Козлов Сергей Владимирович : другие произведения.

Метод теплотехнических испытаний тепловых гидродинамических насосов

Самиздат: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь|Техвопросы]
Ссылки:
Школа кожевенного мастерства: сумки, ремни своими руками
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Рассматриваются особенности теплотехнических испытаний тепловых гидродинамических насосов

Методы теплотехнических испытаний тепловых гидродинамических насосов.

  
   Прежде, чем вести любую дискуссию, необходимо согласовать терминологию, так как каждый из участников дискуссии может понимать под одним и тем же термином совершенно разные по смыслу явления. В рамках тематики, рассматриваемой в данной статье, наиболее широко трактуются два термина: КПД - коэффициент полезного действия и КПЭ - коэффициент преобразования энергии. Необходимо особо подчеркнуть, что в зависимости от области применения в эти понятия вкладывают различный смысл, и эту сложившуюся практику никто не может ни отменить, ни запретить.
   Термин КПД практически все помнят по школьному учебнику физики, где было сказано, что при работе по прямому термодинамическому циклу Карно получается максимально возможный КПД, причем он не может быть больше единицы. Но большинство уже не помнят, что для обратного цикла С. Карно ввел термин КПЭ, значение которого уже по определению выше единицы.
   С развитием техники появилась необходимость сравнения характеристик разных по конструкции, но одинаковых по назначению устройств. Поэтому термины КПД и КПЭ получили более широкое распространение (не только для устройств, работающих по циклу Карно), их смысл значительно изменился по сравнению с тем, который вкладывал в эти определения С. Карно. Например, для КПД котельной используется не менее 6 определений:
   1. КПД горения - количество энергии топлива, которое освобождается при сжигании (примерно 93-95%);
   2. КПД котельной - количество энергии топлива, которое полезно используется, т.е. преобразовывается в другую энергонесущую среду (на 10-15% ниже, чем КПД горения);
   3. КПД топочной техники - показывает, как эффективно происходит горение и прием тепла в котельной (КПД топочной техники и КПД котельной примерно одинаков);
   4. КПД установки - определяется отношение между общим объемом полезной энергии и общим количеством энергии КПД установки. В общее количество энергии входит также "вспомогательная энергия", например: электрическая энергия необходимая для работы насосов котельной, вентиляции, дымоходов и т.д. Таким образом, он будет ниже на 1-5%, чем КПД котельной.
   5. КПД системы - расширяет границы системы до:
   - производства тепла с потерями;
   - распределения тепла с потерями в теплотрассах и т.д.;
   - использования тепла.
   6. КПД годовой - в принципе соответствует КПД котельной, но тогда рассчитывается среднее КПД котельной в течение всего года. В КПД в год входят также периоды с плохим уровнем горения, например, при запуске котельной и т.д.
   С развитием технологий возникли парадоксальные ситуации, когда КПД > 1. Например, в соответствии с ГОСТ 21563-93, конденсаторные котлы имеют КПД=108-109% [1].
   В тепловых гидродинамических насосах ("вихревых теплогенераторах") электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения, а затем - в тепловую энергию нагрева жидкого теплоносителя (воды). Хотя в некоторых публикациях [2] и встречаются случаи использования термина КПД применительно к "вихревым теплогенераторам", нам это представляется принципиально не правильным. Несмотря на то, что с водой мы сталкиваемся ежесекундно, она остается малоизученной и таит в себе массу загадок. Например, вода может иметь различную структуру и изменять ее под внешними воздействиями, даже под воздействием человеческой речи, имеет "память" и т.д. Лед имеет около семидесяти агрегатных состояний, а количество состояний воды может достигать двух тысяч. Что происходит с водой в активаторе теплового гидродинамического насоса, как она изменяется, до настоящего времени точно не выяснено, нет подтвержденной практикой теоретической модели процесса нагрева [3, 4]. На основе практического опыта можно утверждать, что из активатора выходит не вода, а водо-газо-вакуумная смесь. Причем, так как система гидравлически закрытая, и "подсоса" воздуха из внешней среды нет, газовые и вакуумные пузырьки являются продуктом воздействия центробежных сил на поток теплоносителя. Накопленные фактические данные позволяет выдвинуть гипотезу о том, что тепловые гидродинамические насосы являются "энергетически открытыми" устройствами, то есть они извлекают энергию извне. Проходя по системе теплоснабжения, вода возвращается в исходное состояние за счет воздействия сил: гравитационных, межмолекулярного взаимодействия или других, пока еще не известных нам.
   В пользу гипотезы об "энергетической открытости" свидетельствуют следующие факты:
   - Процесс тепловыделения не заканчивается в активаторе, а продолжается в трубопроводе системы теплоснабжения. Во время экспериментов было зафиксировано, что температура теплоносителя повышается по мере удаления от выходного патрубка активатора. Если процесс "релаксации" воды в системе полностью не завершался то, начиная с момента входа не "релаксированной" смеси в активатор, происходило резкое снижение градиента нагрева.
   - После отключения электроэнергии в течение еще некоторого времени температура теплоносителя повышается [5]. Время и величина "донагрева" теплоносителя зависит от нескольких факторов: мощности устройства, объема теплоносителя в системе, температуры теплоносителя в момент выключения устройства и т.д. Можно с уверенностью утверждать, что этот "донагрев" связан не с инерционностью термометров, а вызван продолжением процесса тепловыделения.
   В связи с этим возникают большие технические и методологические сложности в определении теплопроизводительности тепловых гидродинамических насосов.
   Необходимо уяснить, что существуют два принципиально отличных друг от друга подхода к испытаниям тепловых гидродинамических насосов ("вихревых теплогенераторов"):
   - подтверждение работоспособности конкретного изделия;
   - расчет номинальной (паспортной) теплопроизводительности для конкретного типа конструкции.
   В зависимости от поставленной задачи методика измерений и состав оборудования испытательного стенда будут разными. Если методика подтверждения работоспособности достаточно проста и отработана, то в настоящее время нет общепринятой методики испытаний для расчета номинальной (паспортной) теплопроизводительности конкретного типа конструкции.
   Наиболее просто работоспособность теплового гидродинамического насоса можно проверить следующим образом: при рекомендованном объеме прокачки, указанном в таблице 1, где под мощностью установки понимается установленная мощность электродвигателя, измеряются температуры на входном и выходном патрубках активатора.

Таблица 1.

   Установленная мощность "ТС1", кВт

55

75

90

110

   Рекомендованный средний объем прокачки, м3/час

3,0

4,0

5,0

6,0

  
   В зависимости от температуры теплоносителя на входном патрубке, за один проход через активатор теплоноситель должен нагреваться на 14 - 24оС. При этом, чем ниже температура теплоносителя на входе в активатор, тем меньше градиент нагрева. Если измеренный градиент находится в заданном диапазоне температур, то тепловой гидродинамический насос признается годным к эксплуатации.
   Большое влияние на процесс тепловыделения оказывает система теплоснабжения: гидросопротивление на выходной магистрали, скорость прокачки, объем теплоносителя в системе, протяженность и разветвленность трубопроводов и т.д. Поэтому неправильно спроектированная схема системы теплоснабжения и неверно подобранные режимы могут не только уменьшить теплопроизводительность "вихревого теплогенератора", но и полностью сорвать процесс тепловыделения.
   Например, при испытаниях в октябре 2007 г. в Технологическом университете города Лаппеенранта (Финляндия), при установленной мощности электродвигателя в 7,5 кВт, он потреблял 11,0 кВт-час электроэнергии. Соответственно его расчетная теплопроизводительность была низкой. В результате анализа ситуации выяснилось, что с целью уменьшения объема прокачки и тем самым увеличения градиента нагрева, задвижка на выходной магистрали была практически закрыта. После открытия задвижки электропотребление уменьшилось до 6,8 кВт-час без существенного снижения градиента нагрева.
   Слишком большой объема прокачки (в 3-5 раз больше рекомендуемого) приводит к тому, что процесс тепловыделения "срывается", градиент нагрева резко снижается.
   Большой объем теплоносителя в системе также снижает теплопроизводительность системы. На предприятии в г. Орле после уменьшения количества радиаторов, а следовательно и объема воды, температура в помещениях повысилась. На практике для ТС1-055 оптимальный объем воды в системе 0,5 - 1,0 куб. м. При таком объеме теплоноситель может за час совершить 3-6 проходов через активатор.
   Выделяющийся из воды в процессе работы кислород снижает тепловыделение и повышает рабочее давление в системе, поэтому его необходимо постоянно "стравливать" из системы и, кроме этого, подпитка системы "свежей" водой должна быть минимальной.
   При возникновении проблем в системе теплоснабжения методика замера градиента нагрева позволяет быстро и с минимальными затратами убедиться в работоспособности установки.
   На заводе-изготовителе работоспособность каждого серийного теплового гидродинамического насоса типа "ТС1" (ТУ 3631-001-78515751-2007, Сертификат соответствия N РОСС RU.АЯ46.В57997) определяется по следующей методике:
      -- Через воронку В1 воду массой 400 кг заливают в бак, используя мерный сосуд и товарные весы с погрешностью + 0,1 кг.
      -- Циркуляционным насосом в напорном водопроводе устанавливают давление равное 0,3 МПа.
      -- По достижении температуры воды в центре ее массы 30 + 2оС, 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.
      -- При температуре воды 80 + 2оС отключают электродвигатель и циркуляционный насос. Горячую воду из бака через дренажную трубку и воронку В2 сливают в канализацию.
   Схема испытательного стенда показана на рис. 1, а его общий вид на фото 1.
  

Рис.1. Схема испытательного стенда.

   Фото 1. Общий вид испытательного стенда.
  
   На другом серийном заводе при проведении приемо-сдаточных испытаний вода массой 1000 кг, нагревается от фактической температуры заправки 10 - 17оС до 80 + 2оС, при этом замеряется время нагрева. В среднем, время нагрева 1000 кг. воды составляет для: ТС1-055 - 80-90 минут; ТС1-075 - 55-60 минут, ТС1-090 - 45-55 минут.
   Для подтверждения работоспособности конкретного изделия таких испытаний вполне достаточно. Однако конструкция заводского стенда и приведенная выше методика испытаний не позволяют провести расчет теплопроизводительности, для этого нужен специальный аттестованный испытательный стенд и другая методика.
   Методика испытаний для расчета номинальной (паспортной) теплопроизводительности конкретного типа конструкции должна учитывать следующие принципиальные моменты:
      -- При запуске теплового гидродинамического насоса электродвигателю требуется повышенная мощность на начальную раскрутку вала, имеющего большой момент инерции, и преодоление вязкости не разогретого теплоносителя в активаторе. После выхода тепловой установки на рабочий режим, потребляемая мощность падает на 6-10%. Поэтому измерение параметров должно проводиться на установившемся режиме работы.
      -- Если для подтверждения работоспособности температура подаваемого в активатор теплоносителя не существенна, то при испытаниях, предназначенных для расчета номинальной (паспортной) теплопроизводительности, температура воды должна находиться в диапазоне 60 + 10 оС. Это обусловлено следующими причинами:
   - это реальный диапазон эксплуатационных температур внутриобъектовой системы отопления;
   - как показала практика, на нагрев воды в разных диапазонах температур требуется разное количество энергии. Наиболее энергозатратен нагрев воды до +20 оС, при температуре воды +63 оС энергозатраты на нагрев минимальны.
   Поэтому все испытания, проведенные в диапазоне относительно низких температур нагрева воды, заведомо дадут заниженные результаты теплопроизводительности.
      -- Учет вырабатываемой энергии должен производиться не до момента отключения электроэнергии, а до момента достижения теплоносителем максимальной температуры.
      -- При расчете теплопроизводительности необходимо учитывать теплопотери стенда в процессе проведения испытаний. Для учета этих теплопотерь профессор, Д.Т.Н. Никитский В.П. предложил свою оригинальную методику, которая в ближайшее время будет опубликована.
      -- Наличие в системе водо-газо-вакуумной смеси со значительно меньшей плотностью, чем у воды приводит к тому, что водяные расходомеры не в состоянии измерить реальный расход теплоносителя. Поэтому:
   - расходомеры должны устанавливаться непосредственно перед входным патрубком активатора, а перед расходомерами должен быть смонтирован "успокоитель", обеспечивающий полную "релаксацию" теплоносителя;
   - необходимо устанавливать рядом друг с другом несколько расходомеров, использующих разные методы измерения и сравнивать их показания;
   - показания расходомеров использовать только как справочную информацию.
   В зависимости от поставленной задачи, при одних и тех же фактических данных, полученных в ходе эксперимента, можно путем не сложных манипуляций сделать диаметрально противоположные выводы. Поэтому противники "вихревых теплогенераторов" умышленно проводят испытания при условиях значительно худших, чем оптимальные, не принимают в расчет дополнительные факторы, такие как "донагрев" и теплопотери стенда, а когда все равно получают хороший результат, то не признают его [9,10].
   Наша фирма шесть лет занимается разработкой, производством и доводкой тепловых установок на основе "вихревых теплогенераторов". Более четырехсот установок "ТС1" эксплуатируются в регионах РФ, ближнем и дальнем зарубежье: в Москве и Московской области, в Архангельске, Выборге, Екатеринбурге, Калининграде, Липецке, Магнитогорске, Нижнем Новгороде, Омске, Оренбурге, Орле, Орске, Самаре, Санкт-Петербурге, Тольятти, Туле, Чебоксарах, Череповце и др. городах, в Башкирии и Якутии, в Белоруссии, Казахстане, Узбекистане, Украине, Южной Корее и Японии. Общий вид типового теплового пункта показан на фото 2.
   Практиков мало интересуют академические споры по поводу значений КПД и КПЭ. Их больше интересует, какую экономию даст переход на теплоснабжение с помощью тепловых гидродинамических насосов. Сравнение расходов на теплоснабжение, проведенные нами на основе шестилетнего опыта эксплуатации, показывают, что при использовании тепловых гидродинамических насосов они ниже, чем при использовании ТЭНовых и электродных котлов в 3-5 раз, дизельных в 8-10 раз, централизованного отопления в 3-5 раз.

Фото 2. Общий вид типового теплового пункта.

Фото 3. Общий вид БМТП-55.

  
   При укрупненном подборе мощности тепловых установок, применяемых для отопления, СНиПами задается норматив - 1 кВт, подаваемой тепловой энергии, на 10 кв. м. обогреваемой площади. При подборе мощности теплового гидродинамического насоса "ТС1" этот норматив - 1 кВт установленной мощности электродвигателя насоса на 30 кв. м. обогреваемой площади. При выходе на номинальный режим работы потребляемая электрическая мощность электродвигателя снижается на 10-15%. Исходя из укрупненного норматива, тепловые установки должны обогревать условные типовые (соответствующие требованиям СНиП) жилые, бытовые, культурно-развлекательные помещения, помещения производственно-хозяйственного назначения и т.д., объемом: ТС1-055 - 5180 куб.м, ТС1-075 - 7060 куб.м, ТС1-090 - 8450 куб.м, ТС1-110 - 10200 куб.м. (в маркировке указывается мощность электродвигателя).
   В обогреваемых помещениях может поддерживаться любой температурный режим. Например, для жилых помещений - 20 - 22 оС, производственных - 15 - 18 оС, складских - 8 - 12 оС. Регулирование температурного режима производится заданием температурного диапазона теплоносителя. При нагреве теплоносителя до заданной максимальной температуры, тепловая установка отключается, при охлаждении теплоносителя до минимальной заданной температуры - включается. Тепловая установка вырабатывает ровно столько тепловой энергии, сколько составляют теплопотери обогреваемого объекта. В зимнее время установка работает больше, в осенне-весенний период - меньше. В среднем за отопительный сезон, тепловая установка работает 25-30% времени. Поэтому при укрупненных расчетах финансовых затрат на отопление нами применяется коэффициент Краб. = 0,3.
   Автоматика тепловых установок позволяет в течение минуты произвести перенастройку температурного режима. Вечером дежурный может снизить температуру в помещениях, а перед началом рабочего дня вновь задать в помещениях комфортную температуру. Это дополнительно позволяет снизить затраты на отопление.
   При укрупненном подборе расчет ведется по минимально возможной температуре. Так как средняя климатическая температура за отопительный сезон выше, реально 1 кВт обогревает значительно больший объем. Некоторые фактические данные приведены в табл. 2.

Таблица 2.

   С экономической точки зрения тепловые гидродинамические насосы типа "ТС" целесообразно использовать и на этапе строительства. Чтобы обеспечить строительную площадку теплом с самого начала строительства, разработаны мобильные блочно-модульные тепловые пункты (БМТП).
   Общий вид пилотного образца БМТП-55, предназначенного в данном конкретном случае для воздушного обогрева буровых вышек, показан на фото 2. В БМТП-55 смонтированы тепловой гидродинамический насос ТС1-055, с установленной электрической мощностью электродвигателя 55 кВт, нагревающий жидкий теплоноситель, и воздушно-отопительный агрегат на базе калорифера КСк, снимающий тепло. Объем теплоносителя в системе 70 литров. Наружный воздух при проходе через калорифер нагревается до температуры +70 оС и нагнетается в обогреваемые помещения.
   Первоначально, в соответствии с требованиями ТЗ заказчика, в БМТП-55 был смонтирован воздушно-отопительный агрегат АО2-10, с производительностью по теплу 116 кВт, то есть с теплосъемом в 2.1 раза больше, чем установленная электрическая мощность ТС1-055. При испытаниях жидкий теплоноситель за 5 минут нагревался до максимальной температуры + 95 оС, после чего происходило автоматическое отключение ТС1-055. За последующие 5 минут, АО2-10 снимал выработанное тепло, понижая температуру жидкого теплоносителя до +70 оС, ТС1-055 включался. Через 5 минут процесс повторялся. Такая частота включения - выключения мощного электродвигателя не допускается, поэтому было принято решение о замене АО2-10 на более мощный агрегат АО2-20, с производительностью по теплу 220,4 кВт., что в четыре раза больше установленной мощности электродвигателя теплового гидродинамического насоса. В процессе приемо-сдаточных испытаний, при температуре окружающей среды - 2 оС, установка проработала 17 минут из холодного состояния до выключения. При повторных пусках нагрев до максимальной температуры происходил за 13 минут, что свидетельствует о неполном съеме тепловой мощности. В настоящее время наша компания проводит натурные испытания пилотного образца мобильного БМТП-55 для обогрева нефтяных буровых вышек. Работы по совершенствованию БМТП продолжаются, однако уже имеющийся опыт показывает его высокую эффективность.
   Практика - критерий истины. А практика показывает, что тепловые гидродинамические насосы имеют хорошие перспективы развития. Поэтому задачи, не решенные сегодня, обязательно будут решены завтра.
   Литература.
      -- С.В. Козлов. "Может ли КПД "вихревого теплогенератора" быть больше единицы?"
   - "Энерго Info", N 4, апрель 2007 г, стр. 86-88.;
   - "Энергетика Сибири", N 2 (13) апрель, 2007 г., стр.11-15.
      -- С. Кашницкий "Нас согреет вакуум". "Аргументы и Факты", N 8 (1321), 2006 г., стр. 49.
      -- С.В. Козлов. "Наукой не доказано". "Коммунальный комплекс России", N 7 (25), июль 2006 г., стр. 70-73.
      -- С.В. Козлов. "Для тех, кто хочет знать, что такое "вихревой теплогенератор". "Энергетика Сибири", N 3(8), июнь 2006 г., стр. 32-34. 
      -- С.В. Козлов. Проблемы выбора современной системы теплоснабжения. "Энергетика Татарстана", N 2(6) 2007 г., стр. 38-46.
      -- С.В. Козлов. О необходимости сертификации "вихревых теплогенераторов". "Стандарты и качество", N 5, май 2007 г., стр. 55.
      -- С.В. Козлов. Инновационные технологии отопления - тепловые гидродинамические насосы. "ТехноМир", N 3 (33), 207 г., стр. 24-26.
      -- С.В. Козлов. Основные принципы выбора системы теплоснабжения. "Коммунальщик", N 3 март,  2007 г., стр. 54-60.
      -- А.А. Халатов. Результаты испытаний вихревого теплогенератора ТПМ 5,5-1. "Новости теплоснабжения" N8 (84) 2007 г., стр. 18-23.
      -- С.В. Кузнецов, редакция журнала "Новости теплоснабжения". О сверхэффективности вихревых теплогенераторов и не только. "Новости теплоснабжения" N 8 (84) 2007 г., стр. 23-25.
 Ваша оценка:
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
О.Болдырева "Крадуш. Чужие души" М.Николаев "Вторжение на Землю"

Как попасть в этoт список

Кожевенное мастерство | Сайт "Художники" | Доска об'явлений "Книги"