Вихревой теплогенератор: подробные схемы и принцип работы

Самодельный термогенератор с нагревом с помощью пара

Этим вопросом я задался, когда готовился пойти в поход на байдарках на две недели. Электроэнергия требовалась, прежде всего, для восполнения заряда аккумуляторов в фотоаппаратах, а также аккумуляторов в фонарях.

Дамы и Господа, знакома ли Вам такая замечательная вещь, как термоэлектрические модули Пельтье? Это достаточно распространенные в наше время устройства, широко используемые любителями компьютерного «разгона» для экстремального охлаждения деталей своих компьютеров.

Суть идеи заключается в том, что это по форме плоский полупроводниковый прибор, имеющий два провода «+» и «-«, а также две поверхности – «горячую» и «холодную». Если пропускать через него постоянный ток, то «холодная» сторона будет охлаждаться, а «горячая» нагреваться – прибор работает как тепловой насос. По паспорту, разность температур может достигать 60 градусов. Это значит, что например, если «горячую» сторону охлаждать до температуры 20 градусов (комнатная температура), то «холодная» сторона остынет до минус 40 градусов. Если поменять местами «+» и «-«, «горячая» и «холодная» стороны также меняются местами и тепловой поток меняет направление.


Но оказывается, у этих модулей имеется еще одна интересная особенность: если приложить к ним разность температур, то они начинают давать электрический ток! Именно на этом эффекте и предполагалось создать портативный источник электроэнергии для похода.

Так как в походе обязательно есть костер и кипящая вода, предполагалось в качестве «горячего» источника тепла использовать пар, а в качестве «холодного» – холодную воду.

Итак, пар по трубкам (в одну входит, из другой выходит)


попадает в специальный теплообменник, изготовленный из алюминиевой пластины толщиной 10мм


Все отверстия в этом теплообменнике соединяются только одним каналом, а в сборе с трубками, которые ввернуты и вклеены в него с помощью эпоксидного компаунда, это выглядит так:


Теплообменник имеет размеры в точности по размеру модулей Пельтье. Модули прижимаются к теплообменнику с двух сторон четырьмя винтами (изначально винтов предполагалось восемь, но в результате моей недальновидности и конструкторской бездарности двум из них помешали паровые трубки, а другие два с противоположной стороны решено было не устанавливать, чтобы избежать перекоса),


поэтому отверстия в теплообменнике и канальцы между ними образуют систему сообщающихся паровых камер. Войдя в одну трубку, пар проходит по единственно возможному пути последовательно через каждую паровую камеру, образованную объемами отверстий в теплообменнике, и выходит через вторую трубку. Тепло от пара передается модулю при непосредственном контакте с его поверхностью (на площади, равной суммарной площади отверстий в теплообменнике) и через материал теплообменника. Для прижатия модулей Пельтье к теплообменнику и для отвода тепла к «холодному» источнику тепла используются алюминиевые пластины толщиной 5мм


Для предотвращения попадания охлаждающей воды внутрь модулей Пельтье, вся сборка герметизирована полупрозрачным силиконовым затекающим герметиком


Теперь осталось только пустить пар по трубкам, а саму сборку опустить в емкость с холодной водой. Однако, в результате экспериментов на кухонной плите выяснилось, что напряжения, которое выдает эта система, недостаточно для полноценного заряда аккумуляторов. «Холодная» вода в охлаждающей емкости быстро нагревается, разница температур уменьшается и напряжение еще более снижается. Кроме того, для полноценной зарядки аккумуляторов требуется достаточно продолжительное время, исчисляемое часами (от слова «час», а не «часы»), как показала практика, в походных условиях при дождливой погоде не всегда удается развести хороший огонь и вскипятить воду, не говоря уже о паропроизводстве в течение нескольких часов. Поэтому данная система так и осталась не задействована, а вместо нее была собрана другая – на солнечных батареях. В ее состав входит сборка солнечных элементов, которую можно свернуть в «трубочку»


и блок-стабилизатор для обеспечения необходимого напряжения для заряда Li-ION аккумулятора


Как затем показала практика эксплуатации – это решение вполне пригодно для исполнения своих функций.

Популярные модели

Отечественными производителями предлагаются модели кавитаторов гидроударного и электрогидроударного типа. Линейка включает в себя агрегаты небольшой мощности.

ВТГ-2.2

Оборудование представляет собой прибор малой мощности, который подходит для отопления сооружения объемом до 90 м³. Стоимость продукции варьируется в пределах 32-35 т. р.

ВГТ-30

Агрегат средней мощности, разработан для обогрева зданий объемом до 1400 м³. Требуется комплектация в виде шкафа управления. Цена изделия – около 150 000 р.

ИТПО

Продукция ижевских производителей, как заявляют поставщики кавитаторов, располагает КПД до 150%

Несмотря на высокий диапазон стоимости, модель привлекает внимание широкой аудитории потребителей

Кавитационные генераторы: преимущества

Такие установки нашли широкое применение в бутовых условиях и на производстве. Причиной тому выступают следующие факторы, их характеризующие:

  • ценовая доступность;
  • экономичность отопительной системы;
  • возможность создания конструкции своими руками;
  • высокий КПД обогрева.

Это интересно: сборка воздушного солнечного коллектора своими руками.

Правила эксплуатации гласят, что нельзя устанавливать вихревые изделия внутри жилого помещения из-за создания высокоуровневого шума. Оптимальным вариантом станет обустройство отдельной хозпостройки, котельной.

К недостаткам относятся довольно большие размеры готового к эксплуатации обогревателя. Также отмечается чрезмерная мощность для частного дома, коттеджа, возможная сложность приобретения материалов, которые понадобятся в случае самостоятельного изготовления кавитатора.

В данном обогревателе, одним из плюсов является высокий КПД

Как изготовить

Для создания самодельного генератора тепла понадобится шлифовальная машинка, электродрель, а также сварочный аппарат.

Процесс будет происходить следующим образом:

  1. Сначала нужно отрезать кусок достаточно толстой трубы, общим диаметром 10 см, а длиной не более 65 см. После этого на ней нужно сделать внешнюю проточку в 2 см и нарезать резьбу.
  2. Теперь из точно такой же трубы необходимо сделать несколько колец, длиной по 5 см, после чего нарезается внутренняя резьба, но только с одной её стороны (то есть полукольца) на каждой.
  3. Далее нужно взять лист металла толщиной, аналогичной с толщиной трубы. Сделайте из него крышки. Их нужно приварить к кольцам с той стороны, где у них нет резьбы.
  4. Теперь нужно сделать в них центральные отверстия. В первой оно должно соответствовать диаметру жиклера, а во второй диаметру патрубка. При этом, с внутренней стороны той крышки, которая будет использоваться с жиклером, нужно сделать, используя сверло, фаску. В итоге должна выйти форсунка.
  5. Теперь подключаем ко всей этой системе теплогенератор. Отверстие насоса, откуда вода подается под давлением, нужно присоединить к патрубку, находящемуся возле форсунки. Второй патрубок соедините со входом уже в саму отопительную систему. А вот выход из последней подключите ко входу насоса.

Таким образом, под давлением, создаваемым насосом, теплоноситель в виде воды начнет проходить через форсунку. За счет постоянного движения теплоносителя внутри этой камеры он и будет нагреваться. После этого она попадает уже непосредственно в систему отопления. А чтобы была возможность регулировать получаемую температуру, нужно за патрубком установить шаровой кран.

Изменение температуры будет происходить при изменении его положения, если он будет меньше пропускать воды (будет находиться в полузакрытом положении). Вода будет дольше находиться и двигаться внутри корпуса, за счет чего её температура увеличится. Именно таким образом и работает подобный водонагреватель.

Смотрите видео, в котором даются практические советы по изготовлению вихревого теплогенератора своими руками:

Немного истории

Вихревой тепловой генератор считается перспективной и инновационной разработкой. А между тем, технология не нова, так как уже почти 100 лет назад ученые думали над тем, как применить явление кавитации.

Первая действующая опытная установка, так-называемая «вихревая труба», была изготовлена и запатентована французским инженером Джозефом Ранком в 1934 году.

Ранк первым заметил, что температура воздуха на входе в циклон (воздухоочиститель) отличается от температуры той же воздушной струи на выходе. Впрочем, на начальных этапах стендовых испытаний, вихревую трубу проверяли не на эффективность нагрева, а наоборот, на эффективность охлаждения воздушной струи.

Технология получила новое развитие в 60- х годах двадцатого века, когда советские ученые догадались усовершенствовать трубу Ранка, запустив в нее вместо воздушной струи жидкость.

За счет большей, в сравнении воздухом, плотности жидкой среды, температура жидкости, при прохождении через вихревую трубу, менялась более интенсивно. В итоге, опытным путем было установлено, что жидкая среда, проходя через усовершенствованную трубу Ранка, аномально быстро разогревалась с коэффициентом преобразования энергии в 100%!

К сожалению, необходимости в дешёвых источниках тепловой энергии на тот момент не было, и технология не нашла практического применения. Первые действующие кавитационные установки, предназначенные для нагрева жидкой среды, появились только в середине 90-х годов двадцатого века.

Череда энергетических кризисов и, как следствие, увеличивающийся интерес к альтернативным источникам энергии послужили причиной для возобновления работ над эффективными преобразователями энергии движения водяной струи в тепло. В результате, сегодня можно купить установку необходимой мощности и использовать ее в большинстве отопительных систем.

Утепление генератора

Схема подключения теплогенератора к системе отопления.

Сначала надо сделать кожух утеплителя. Возьмите для этого лист оцинкованной жести или тонкого алюминия. Вырежьте из него два прямоугольника, если будете делать кожух из двух половинок. Или один прямоугольник, но с таким расчетом, что в нем после изготовления полностью поместится вихревой теплогенератор Потапова, который собрали своими руками.

Гнуть лист лучше всего на трубе большого диаметра или использовать поперечину. Положите на нее вырезанный лист и прижмите сверху рукой деревянный брусок. Второй рукой нажмите на лист жести так, чтобы образовался по всей длине небольшой изгиб. Продвиньте немного заготовку и снова повторите операцию. Делайте так до тех пор, пока не получится цилиндр.

  1. Соедините его при помощи замка, который используют жестянщики для водосточных труб.
  2. Сделайте крышки для кожуха, предусмотрев в них отверстия для подключения генератора.
  3. Обмотайте теплоизоляционным материалом устройство. При помощи проволоки или тонких полосок жести зафиксируйте изоляцию.
  4. Поместите устройство в кожух, закройте крышками.

Есть еще один способ увеличить производство тепла: для этого надо разобраться, как работает вихревой генератор Потапова, коэффициент полезного действия которого может приближаться к 100% и выше (нет единого мнения, почему так происходит).

Во время прохождения воды через сопло или жиклер на выходе создается мощный поток, который ударяется в противоположный конец устройства. Он закручивается, и за счет трения молекул происходит нагревание. Значит, поместив вовнутрь этого потока дополнительную преграду, можно увеличить перемешивание жидкости в устройстве.

Зная, как это работает, можно начать конструировать дополнительное усовершенствование. Это будет гаситель вихрей, сделанный из продольных пластин, расположенных внутри двух колец в виде стабилизатора авиационной бомбы.

Схема стационарного теплогенератора.

Инструменты: сварочный аппарат, угловая шлифовальная машинка.

Материалы: листовой металл или полосовое железо, толстостенная труба.

Сделайте из трубы меньшего диаметра, чем вихревой теплогенератор Потапова, два кольца шириной 4-5 см. Из полосового металла нарежьте одинаковые полоски. Длина их должна равняться четвертой части длины корпуса самого теплового генератора. Ширину подберите с таким расчетом, чтобы после сборки внутри оставалось свободное отверстие.

  1. Закрепите пластину в тисках. Повесьте на нее с одной и другой стороны кольца. Приварите к ним пластину.
  2. Выньте из зажима заготовку и переверните ее на 180 градусов. Поместите внутрь колец пластину и закрепите в зажиме так, чтобы пластины находились друг напротив друга. Закрепите таким образом на равном расстоянии 6 пластин.
  3. Соберите вихревой теплогенератор, вставив описанное устройство напротив сопла.

Наверное, можно и дальше усовершенствовать это изделие. Например, вместо параллельных пластин использовать стальную проволоку, смотав ее в воздушный клубок. Или на пластинах сделать отверстия разного диаметра. Об этом усовершенствовании нигде ничего не сказано, но это не значит, что делать этого не стоит.

Как собрать теплогенератор

Инструменты для работы

При всех этих научных терминах, которые могут напугать незнакомого с физикой человека, смастерить в домашних условиях ВТГ вполне возможно. Повозиться, конечно, придётся, но если всё сделать правильно и качественно, можно будет наслаждаться теплом в любое время.

И начать, как и в любом другом деле, придётся с подготовки материалов и инструментов. Понадобятся:

  • Сварочный аппарат.
  • Шлифмашинка.
  • Электродрель.
  • Набор гаечных ключей.
  • Набор свёрл.
  • Металлический уголок.
  • Болты и гайки.
  • Толстая металлическая труба.
  • Два патрубка с резьбой.
  • Соединительные муфты.
  • Электродвигатель.
  • Центробежный насос.
  • Жиклёр.

Вот теперь можно приступать непосредственно к работе.

Устанавливаем двигатель

Электродвигатель, подобранный в соответствии с имеющимся напряжением, устанавливается на станину, сваренную или собранную с помощью болтов, из уголка. Общий размер станины вычисляется таким образом, чтобы на ней можно было разместить не только двигатель, но и насос. Станину лучше покрасить во избежание появления ржавчины. Разметить отверстия, просверлить и установить электродвигатель.

Подсоединяем насос

Насос следует подбирать по двум критериям. Во-первых, он должен быть центробежным. Во вторых, мощности двигателя должно хватить, чтобы его раскрутить. После того, как насос будет установлен на станину, алгоритм действий следующий:

  • В толстой трубе диаметром 100 мм и длиной 600 мм с двух сторон нужно сделать внешнюю проточку на 25 мм и в половину толщины. Нарезать резьбу.
  • На двух кусках такой же трубы длинной каждый 50 мм нарезать внутреннюю резьбу на половину длины.
  • Со стороны противоположной от резьбы приварить металлические крышки достаточной толщины.
  • По центру крышек сделать отверстия. Одно по размеру жиклёра, второе по размеру патрубка. С внутренней стороны отверстия под жиклёр сверлом большого диаметра необходимо снять фаску, чтобы получилось подобие форсунки.
  • Патрубок с форсункой подсоединяется к насосу. К тому отверстию, из которого вода подаётся под напором.
  • Вход системы отопления подсоединяется ко второму патрубку.
  • К входу насоса присоединяется выход из системы отопления.

Цикл замкнулся. Вода будет под давлением подаваться в форсунку и за счёт образовавшегося там вихря и возникшего эффекта кавитации станет нагреваться. Регулировку температуры можно осуществить, установив за патрубком, через который вода попадает обратно в систему отопления, шаровый кран.

Чуть прикрыв его, вы сможете повысить температуру и наоборот, открыв – понизить.

Усовершенствуем теплогенератор

Это может звучать странно, но и эту довольно сложную конструкцию можно усовершенствовать, ещё больше повысив её производительность, что будет несомненным плюсом для обогрева частного дома большой площади. Основывается это усовершенствование на том факте, что сам насос имеет свойство терять тепло. Значит, нужно заставить расходовать его как можно меньше.

Добиться этого можно двумя путями. Утеплить насос при помощи любых подходящих для этой цели теплоизоляционных материалов. Или окружить его водяной рубашкой. Первый вариант понятен и доступен без каких-либо пояснений. А вот на втором следует остановиться подробнее.

Чтобы соорудить для насоса водяную рубашку придётся поместить его в специально сконструированную герметическую ёмкость, способную выдерживать давление всей системы. Вода будет подаваться именно в эту емкость, и насос будет забирать её уже оттуда. Внешняя вода так же нагреется, что позволит насосу работать намного продуктивнее.

Вихрегаситель

Но, оказывается и это ещё не всё. Хорошо изучив и поняв принцип работы вихревого теплогенератора, можно оборудовать его гасителем вихрей. Подаваемый под большим давлением поток воды ударяется в противоположную стенку и завихряется. Но этих вихрей может быть несколько. Стоит только установить внутрь устройства конструкцию напоминающую своим видом хвостовик авиационной бомбы. Делается это следующим образом:

  • Из трубы чуть меньшего диаметра, чем сам генератор необходимо вырезать два кольца шириной 4-6 см.
  • Внутрь колец приварите шесть металлических пластинок, подобранных таким образом, чтобы вся конструкция получилась длинной равной четверти длины корпуса самого генератора.
  • Во время сборки устройства закрепите эту конструкцию внутри напротив сопла.

Пределу совершенства нет и быть не может и усовершенствованием вихревого теплогенератора занимаются и в наше время. Не всем это под силу. А вот собрать устройство по схеме, приведённой выше, вполне возможно.

История теплогенераторов

Изобретение конвективного теплогенератора напрямую связано с изобретением Роберта Бунзена — атмосферной горелки, названной в его честь. Первые теплогенераторы, выпущенные в 1856 году на рынок английской компанией «Pettit and Smith», оснащались атмосферной горелкой схожей с горелкой Бунзена, только большего размера.


Немецкий химик-экспериментатор Роберт Вильгельм Бунзен

В 1881 году англичанин Сигизмунд Леони получил патент на новый тип теплогенераторов — пламя горелки в них нагревало асбестовую плиту, передающую тепло воздуху. Впоследствии асбест был заменен на огнеупорную глину, сегодня замененную на более прочные огнеупорные материалы.

Атмосферная горелка и огнеупорная плита над ней — это основные элементы в конструкции любого современного теплогенератора.

Принцип действия

Так выглядит рабочий генератор Потапова — поток воды из патрубка очень горячий

Традиционно считалось, что кавитация — это паразитное явление, характеризующееся интенсивным образованием пузырьков, которые, во время схлопывания, провоцируют разрушение окружающих предметов.

Характерный пример последствий кавитации — разрушение корабельных винтов или разрушение крыльчатки лопастных насосов. Теплогенератор вихревого типа — это прибор, в котором паразитное явление приносит пользу.

На фото еще один теплогенератор Потапова, в ходе испытательных работ подключённый к отопительному радиатору

Кавитация позволяет не давать воде тепло, а извлекать тепло из движущейся воды, при этом нагревая ее до значительных температур.

Несмотря на то, что кавитация — это паразитное явление, конструкционные элементы современных теплогенераторов, в отличии от тех же корабельных винтов, не страдают. Это объясняется тем, что кавитационные процессы протекают не вокруг дискового активатора, а за ним.

Принцип действия кавитационного преобразователя

ИллюстрацияОписание процесса
  1. В преобразователь трубного типа подается основной поток жидкой среды обычной температуры;
  2. Навстречу движению основного потока подаются дополнительные потоки жидкой среды;
  3. Разнонаправленные потоки, сталкиваясь, создают эффект кавитации, за счет чего жидкая среда на выходе из преобразователя нагревается.

Устройство и особенности функционирования

Так выглядит стационарная кавитационная установка, подключённая к промышленной системе отопления

Устройство действующих образцов вихревых теплогенераторов внешне несложное. Мы можем видеть массивный двигатель, к которому подключена цилиндрическое приспособление «улитка».

«Улитка» — это доработанная версия трубы Ранка. Благодаря характерной форме, интенсивность кавитационных процессов в полости «улитки» значительно выше в сравнении с вихревой трубой.

Дисковый активатор, одетый на вал — это приспособление отвечает за движение водной среды и за создание кавитационного эффекта

В полости «улитки» располагается дисковый активатор — диск с особой перфорацией. При вращении диска, жидкая среда в «улитке» приводится в действие, за счет чего происходят кавитационные процессы:

  • Электродвигатель крутит дисковый активатор. Дисковый активатор — это самый важный элемент в конструкции теплогенератора, и он, посредством прямого вала или посредством ременной передачи, подсоединён к электродвигателю. При включении устройства в рабочий режим, двигатель передает крутящий момент на активатор;
  • Активатор раскручивает жидкую среду. Активатор устроен таким образом, что жидкая среда, попадая в полость диска, закручивается и приобретает кинетическую энергию;
  • Преобразование механической энергии в тепловую. Выходя из активатора, жидкая среда теряет ускорение и, в результате резкого торможения, возникает эффект кавитации. В результате, кинетическая энергия нагревает жидкую среду до + 95 °С, и механическая энергия становится тепловой.

Вихревые индукционные обогреватели — принцип работы

Вихревые индукционные обогреватели работают на основе физического закона, что вихревые токи возникающие (индуцируемые) переменным магнитным полем нагревают окружающую среду.

В теории. Полый электромагнитный сердечник с индукционной катушкой защищены экранирующей оболочкой от воздействия окружающей среды. При подаче напряжения через клеммную коробку, создается переменное магнитное поле, индуцирующее вихревые токи в катушке сердечника, что приводит к нагреванию металлических систем теплообменной системы. Тепло поступает в систему циркуляции теплоносителя, нагревая его. Температура устанавливается с помощью терморегулятора, а термостат автоматически поддерживает заданную температуру.

На практике. Вихревые индукционные обогреватели это труба, обмотанная проводом, на который подается переменный ток. В трубу, чаще снизу, но можно и с боку, поступает холодный теплоноситель. Вихревые токи, которые создает переменный ток в проводах обмотанных вокруг трубы, нагревает трубу, а, следовательно, и нагревают воду.

Плюсы и минусы

В сравнении с другими теплогенераторами, кавитационные агрегаты отличаются рядом преимуществ и недостатков.

К плюсам таких устройств следует отнести:

  • Куда более эффективный механизм получения тепловой энергии;
  • Расходует значительно меньше ресурсов, чем топливные генераторы;
  • Может применяться для обогрева как маломощных, так и крупных потребителей;
  • Полностью экологичен – не выделяет в окружающую среду вредных веществ во время работы.

К недостаткам кавитационных теплогенераторов следует отнести:

Сравнительно большие габариты – электрические и топливные модели имеют куда меньшие размеры, что немаловажно при установке в уже эксплуатируемом помещении;
Большая шумность за счет работы водяного насоса и самого кавитационного элемента, что затрудняет его установку в бытовых помещениях;
Неэффективное соотношение мощности и производительности для помещений с малой квадратурой (до 60м2 выгоднее использовать установку на газу, жидком топливе или эквивалентной электрической мощности с нагревательным тэном).\

Список источников

  • www.asutpp.ru
  • vodakanazer.ru
  • sovet-ingenera.com
  • otoplenie-doma.org
  • kotel.guru
  • kaminguru.com
  • econet.ru
  • tcgroupenergia.ru
  • yakutiafuture.ru
  • tut-proremont.ru
Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий