеющих сталей. На рынке теплотехники появились новые котлы, конструкция которых предусматривает получение дополнительного тепла от уходящих продуктов сгорания, за счет конденсации водяных паров, образующихся при сжигании топлива. Таким образом, можно получить дополнительное количество тепла – до 10,7 % при сжигании газа и до 5,95 % при сжигании солярки. Следствием этого и являются значения КПД, превышающие 100%. Котлы, действующие по указанному принципу, получили название «конденсатных» или «конденсаторных».

На самом деле КПД конденсационного котла меньше 100 %, но поскольку во всем мире до сих пор КПД рассчитывается по низшей теплоте сгорания, то для правильного сравнения традиционных и конденсационных котлов КПД последних принимается равным 108-109 %. (Более подробную информацию см. C.O.K. N 4 / 2002 г.).

Теперь рассмотрим, как рассчитывается КПЭ у насоса-теплогенератора. Насос -теплогенератор(«вихревой теплогенератор») – устройство, использующее вихревое движение для нагрева жидкого теплоносителя, основанное на новом принципе. Если раньше теплоноситель нагревали с помощью электрических ТЭНов или электродов, то в насосах-теплогенераторах нагрев происходит за счет закручивания жидкого теплоносителя в вихревой поток наподобие смерча.

Интересный взгляд на этот процесс приведен на нашем сайте в главе «Теория»

«Получение тепловой энергии в насосах-теплогенераторах (вихревых теплогенераторах)»

Воздействовать на жидкий теплоноситель можно с помощью разных устройств: насоса типа «улитка» и «вихревой трубы», дисков, турбин и т.д. Энергия электродвигателя превращается в механическую энергию завихрения жидкого теплоносителя, механическая энергия переходит в тепловую. При этом запускаются мало изученные в настоящее время механизмы выделения энергии, которые приводят к тому, что энергии выделяется больше, чем затрачивается. Никто не утверждает, что насосы-теплогенераторы отвергают закон сохранения энергии или законы термодинамики, просто в настоящий момент нельзя однозначно объяснить, за счет чего выделяется дополнительная энергия. Существуют несколько гипотез, объясняющих процессы выделения тепла, однако ни одна из них не может полностью описать эти процессы, дать методы расчета и оптимизации конструкции тепловых установок. Научные исследования сводятся лишь к фиксации результатов работы созданных тепловых установок и интерпретации этих результатов. Ясно лишь одно, что тепловая установка работает не по циклу Карно.

На заводах-изготовителях каждый насос-теплогенератор перед отгрузкой потребителю проходит приемо-сдаточные испытания. Схема испытательного стенда показана на рис. 3, а его общий вид на фото 1.

Рис.3. Схема испытательного стенда.

Фото 1. Общий вид испытательного стенда.

 

 

 

 

 

 

 

Испытания  проводятся по следующей методике:

1.      Через воронку В1 воду массой 400 кг заливают в бак, используя мерный сосуд и товарные весы с погрешностью +0,1 кг.

2.      Циркуляционным насосом в напорном водопроводе устанавливают давление равное 0,3 МПа.

3.      По достижении температуры воды в центре ее массы 30+оС, включают секундомер и измеряют интервал времени Т, необходимый для нагрева воды в гидравлической системе испытательного стенда до температуры 80+2оС. С целью предотвращения теплового расслоения воды, за счет монтажа патрубка входной магистрали в нижней части бака, а патрубка напорной магистрали в верхней части, обеспечивается перемешивание воды в баке.

4.      При температуре воды 80+оС отключают электродвигатель и циркуляционный насос. Горячую воду из бака через дренажную трубку и воронку В2 сливают в канализацию.

Расчет тепловой мощности тепловой установки проводится по формуле:

Nту = (Gв х C х Dt) / T кДж/сек (кВт)

где:        Gв – масса воды, 400 кг;

С  - теплоемкость воды, 4,19 кДж/кг град.;

Dt  =  t 2 – t1 = 80 – 30 = 50 оС;

Т  – время нагрева воды с 30 оС до 80 оС, сек.

 

Вычисление К.П.Д. установки НТГ осуществляется расчетным путем по формуле:

КПД = Nту / Nпр

где:

Nпр – мощность, потребляемая электроприводом.

 

Проводимые заводские испытания предназначены для оценки работоспособности изготовленного оборудования, и позволяют рассчитать только КПД. Для расчета КПЭ «вихревого генератора» необходимо измерить «донагрев» теплоносителя после выключения электродвигателя.

По нашему заданию ООО «НОТЕКА-С» провела испытания теплогенератора мощностью 5,5 кВт. Результаты испытаний приведены в Таблице. 1.

№ п/п Время

(мин)

Температура (оС) Ток

(А)

Потр.энерг.

(кВт-час)

Мощность

(кВт)

Состояние

установки

1 0 15 10,15 6,28 Включена
2 2 27 10,05 0,208 6,22 Включена
3 4 35 10,00 0,207 6,19 Включена
4 6 45 9,93 0,206 6,14 Включена
5 8 53 9,80 0,203 6,06 Включена
6 10 62 9,50 0,199 5,88 Включена
7 12 72 9,23 0,193 5,71 Включена
8 14 80 8,50 0,183 5,26 Включена
9 15 84 8,20 0,086 5,07 Включена
10 16 86 0 0 0 Выкл.
11 18 87 0 0 0 Выкл.
12 20 88 0 0 0 Выкл.
13 22 90 0 0 0 Выкл.
14 24 91 0 0 0 Выкл.
15 30 92 0 0 0 Выкл.
Всего: 30 77 1,485

За время проведения эксперимента (30 мин) было выработано 1386 ккал (1,62 кВт-час), потреблено электроэнергии 1,485 кВт-час, то есть КПЭ = 1,091. В данном эксперименте необходимо обратить внимание на тот факт, что после 15 минуты установка была выключена, температура при этом была 84 оС, а на 30 минуте при неработающей установке температура достигла 92 оС. Это свидетельствует о том, что процесс выделения тепла происходит не только в самом теплогенераторе, а продолжается в системе теплоснабжения. Косвенно это подтверждается тем, что когда некоторые потребители применили на выходной магистрали пластиковые трубы, то на первых 10 метрах они разрушались.

В связи с тем, что в настоящее время нет общепринятой методики определения КПЭ «вихревых теплогенераторов», у разработчиков и потребителей оборудования могут возникнуть проблемы при сравнении теплопроизводительности разных конструкций или при подтверждении заявленного КПЭ в процессе эксплуатации. Необходимость разработки единой методики определения КПЭ становится все более актуальной. Такая работа уже начата нами совместно с другими организациями и изобретателями. За основу взята выше приведенная испытательная методика. В решении данной задачи мы готовы сотрудничать со всеми заинтересованными лицами и организациями.

Практически подтвержденная высокая эффективность насосов-теплогенераторов позволяет при укрупненном подборе мощности применять норматив 1 кВт установленной мощности электродвигателя на 30 м2 площади (на объем 90 м3), в то время как для других видов тепловых установок применяется норматив 1 кВт тепловой энергии на 10 м2 площади.

Более трехсот насосов-теплогенераторов типа «НТГ» эксплуатируются в регионах РФ, ближнем и дальнем зарубежье: в Москве и Московской области, Архангельске, Владимире, Екатеринбурге, Калининграде, Липецке, Магнитогорске, Нижнем Новгороде, Омске, Оренбурге, Орле, Самаре, Туле, Чебоксарах и других городах, в Башкирии и Якутии, в Белоруссии, Казахстане, Узбекистане, Украине, Южной Корее и Японии.

Более подробная информация о насосах-теплогенераторах («вихревых теплогенераторах»), в том числе фотографии некоторых объектов, и тепловых узлов на которых они установлены, размещена на сайте www.ecoteplo.ru.

Фактам, изложенным в статье можно верить, можно не верить, это личное дело каждого, но отменить их нельзя. А современным инквизиторам, пригревшимся в «комиссиях по лженауке» мы заявляем: «А все-таки она вертится!».

ООО «Тепловые Эффективные Системы»
С.В. Козлов.
www.ecoteplo.ru
e-mail: kim@ecoteplo.ru
Тел. (495) 984 3132;
Тел/факс: (499) 784 6810.