ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРУБКИ РАНКА-ХИЛЬША ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ

Колосовский С.В., Должикова Е.В., Пятышкин Г.Г.

Донецкий национальный технический университет

В последнее время при дефиците природного газа в качестве источников отопления и горячего водоснабжения используются теплогенераторы различной конструкции. Очень часто по названию (теплогенератор кавитационного типа, теплогенератор гидравлический, гидродинамический нагреватель, вихревая система отопления, теплогенератор струйного типа, кавитационно–роторный теплогенератор и т.д.) сложно предположить о принципе их работы.

Большинство таких устройств использует эффект вихревой трубы. Входящий поток жидкости или газа за счет своей ориентации в пространстве приобретает вращательное движение и при расширении разделяется на два потока. Первый направляется в кольцевую щель, продолжая начальное поступательное движение, а второй – возвращается, двигаясь навстречу первому в центральной области трубы, и выходит через диафрагму.

Можно предположить, что молекулы среды, имеющие большую кинетическую энергию, будут сильнее увлекаться вращающимся потоком и центробежной силой отклоняться на периферию трубы, формируя область с более высокой температурой. В центре накапливаются «медленные» молекулы среды, обеспечивая создание потока с более низкой температурой. Варьируя шириной щели, можно регулировать расходы и температуры холодного и горячего потоков.

В режиме обогрева выход холодного потока из вихревой трубы перекрывают, с надеждой о постоянстве выходной температуры горячего потока.

К достоинствам аппаратов вихревого типа можно отнести:

- простота конструкции - они не имеют ни одной движущейся части;

- совмещение в себе два устройства: холодильника и нагревателя;

- возможность выполнения вихревой трубы любой мощности и любого размера - от нескольких метров до нескольких миллиметров.

В настоящей работе авторы приводят анализ результатов экспериментальных исследований вихревого теплогенератора при обогреве им производственного помещения.

Габаритные размеры установки – 1600 х 650 х16 мм, вес – 650 кг.

Напряжение электрической сети – 380 В, мощность электродвигателя – 45 кВт.

Плотность теплоносителя составляла 1 кг/л, давление 7 - 8 атм.

Масса подогретого теплоносителя – 3400 кг.

Температура окружающего воздуха равнялась 18 °С.

Вихревая труба в установке работает с закрытым холодным выходом.

Было проведено 2 эксперимента с различными начальными температурами жидкости. Время проведения каждого опыта - 2,5 часа. Замеры температур жидкости проводились с интервалом в 30 минут.

Температуры нагревающегося теплоносителя в вихревой трубе t_н и жидкости в бойлере t_б приведены на рисунке 1.

Была рассчитана потребляемая энергия за время проведения опыта:

Q_общ = Q₁ + Q₂ + Q₃ , Дж,

где: Q₁ – количество тепла, используемое на нагрев воды;

Q₂ - количество тепла, используемое на нагрев металла конструкции;

Q₃ теплопотери системы в окружающую среду.

Рис. 1 – Значения температур теплоносителя в ходе эксперимента.

Тепло, используемое на нагрев воды, найдено по формуле:

Q₁ = m*(t₂ –t₁)*c₁ ,

где: m – масса теплоносителя, кг;

с₁ – удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг*К);

∆t = t₂ – t₁ – температура теплоносителя в начале и конце испытаний, ◦С.

Тепло, используемое на нагрев установки и трубопроводов:

Q₂ = (m₁+ m₂+m₃)*(t₂ –t₁)*c₂ ,

где: m₁,m₂,m₃ – массы электронасоса, теплогенегатора и трубопроводов;

с₂ – удельная теплоемкость стали, Дж/(кг*К).

Теплопотери в окружающую среду найдены по формуле:

Q₃ = α*∆t *F*τ,

где F – площадь неизолированной поверхности системы, м²;

α – коэффициент теплоотдачи от поверхности установки окружающей среде, Вт/(м²*К);

τ – время проведения опыта, с.

В итоге рассчитан КПД установки:

η = (Q_общ/ Q_потр)*100% = 92%.

Исследуемый нагреватель позволяет нагревать жидкость непосредственно при ее движении, что обеспечивает экологическую чистоту, исключает изменение качественного состава жидкости, появление накипи и других неблагоприятных явлений в нагреваемой жидкости.

Данная установка для получения тепла, работает от электроэнергии. Она оказалась более эффективной, чем обычная, работающая за счет использования природного газа. Несмотря на относительную дешевизну природного газа в сравнении с электричеством, расходы, связанные с его подачей и эксплуатацией газового оборудования, в ряде случаев приводят к невыгодности его использования. Поэтому в данном случае экономически целесообразным оказалось использование индивидуального источника горячего водоснабжения, построенного на базе вихревой трубы.