Кавитационные нагреватели воды

Физические основы

Кавитация – образование пара в массе воды при медленном понижении давления и большой скорости движения.

Пузырьки пара могут возникать под действием звуковой волны определённой частоты или излучением источника когерентного света.

В процессе смешивания паровых пустот с водой под давлением приводит к самопроизвольному схлопыванию пузырьков и возникновению движения воды ударной силы (про расчет гидравлического удара в трубопроводах написано ).

В таких условиях молекулы растворенных газов выделяются в образующиеся полости.

По мере прохождения процесса кавитации, температура внутри пузырьков повышается до 1200 градусов.

Это отрицательно влияет на материалы водяных емкостей, поскольку кислород при таких температурах начинает интенсивно окислять материал.

Опыты показали, что при таких условиях разрушению подвергаются даже сплавы из драгметаллов.

Сделать кавитационный генератор самостоятельно, достаточно просто. Хорошо изученная технология уже несколько лет воплощена в материалы и используется для отопления помещений.

В России, первое устройство было запатентовано в 2013 году.

Генератор представлял собой замкнутую емкость, через которую под давлением подавалась вода. Пузырька пара образовываются под действием переменного электромагнитного поля.

А что вам известно про полипропиленовые трубы для холодного и горячего водоснабжения? В полезной статье прочитайте о том, чем они отличаются, а также про преимущества одних и недостатки других.

Отзывы на моющие средства для посудомоечных машин прочитайте на этой
странице.

Принципы действия

Рабочий процесс проходит одновременно в двух фазах окружающей среды:

• жидкости,
• пара.

Нагнетающие устройства не предназначены для действий в таких условиях, что ведет к схлопыванию полостей с потерей эффективности.

Теплогенераторы смешивают фазы, вызывая термическую конверсию.

Обогреватели для бытового использования преобразуют механическую энергию в тепловую с возвратом жидкости к источнику (про бойлер косвенного нагрева с рециркуляцией прочитайте на этой странице).

А вам известно про подвесные унитазы для инвалидов? Какой купить и как смонтировать сантехнику для людей с ограниченными возможностями, прочитайте в полезной статье.

Что добавлять в стиральную машину от накипи написано .

На странице: http://ru-canalizator.com/kanalizatsiya/vygrebnaya-yama/zhiroulovitel.html описана установка жироуловителей на канализацию.

За счет этого, тепловые потери, минимальны, в пределах одного процента, поэтому потери учитывают, как погрешность преобразования энергии.

Промышленные установки работают на другом принципе.

Тепло на выходе передается жидкости в другом устройстве, мощность больше, чем механическая энергия нагревателя.

Такой подход продуктивнее, чем у возвратных приборов. Устройства не требуют постоянного контроля и настройки.

Используют несколько типов подобных теплогенераторов:

• роторный генератор Григгса.Действие устройства основано на работе центробежного насоса.В состав аппарата входят: патрубки, статор, корпус, рабочая камера.

  Изготавливается несколько моделей роторных преобразователей, но наиболее эффективной считается модель Григгса.

  ВНИМАНИЕ!
  При испытании генератора следите за показаниями манометров.

  Разница в давлении входа и выхода должна составлять 8-12 атмосфер.

  Давление регулируется специальным вентилем.

  Ротор и статор расположены так, что между ними существует зазор, благодаря которому, осуществляется нагрев жидкости.

  Движение жидкости на поверхности диска повышает температуру.

  Скорость вращения ротора может достигать 3000 об/минуту, что достаточно для нагрева жидкости до 90 градусов.

• статический генератор.
  Устройство не содержит движущихся частей.Образование и схлопывание паровых пузырьков проходит в соплах, которые подключаются к рабочей емкости.Давление создается обычным циркуляционным насосом для повышения давления воды.

  Большая скорость жидкости обеспечивается разными диаметрами на входе и выходе из сопла.

  Эффективность статических устройств ниже, чем у роторных. Они занимают значительную площадь и больше весят.

К СВЕДЕНИЮ.

За счет отсутствия движущихся механизмов статические генераторы дольше служат, не нуждаются в точной настройке, замена сопел требует минимальных затрат.

Особенности конструкции

Несмотря на простоту устройства, существуют особенности, которые необходимо учитывать при сборке:

• поступающий патрубок соединяется с насосом с помощью фланца.Насос для повышения давления воды в квартире будет отвечать за подачу жидкости с нужным напором;
• нужная скорость и давление достигаются за счет труб определенного диаметра.Вода начинает быстро двигаться в центр рабочей емкости, где происходит смешивание потоков;
• контроль скорости осуществляют с помощью специальных устройств, которые устанавливаются на обоих патрубках камеры;
• вода, через защитный клапан двигается к выходному патрубку, через который возвращается в исходную точку.Постоянное движение создает нагрев воды, тепло преобразуется в механическую энергию.

Расчеты тепла делается по следующим формулам:

Епот = — 2*Екин, где

Екин = mV2/2 – непостоянная кинетическая величина.

Сборка кавитационного генератора своими руками позволит сэкономить не только на топливе, но и на покупке серийных моделей.

Производство таких теплогенераторов налажено на территории России и за рубежом.

Устройства обладают множеством достоинств, но главный недостаток – стоимость – сводит их на нет. Средняя цена на бытовую модель составляет порядка 50-55 тысяч рублей.

Самостоятельно, собрав кавитационный теплогенератор, получаем аппарат с высоким КПД.

Для корректной работы устройства, необходимо защитить металлические части с помощью окрашивания. Детали, имеющие контакт с жидкостью, лучше делать толстостенными, что увеличит срок службы.

В предлагаемом видео посмотрите наглядный пример работы самодельного кавитационного теплогененратора.

Подписывайтесь на обновления по E-Mail:

Строение нагревателя и принцип работы

Кавитационное отопление характеризуется образованием пузырьков из пара в рабочей жидкости. В результате такого действия давление постепенно снижается благодаря высокой скорости потока. Следует отметить, что необходимое парообразование задается специальным излучением лазерных импульсов либо акустикой, заданной определенными звуками. Воздушные области закрытого типа смешиваются с водяной массой, после чего поступают в зону большого давления, где вскрываются и излучают ожидаемую ударную волну.

Оборудование кавитационного типа отличается способом функционирования. Схематично оно выглядит так:

1. Водяной поток перемещается по кавитатору, в котором с помощью циркуляционного насоса обеспечивается рабочее давление, поступающее в рабочую емкость.
2. Далее в таких емкостях повышается скорость, соответственно, и давление жидкости посредством установленных по чертежам трубок.
3. Потоки, достигая центральной части камеры, перемешиваются, в результате чего и образуется кавитация.
4. В результате описанного процесса пузырьки пара не увеличиваются в размерах, отсутствует их взаимодействие с электродами.
5. После этого вода перемещается в противоположную часть емкости и возвращается для совершения нового круга.
6. Нагревание обеспечивается передвижением и расширением жидкости в месте выхода из сопла.

Из работы вихревой установки видно, что ее конструкция незамысловата и проста, но при этом обеспечивает быстрый и выгодный обогрев помещения.

Типы обогревателей

Кавитационный котел отопления относится к одному из распространенных типов обогревателей. Наиболее востребованные из них:

1. Роторные установки, среди которых особого внимания заслуживает устройство Григгса. Суть его действия основана на центробежном насосе роторного действия. Внешне описываемая конструкция напоминает диск с несколькими отверстиями. Каждая такая ниша называется ячейкой Григгса, их количество и функциональные параметры взаимозависимы с частотой вращения привода, типом применяемой генераторной установки. Рабочая жидкость подогревается в пространстве между ротором и статором из-за быстрого перемещения по дисковой поверхности.
2. Статические обогреватели. Котлы лишены каких-либо передвигающихся деталей, кавитация в них обеспечивается за счет специальных элементов Лаваля. Установленный в отопительную систему насос задает необходимое давление воды, которая начинает быстро передвигаться и подогреваться. За счет узких отверстий в соплах жидкость перемещается в ускоренном режиме. Из-за ее быстрого расширения достигается необходимая для обогрева кавитация.

 

Выбор того или иного нагревателя зависит от потребностей человека. Следует учитывать, что роторный кавитатор более производителен, к тому же он отличается меньшими размерами.

Особенность статического агрегата заключается в отсутствии вращающихся деталей, чем и обуславливается его продолжительный эксплуатационный срок. Длительность работы без технического обслуживания достигает 5 лет. Если же сломается сопло, его без труда можно заменить, что стоит гораздо дешевле в сравнении с приобретением нового рабочего элемента в роторную установку.

Самостоятельное изготовление оборудования

Создать кавитатор своими руками вполне реально, но предварительно стоит ознакомиться со схематическими особенностями, точными чертежами агрегата, понять и подробно изучить принцип, по которому он действует. Наиболее простой моделью принято считать ВТГ Потапова с показателем КПД в 93%. Схематически теплогенератор довольно прост, будет уместен в быту и промышленном применении.

Приступая к сборке агрегата, необходимо подобрать в систему насос, который должен полностью соответствовать требованиям мощности, необходимой тепловой энергии. В большинстве своем описываемые генераторы по форме напоминают сопло, такие модели самые удобные и простые для домашнего применения.

Создание кавитатора невозможно без предварительной подготовки определенных инструментов и приспособлений. К ним относятся:

• патрубки входного и выходного типа, оснащенные краниками;
• манометры, измеряющие давление;
• термометр, без которого невозможно произвести замер температуры;
• гильзы, которыми дополняются термометры;
• вентили, с помощью которых из всей отопительной системы устраняются воздушные пробки.

Специалисты рекомендуют следить за диаметральным показателем сечения отверстия, которое присутствует между конфузором и диффузором. Оптимальные пределы варьируются от 8 до 15 единиц, выход за эти рамки нежелателен.

Последовательность конструирования кавитационного теплогенератора своими руками представлена следующими действиями:

1. Выбор насоса, который предназначен для эксплуатации с жидкостями высоких температур. В противном случае он быстро выйдет из строя. К такому элементу предъявляется обязательное требование: создание давления от 4 атмосфер.
2. Выполнение емкости для кавитации. Главным условием выступает подбор необходимого по сечению проходного канала.
3. Выбор сопла с учетом особенностей конфигурации. Такая деталь может быть цилиндрического, конусообразного, округлого типа. Важно, чтобы на входе воды в емкость развивался вихревой процесс.
4. Подготовка внешнего контура — немаловажная процедура. Он представляет собой изогнутую трубку, которая отходит от кавитационной камеры. Далее она соединяется с двумя гильзами от термометра и двумя манометрами, а также с воздушным вентилем, помещенным в пространство между выходом и входом.

Когда закончена работа с корпусом, следует поэкспериментировать с обогревателем. Процедура заключается в подведении насосной установки к электросети, при этом радиаторы подключаются с обогревательной системой. Следующий шаг — включение сети.

Должен осуществляться строгий контроль показателей манометров. Разница между цифрами на входе и выходе должна колебаться в пределах 8-12 атмосфер.

Если конструкция работает исправно, в нее подается необходимое количество воды. Хороший показатель — подогрев жидкости на 3-5 градусов за 10-15 минут.

Нагреватель кавитационного типа представляет собой выгодную установку, за короткое время обогревает здание, к тому же максимально экономичен. При желании он легко конструируется в домашних условиях, для чего понадобятся доступные и недорогие приспособления.

Роторный вихревой теплогенератор

Схема вихревого теплогенератора.

Данная гидродинамическая конструкция являет собой несколько измененный центробежный насос. Говоря другими словами, имеется корпус насоса (в данном случае он является статором) с выходным и входным патрубками и рабочей камерой. Внутри корпуса находится ротор, который выполняет роль рабочего колеса. Основное отличие от обыкновенного насоса заключается в роторе. Известно большое количество конструктивных роторных исполнений вихревых теплонегераторов, все описывать не имеет смысла. Наиболее простой из них является диском. На его цилиндрической поверхности просверлено немалое количество глухих отверстий определенного диаметра и глубины. Данные отверстия называются ячейками Григгса (американский изобретатель, который первым испытал данную конструкцию). Размеры и количество этих ячеек должны определяться исходя из размеров роторного диска и частоты вращения электрического двигателя, который приводит его во вращение.

Статор (корпус теплогенератора) в большинстве случаев выполняется в виде полого цилиндра, то есть трубы, которая заглушена фланцами с обеих сторон. Зазор между внутренней стеной статора и ротором при этом весьма мал и составляет приблизительно 1-1,5 мм.

В зазоре между статором и ротором будет происходить нагрев воды. Ему способствует трение жидкости о поверхности ротора и статора, при быстро вращении первого. Большое значение для нагрева воды имеют и кавитационные процессы, завихрения воды в роторных ячейках. Скорость вращения ротора в большинстве случаев составляет 3000 об/мин, в случае если его диаметр равен 300 мм. С уменьшением диаметра ротора частота вращения должна увеличиваться.

Схема принципа работы воздушного отопления теплогенератора.

При всей простоте данная конструкция нуждается в большой точности изготовления. Помимо того, понадобится балансировка ротора. Необходимо будет решить и вопрос уплотнения вала ротора. Следует знать, что уплотнительные элементы нуждаются в регулярной замене.

Из того, что было сказано выше, следует, что ресурс данных установок не очень большой. Стоит заметить, что работа роторных теплогенераторов создает повышенный шум. В сравнении с конструкциями статического типа они обладают на 20-30% большей производительностью. Устройства роторного типа могут даже вырабатывать пар.

Статический кавитационный теплогенератор

Данный тип теплогенератора лишь условно называется статическим. Это обусловливается отсутствием вращающихся частей в кавитаторной вихревой конструкции. Для того чтобы создавать кавитационные процессы, используются различные виды сопел.

Чтобы возникла кавитация, понадобится обеспечить большую скорость движения в кавитаторе жидкости. Для этого следует использовать обыкновенный центробежный насос. Насос будет нагнетать давление жидкости перед соплом. Она устремится в отверстие сопла, которое имеет гораздо меньшее сечение, чем подводящий трубопровод. Это обеспечивает большую скорость на выходе из сопла. При помощи резкого расширения жидкости возникает кавитация. Этому будет способствовать и трение жидкости о поверхность канала и завихрения воды, которые возникают в случае резкого выравнивания струи из сопла. Вода нагревается по тем же причинам, что и в роторной вихревой конструкции, однако с несколько меньшей эффективностью.

Схема принципа работы стационарного теплогенератора.

Устройство статического теплогенератора не нуждается в высокой точности изготовления деталей. При изготовлении данных деталей механическая обработка сводится к минимуму по сравнению с роторной конструкцией. В связи с отсутствием вращающихся частей может легко решиться вопрос уплотнения деталей и сопрягаемых узлов. Балансировка здесь тоже не нужна. Период службы кавитатора гораздо больше. Даже в случае выработки ресурса соплом изготовление и замена его потребует гораздо меньшие материальные затраты. В данном случае роторный кавитационный теплогенератор понадобится изготавливать заново.

Недостатком статического устройства является стоимость насоса. Однако себестоимость выполнения теплогенератора данного устройства практически не отличается от роторной вихревой конструкции. В случае если же вспомнить о ресурсе обеих установок, данный недостаток превратится в преимущество, потому как в случае замены кавитатора не нужно менять насос.

Следовательно, есть смысл задуматься над тем, чтобы сделать статический вихревой теплогенератор.

Изготовление теплогенератора своими руками

Выбор насоса для устройства

Схема котла на отработке своими руками.

Начинать следует с выбора насоса для изготавливаемого устройства. Для этого понадобится определиться с его рабочими параметрами. Не имеет принципиального значения, будет это циркуляционный насос либо повышающий давление. Значение имеет производительность насоса, рабочее давление, максимальная температура перекачиваемой жидкости.

Не все конструкции могут использоваться для перекачивания жидкости высоких температур. В случае если не придать значения данному параметру в процессе выбора насоса, срок его эксплуатации может оказаться значительно меньшим чем тот, который заявлен производителем.

От величины напора, который может развивать насос, зависит эффективность работы теплогенератора. Чем больше напор, тем большим будет перепад давления. Следовательно, эффективнее будет происходить нагрев жидкости, которая прокачивается через кавитатор. Однако вовсе не стоит гнаться за максимальными цифрами в характеристиках насосов.

Производительность насоса фактически не оказывает влияния на эффективность нагрева воды.

Мощность насоса теплогенератора определяет коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую.

Изготовление и разработка кавитатора

Схема устройства стационарного теплогенератора.

Существует большое количество конструкций статических кавитаторов, однако практически во всех случаях они выполняются в виде сопла. За основу чаще всего берется сопло и модифицируется конструктором. Классическая конструкция изображена на рисунке (ИЗОБРАЖЕНИЕ 1).

Первое, на что необходимо обратить внимание — сечение канала между конфузором и диффузором. Не следует сильно зауживать его сечение, стараясь тем самым обеспечить максимальный перепад давления. Объем воды, которая перекачивается через сопло, будет слишком мал. При смешении с холодной водой, она передаст ей недостаточное количество теплоты. Значит, общий объем воды не сможет нагреваться быстро. Помимо того, малое сечение канала поспособствует завоздушиванию воды, которая поступает во входной патрубок рабочего насоса. Вследствие данный насос будет работать шумно, и может возникать кавитация в самом устройстве.

Наилучшие показатели могут быть достигнуты при диаметре канального отверстия 10-15 мм.

Изготовление гидродинамического контура

Для изготовления гидродинамического контура предварительно необходимо изобразить схему контура. (ИЗОБРАЖЕНИЕ 2) На схеме можно увидеть:

• манометр на выходе из сопла (измерение давления на выходе);
• термометр (измерение температуры на входе в систему);
• кран для сброса воздуха (удаление из системы воздушной пробки);
• выходной патрубок с краном;
• гильза для термометра;
• входной патрубок с краном;
• гильза для термометра на входе;
• манометр на входе в сопло (измерение давления на входе в систему).

Схема обогревателя на отработанном масле.

Устройство контура представляет собой трубопровод, вход которого соединен с выходным патрубком насоса, а выход — с входным. В трубопровод нужно вварить сопло, патрубки для подключения манометра, гильзы для установки термометра, штуцер под вентиль, для того чтобы сбрасывать воздух, штуцер для подключения контура отопления.

На данной схеме вода будет двигаться против часовой стрелки. Подача в контур воды осуществляется через нижний патрубок, а выдача из него воды — через верхний. Регулирование перепада давления будет осуществляться вентилем, который находится между выходным и входным патрубками.

Процесс испытания теплогенератора

Схема дизельного теплогенератора.

После того как вихревой теплогенератор, который сделан своими руками, будет подключен, есть возможность приступить к испытаниям его. Необходимо запустить электрический двигатель насоса и наблюдать за показаниями манометров. В процессе устанавливается необходимый перепад давления. Для этой цели в контуре предусматривается вентиль, который находится между выходным и входным патрубками. Следует повернуть рукоятку вентиля и установить давление после сопла в трубопроводе в диапазоне 1,2-1,5 атм. Между выходом насоса и входом сопла оптимальным давлением является диапазон 8-12 атм.

Когда давление на выходе из сопла будет установлено, следует пустить по кругу воду (закрывая выходной вентиль) и засечь время. В процессе движения по контуру воды необходимо зафиксировать рост температуры (приблизительно он будет равен 4°С в минуту). Следовательно, через 10 минут будет возможность нагреть воду ориентировочно с 21°С до 60°С.

Потребляемая электроэнергия может быть вычислена путем измерения тока. Исходя из подобных данных, есть возможность вычислить коэффициент преобразования энергии.

КПЭ = (С * m * (Тк — Тн)) / (3600000 * (Qк — Qн)), где С — удельная тепловая емкость воды (4200 Дж/(кг*К), m — масса нагреваемой воды (кг), Тн — начальная температура воды (294 °К), Тк — конечная температура воды (333°К), Qн — начальные показания электросчетчика (0 кВт*ч), Qк — конечные показания электросчетчика (0,5 кВт*ч).

Данные следует подставить в формулу и получить: КПЭ = (4200 * 15 * (333 — 294)) / (3600000 * (0,5 — 0)) = 1,365

Потребляя 5 кВт*ч электроэнергии, вихревой теплогенератор будет производить в 1,365 раз больше тепловой энергии (6,825 кВт*ч). Соответственно, есть смысл утверждать о состоятельности данной идеи создания теплогенератора. В данной формуле не учитывался КПД двигателя, в связи с чем реальный коэффициент трансформации может быть еще выше.

При расчете тепловой мощности нужно исходить из упрощенной формулы. Согласно ей понадобится ориентировочно 1 кВт тепловой мощности на каждые 10 кв.м. То есть, для 100 кв.м. понадобится мощность 10 кВт.