Вихревая труба. Вихревой теплогенератор – новый источник тепла в доме

Для отопления частного дома и квартиры, часто используются автономные генераторы. Предлагаем рассмотреть, что такое индукционный вихревой теплогенератор, его принцип работы, как сделать устройство своими руками, а также чертежи приборов.

Описание генератора

Существуют разные виды вихревых тепрогенераторов, в основном различают их по форме. Ранее использовались только трубчатые модели, сейчас активно применяют круглые, ассиметричные или овальные. Нужно отметить, что это небольшое устройство может обеспечить полностью автономное отопление, а при правильном подходе еще и горячее водоснабжение.

Вихревой и гидровихревой теплогенератор, представляет собой механическое устройство, которое отделяет сжатый газ их горячих и холодных потоков. Воздух, выходящий из «горячего» конца, может достигать температуры 200 ° С, а из холодного доходить до -50. Нужно отметить, что главным преимуществом такого генератора является то, что это электрическое устройство не имеет движущихся частей, все стационарно закреплено. Трубы чаще всего изготовлены из нержавеющей легированной стали, которая отлично противостоит высоким температурам и внешним разрушающим факторам (давлению, коррозии, ударным нагрузкам).

Сжатый газ вдувают по касательной в вихревую камеру, после чего он ускоряется до высокой скорости вращения. В связи с коническим соплом на конце выходной трубы, только «входящая» часть сжатого газа допускается для движения в данном направлении. Остальная часть вынуждено возвращается во внутренний вихрь, который является меньшего диаметра, чем наружный.

Где используются вихревые теплогенераторы энергии:

1. В холодильных установках;
2. Для обеспечения отопления жилых зданий;
3. Для нагрева промышленных помещений;

Нужно учитывать, что вихревой газовый и гидравлический генератор имеет меньшую эффективность, чем традиционное оборудование для кондиционирования воздуха. Они широко используются для недорогого точечного охлаждения, когда доступен сжатый воздух из локальной сети обогрева.

Видео: изучение вихревых теплогенераторов

Принцип действия

Существуют различные объяснения причин возникновения вихревого эффекта вращения при полном отсутствии движения и магнитных полей.

В данном случае, газ выступает телом вращения, за счет быстрого перемещения внутри устройства. Такой принцип работы отличается от общепринятого стандарта, где отдельно идет холодный и горячий воздух, т.к. при совмещении потоков согласно законам физики образуется разное давление, которое в нашем случае вызывает вихревое движение газов.

Благодаря наличию центробежной силы, температура воздуха на выходе намного больше температуры её на входе, это позволяет использовать устройства, как для получения тепла, так и для эффективного охлаждения.

Существует еще одна теория принципа работы теплогенератора, за счет того, что оба вихря вращаются с одинаковой угловой скоростью и направлением, внутренний вихревой угол теряет свой угловой момент. Уменьшение момента передается кинетической энергии к внешнему вихрю, в результате чего образуются отрывные течения горячего и холодного газа. Такой принцип работы является полным аналогом эффекта Пельтье, в котором устройство использует электрическую энергию давления (напряжения) для перемещения тепла к одной стороне перехода разнородных металлов, в результате чего другая сторона охлаждается и потребляемая энергия возвращается к источнику.

Достоинства вихревого теплогенератора :

• Обеспечивает значительную (до 200 º С) разность температур между «холодным» и «горячим» газом, работает даже при низком входном давлении;
• Работает с эффективностью до 92%, не нуждается в принудительном охлаждении;
• Преобразует весь поток на входе в один охлаждающий. Благодаря чему практически исключена вероятность перегрева систем отопления
• Используется энергия, вырабатываемая в вихревой трубки единым потоком, что способствует эффективному нагреву природного газа при минимальных теплопотерях;
• Обеспечивает эффективное разделение вихревой температуры входного газа при атмосферном давлении и выходного газа при отрицательном давлении.

Такое альтернативное отопление при практически нулевой затрате вольт отлично нагревает помещение от 100 квадратных метров (в зависимости от модификации). Главные минусы : это высокая стоимость и редкое применение на практике.

Как сделать теплогенератор своими руками

Вихревые теплогенераторы – это очень сложные приспособления, на практике можно сделать автоматический ВТГ Потапова, схема которой подходит как для дома, так и для промышленных работ.

Так появился механический теплогенератор Потапова (КПД 93%), схема которого приведена на рисунке. Несмотря на то, что первым патент получил Николай Петраков, именно устройство Потапова пользуется особым успехом у домашних мастеров.

На данной схеме изображена конструкция вихрегенератора. Патрубок смешения 1 присоединен к напорному насосу фланцем, который в свою очередь подает жидкость с давлением от 4 до 6 атмосфер. Когда вода попадает в коллектор, на чертеже 2,образовывается вихрь, и она подается в специальную вихревую трубу (3), которая сконструирована так, что длина в 10 раз больше, чем диаметр. Вихрь воды передвигается по спиральной трубе у стенок к горячему патрубку. Этот конец заканчивается донышком 4, в центре которого есть специальное отверстие для выхода горячей воды.

Чтобы контролировать поток, перед донышком расположено специальное тормозящее приспособление, или выпрямитель потока воды 5, он представляет собой несколько рядов пластин, которые приварены к втулке по центру. Втулка соосна тубе 3. В тот момент, когда вода движется по трубе к выпрямителю по стенкам, в осевом участке образовывается противоточное течение. Здесь вода движется по направлению к штуцеру 6, который врезан в стенку улитки и трубе подачи жидкости. Здесь производитель установил еще один дисковый выпрямитель потока 7, чтобы контролировать течение холодной воды. Если из жидкости выходит тепло, то его направляет по специальному байпасу 8 к горячему концу 9, где вода смешивается с нагретой при помощи смесителя 5.

Непосредственно из патрубка горячей воды жидкость поступает в радиаторы, после чего делая «круг», возвращается к теплоносителю для повторного нагрева. Далее источник нагревает жидкость, насос повторяет круг.

По такой теории даже существуют модификации теплогенератора для серийного производства низкого давления. К сожалению, проекты хороши только на бумаге, реально их мало кто использует, особенно, если учитывать, что расчет осуществляется при помощи теоремы Вириала, которая обязана учитывать энергию Солнца (непостоянную величину), и центробежную силу в трубе.

Формула представляет собой следующее:

Епот = – 2 Екин

Где Екин =mV2/2 – это кинетическое движения Солнца;

Масса планеты – m, кг.

Бытовой теплогенератор вихревого типа для воды Потапова может иметь следующие технические характеристики:

Обзор цен

Несмотря на относительную простоту, чаще проще купить вихревые кавитационные теплогенераторы, чем самостоятельно собрать самодельный прибор. Продажа генераторов нового поколения осуществляется во многих крупных городах России, Украины, Беларуси и Казахстана.

Рассмотрим прайс-лист из открытых источников (мини-приборы будут дешевле), сколько стоит генератор Мустафаева, Болотова и Потапова:

Наиболее низкая цена на теплогенератор вихревой энергии марки Акойл, Вита, Гравитон, Муст, Евроальянс, Юсмар, НТК, в Ижевске, к примеру, около 700 000 рублей. При покупке обязательно проверяйте паспорт прибора и сертификаты качества.

Назначение вихревого теплогенератора Потапова (ВТГ), сделанного своими руками, состоит в том, чтобы получить тепло только при помощи электродвигателя и насоса. В основном это устройство используют как экономичный нагреватель.

Схема устройства вихревой теплосистемы.

Так как нет исследований по определению параметров изделия в зависимости от мощности насоса, то будут освещены примерные размеры.

Проще всего делать вихревой теплогенератор из стандартных деталей. Для этого подойдет любой электродвигатель. Чем он будет мощней, тем больший объем воды нагреет до заданной температуры.

Главное это двигатель

Выбирать двигатель нужно в зависимости от того, какое напряжение имеется. Есть много схем, при помощи которых можно подключить к сети 220 Вольт двигатель на 380 Вольт и наоборот. Но это другая тема.

Начинают сборку теплового генератора с электродвигателя. Его надо будет закрепить на станине. Конструкция этого устройства представляет собой металлический каркас, который проще всего сделать из угольника. Размеры надо будет подбирать на месте для тех устройств, которые будут в наличии.

Чертеж вихревого теплогенератора.

Список инструментов и материалов:

• угловая шлифовальная машинка;
• сварочный аппарат;
• электродрель;
• набор сверл;
• рожковые или накидные ключи на 12 и на 13;
• болты, гайки, шайбы;
• металлический уголок;
• грунтовка, краска, кисть малярная.

1. Нарежьте при помощи угловой шлифовальной машинки угольники. Используя сварочный аппарат, соберите прямоугольную конструкцию. Как вариант — сборку можете сделать при помощи болтов и гаек. На конечном варианте конструкции это не скажется. Длину и ширину подберите так, чтобы все детали оптимально разместились.
2. Вырежьте еще один кусок угольника. Прикрепите его как поперечину с таким расчетом, чтобы можно было закрепить двигатель.
3. Сделайте покраску рамы.
4. Просверлите отверстия в каркасе под болты и установите двигатель.

Установка насоса

Теперь надо будет подобрать водяной насос. Сейчас в специализированных магазинах можно приобрести агрегат любой модификации и мощности. На что надо обратить внимание?

1. Насос должен быть центробежным.
2. Ваш двигатель сможет его раскрутить.

Установите на раме насос, если надо будет сделать еще поперечины, то изготовьте их либо из уголка, либо из полосового железа такой же толщины, как и уголок. Соединительную муфту вряд ли возможно сделать без токарного станка. Поэтому придется ее где-то заказывать.

Схема гидровихревого теплогенератора.

Вихревой теплогенератор Потапова состоит из корпуса, сделанного в виде закрытого цилиндра. На его концах должны быть сквозные отверстия и патрубки для присоединения к системе отопления. Секрет конструкции находится внутри цилиндра. За входным отверстием должен располагаться жиклер. Его отверстие подбирается для данного устройства индивидуально, но желательно, чтобы оно было в два раза меньше четвертой части диаметра корпуса трубы. Если делать меньше, то насос не сможет пропускать воду через это отверстие и начнет сам нагреваться. Кроме того, начнут интенсивно за счет явления кавитации разрушаться внутренние детали.

Инструменты: угловая шлифовальная машинка или ножовка по металлу, сварочный аппарат, электродрель, разводной ключ.

Материалы: толстая металлическая труба, электроды, сверла, 2 патрубка с резьбой, соединительные муфты.

1. Отрежьте кусок толстой трубы диаметром 100 мм и длиной 500-600 мм. Сделайте на ней внешнюю проточку примерно 20-25 мм и в половину толщины трубы. Нарежьте резьбу.
2. Сделайте из такого же диаметра трубы два кольца длиной 50 мм. Нарежьте внутреннюю резьбу с одной стороны каждого полукольца.
3. Из такой же толщины плоского металла, что и труба, сделайте крышки и приварите их с той стороны колец, где нет резьбы.
4. Сделайте в крышках центральное отверстие: у одной по диаметру жиклера, а у другой по диаметру патрубка. С внутренней стороны крышки, где стоит жиклер, сверлом большего диаметра сделайте фаску. В результате должна получиться форсунка.
5. Подключите теплогенератор к системе. Патрубок, где стоит форсунка, присоедините к насосу в отверстие, из которого вода подается под давлением. Ко второму патрубку подсоедините вход системы отопления. Выход из системы соедините с входом насоса.

Вода под давлением, которое создаст насос, будет проходить через форсунку вихревого теплогенератора, который вы делаете своими руками. В камере она начнет нагреваться за счет интенсивного перемешивания. Потом ее подадите в систему для обогрева. Чтобы регулировать температуру, поставьте за патрубком шаровое запирающее устройство. Прикройте его, и вихревой теплогенератор будет дольше гонять воду внутри корпуса, а значит, температура в нем начнет подниматься. Примерно так работает этот нагреватель.

Пути повышения производительности

Схема теплового насоса.

В насосе происходят потери тепла. Так что вихревой теплогенератор Потапова в таком варианте имеет существенный недостаток. Поэтому логично погруженный насос окружить водяной рубашкой, чтобы его тепло тоже шло на полезное нагревание.

Внешний корпус всего устройства сделайте чуть больше диаметра имеющегося в наличии насоса. Это может быть либо готовая труба, что желательно, либо сделанный из листового материала параллелепипед. Его размеры должны быть такими, чтобы внутрь входил насос, соединительная муфта и сам генератор. Толщина стенок должна выдерживать давление в системе.

Для того чтобы потери тепла снизились, сделайте вокруг корпуса устройства теплоизоляцию. Защитить ее можно кожухом, сделанным из жести. В качестве изолятора используйте любой теплоизоляционный материал, выдерживающий температуру кипения жидкости.

1. Соберите компактное устройство, состоящее из погружного насоса, соединительного патрубка и теплогенератора, который вы собрали своими руками.
2. Определитесь в его габаритах и подберите трубу такого диаметра, внутри которой все эти механизмы легко бы разместились.
3. Сделайте крышки с одной и другой стороны.
4. Обеспечьте жесткость крепления внутренних механизмов и возможность насосу качать через себя воду из полученного резервуара.
5. Сделайте входное отверстие и закрепите на нем патрубок. Насос должен своим забором воды располагаться внутри как можно ближе к этому отверстию.

На противоположном конце трубы приварите фланец. С его помощью будет крепиться через резиновую прокладку крышка. Чтобы проще монтировать внутренности, сделайте несложный легкий каркас или скелет. Внутри него соберите устройство. Проверьте подгонку и герметичность всех узлов. Вставьте в корпус и закройте крышкой.

Подключите к потребителям и проверьте все на герметичность. Если протечек нет, включите насос. Открывая и закрывая кран, который находится на выходе из генератора, отрегулируйте температуру.

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.

Схема устройства тепловой пушки.

1. Обязательно защитите при помощи окрашивания всех поверхностей вихревой теплогенератор Потапова.
2. Внутренние его части во время работы будут находиться в очень агрессивной среде, вызванной процессами кавитации. Поэтому и корпус, и все, что в нем находится, постарайтесь сделать из толстого материала. Не экономьте на железе.
3. Сделайте несколько вариантов крышек с разными входными отверстиями. Потом проще будет подбирать их диаметр, чтобы получить высокую производительность.
4. Это же относится и к гасителю колебаний. Его также можно видоизменять.

Соберите небольшой лабораторный стенд, где будете обкатывать все характеристики. Для этого не подключайте потребители, а закольцуйте трубопровод на генератор. Это упростит его испытание и подбор необходимых параметров. Так как сложные приборы по определению коэффициента полезной деятельности в домашних условиях вряд ли можно найти, то предлагается следующий тест.

Включите вихревой теплогенератор и засеките время, когда он разогреет воду до определенной температуры. Градусник лучше иметь электронный, он точнее. Затем внесите изменения в конструкцию и снова проведите опыт, следя за повышением температуры. Чем сильнее вода будет нагреваться за одно и то же время, тем больше предпочтений надо будет отдавать окончательному варианту установленного усовершенствования в конструкции.

Откуда «растут ноги» у вихревого смесителя

Демон Максвелла

(рисунок не мой – нашел в интернете)
Этого сторожа-швейцара окрестили физики демоном Максвелла и доказали невозможность его существования на основе постулата второго закона термодинамики. Этот постулат гласит о том, что мера энтропии (хаоса) может только возрастать (быть больше нуля) в закрытой замкнутой системе.

Трубка Ранка-Хильша

Разница температур на выходе между двумя концами трубки Ранка может достигать 80 градусов при комнатной температуре и зависит от скорости подачи воздуха, как и от геометрии трубки.
Очень скоро выяснился экспериментальный факт: внутри трубки Ранка воздух ведет себя не как квазитвердое тело, как это думали. В трубке Ранка поток разделяется на два слоя, вращающиеся в разном направлении. Слой снаружи вращается в ту сторону, куда направлен воздух первоисточник. Слой по центру вращается в противоположную сторону. Что за чудеса!

С какой это стати и перепугу?...
Попробуем порисовать...
Нарисуем опять разрез трубки Ранка. По направлению голубой стрелки подаем воздух. Тогда в том месте, где нарисован синий круг у нас появится зона пониженного давления. В сторону этой зоны будет отклоняться поток - появится завихрение.

Ну у меня это так получилось нарисовать для одного вихря, ...пусть и неказисто...
Если объединить вихри в полный цикл, то картина может выглядеть так, как на рисунке Шауберга (которая рисовалась немецким ученым не для случая трубки Ранка). Синей стрелкой я нарисовал подачу воздуха-источника. На рисунке видно, как вихрь, пробегающий по контуру трубки, усиливает вращение во внешнем слое и закручивает поток в центре в противоположном направлении.

Рисунок Шауберга с моими цветными дополнениями

Есть предположение, что аналогичная схема присутствует в природном явлении торнадо. Во всяком случае, в центре торнадо, отмечают пониженную температуру, подобно тому, как это мы видим в трубке Ранка и вращается шнур торнадо в противоположную сторону от вращения периферии. Если это так, то нам должен быть интересен факт заниженного давления в центре торнадо. Это разряжение затягивает в себя как в воронку перефирию смерча.

Ведерко Ньютона

Теоретические и практические предпосылки

1.Академик Н.Н.Семенов в 1926-1927 гг. создал тепловую теорию самовоспламенения горючих газов. При температурах, лежащих ниже температуры самовоспламенения, в газе с небольшой скоростью идёт химическая реакция, а теплоотвод через стенку в наружную среду компенсирует теплоприход от реакции. С увеличением температуры скорость реакции растёт и создаются условия, когда теплоотвод не успевает компенсировать теплоприход и развивается тепловая лавина.

2.«Опытные данные и теоретическое рассмотрение свидетельствуют о том, что при распространении пламени реакция идет в каждый момент времени в сравнительно (по сравнению с размерами камер сгорания) тонком слое - зоне реакции. В непосредственной близости от зоны реакции, также в тонком слое, происходит разогрев несгоревшей смеси. Поэтому в первом приближении распространение пламени можно представить себе так: имеются две области - несгоревшего газа и продуктов реакции, разделенные поверхностью горения, толщиной которой можно пренебрегать и рассматривать ее как геометрическую поверхность, движущуюся относительно газа с известной скоростью - нормальной скоростью распространения пламени». Зельдович Я.Б на примере реакции водорода с кислородом обнаружил три предела воспламенения, которые проиллюстрировал в виде диаграммы «давление - температура»

Рис 1.0
«Пределы воспламенения стехиометрической смеси водорода с кислородом приведены на рис. 1.0. Если начальным давлению и температуре смеси отвечает точка, лежащая справа от кривой ABCD4 то происходит воспламенение; участок AB соответствует первому, ВС - второму и CD - третьему пределам воспламенения. Область между первым и вторым пределами называют полуостровом воспламенения.»

3. «Достаточно быстрое сгорание, при котором скорость пламени достигает сотен м/сек, происходит при турбулизации газовой смеси и соответственно, при турбулизации фронта пламени. Турбулизация вызывает значительное разрастание фронта пламени, ускорение теплообмена между продуктами сгорания и исходной смесью и, соответственно, горения.»

4. Академик М. А. Стырикович описал такие установи для сжигания угля


«В топке одновременно идут три взаимосвязанных процесса: гидродинамический процесс подачи со значительными скоростями (часто в закрученном виде) потоков воздуха и угольной пыли, процесс воспламенения. Обычно горелки располагаются на двух противоположных стенах топочной камеры в несколько ярусов (см. рис. 1), так что приходится учитывать и взаимодействие отдельных горелок между собой. При таком их расположении очень трудно обеспечить равномерность температуры по всему громадному сечению топки, а любая неравномерность может привести к шлакованию ширм или конвективных поверхностей. Более равномерное распределение температуры достигается при размещении горелок тангенциально по углам топки - так, что они создают в ней общий закрученный вихрь (рис. 2). Здесь уже не только каждая отдельная горелка порождает вихревой поток, но и вся совокупность горелок образует единый вихрь. Очевидно, что такую сложную геометрию потока рассчитать и реализовать весьма непросто»

5. широкое распространение на нефтепромыслах нашли вихревые излучатели (генераторы волн давления). Внешне генератор похож на трубку Ранка, но в отличие от трубки Ранка у него нет обратного выхода, а прямой выход открытый


"Генератор представляет собой корпус с цилиндрической камерой (камерой завихрения), с тангенциальным каналом (одним или несколькими) для подачи рабочей жидкости и соплом для выхода рабочей жидкости. Генератор работает следующим образом . При подаче жидкости через тангенциальное отверстие 2 диаметром d (см. рис. 1.3) внутри камеры завихрения 3 и выходного сопла 4 генератора образуется система двух закрученных потоков. По периферии камеры движется так называемый первичный вихрь (I), имеющий в попе- речном сечении форму кольца с наружным радиусом R = D/2 и внутренним rm. Этот поток состоит из рабочей жидкости, подаваемой в генератор. Приосевую область вихревой камеры занимает вторичный вихрь (II), вращающийся как квазитвёрдое тело. Он образуется вследствие вовлечения в движение первичным потоком жидкости из окружающей среды, в которую происходит истечение жидкости из генератора. Опыт показывает, что в случае незатопленного истечения струи жидкости (например, при истечении её в газообразную среду) движение устойчиво и пульсации давления и скорости в потоке отсутствуют. Если же истечение закрученной струи затопленное, т.е. рабочая жидкость в вихревой камере и вещество окружающей среды имеют одну и ту же физическую природу, то в потоке генерируются регулярные пульсации давления, частота и амплитуда которых зависит от скорости истечения и геометрических параметров камеры завихрения, её конструкции и формы сопла. В окружающей среде пульсации давления фиксируются как звук дискретного тона и значительной интенсивности."
"Причиной звуковых колебаний является прецессионное вращательное движение вторичного вихря"

Вихревой шнур

Существенную роль в ВС играет степень турбулентности, которую можно оценить числом Рейнольдса.
Re=v*L/n
Где
Re – безразмерное число Рейнольдса,
v- скорость потока
L- характерный линейный размер
n - кинетическая вязкость
Когда Re > 2320 движение идет с образованием завихрений.
Если принять n= 0.0015м2\с для воздуха при Т=270К
L=0.23м, то получим скорость при которой начинается турбулентность
v=0.15м\с.
Если скорость подачи через вихревое сопло-щель > 0.15м\с при данных допущениях, то ламинарный поток начинает переходить в турбулентный. Этого, правда, еще недостаточно, чтоб активно проявился вихревой эффект. Для этого, поток должен обладать достаточной скоростью, чтобы образовался вихрь диаметром сравнимым с радиусом ВС (за радиус ВС принимаем наименьшее расстояние от центра ВС до внутренней поверхности стенки ВС).
Сделаем небольшие оценки.
Согласно шкале Фудзиты-Пирсона, минимально возможным вихрем в природе являются вихри с линейной скоростью v при вращении воздуха в воронке порядка 18 м\с. Давайте рассмотрим такую схему:

Рис. расположение ВС для появления вихревого шнура, рисунок в плане. 1 – топливник, 2 –вихревое сопло, 3 – ВС

Примем размеры топливника 250 х 500 х 600.
Вихревую щель в узком месте возьмем 10 мм, высотой 124 мм.
Пусть имеется у печи дымовая труба цилиндрической формы d= 120.
Оценим скорость в трубе обычным диапазоном 2-8м\с.
Тогда скорость в узком месте сопла из уравнения струи будет оценена в диапазоне:
Vmin= 2*3.14*sqw(60) / (124*10) = 18 м\с
Vmax = 72 м\с
Полученный диапазон 18-72 м\с соответствует категориям F0- F3 по шкале Фудзиты-Пирсона.
Реальные турбулентности и трение в сопле могут занизить линейную скорость, но тем не менее у нас есть все теоретические предпосылки наблюдать в ВС такой конструкции небольшое торнадо с горящим шнуром по центру с соответствующими звуковыми эффектами.

Задачи получить вихревой шнур в печи не стоит. И, естественно, торнадо в бытовой печи это уже излишне, хотя и зрелищно.

Нам интересен сам факт перемешивания, турбулентности и появления зон с другим давлением и температурой, что заставляет пройти реакцию горения максимально полно.

воплощение

Также можно использовать ВС не только для КД, но и для топливника.

Рис. здесь топливо закладывается в ВС, загрузочная дверка предполагается сверху или сбоку.

Также легко ВС применяется в КС и для трубы.


Рис. Развязка перекресток для случая встречных четырех потоков. Вид в плане, труба в центре

Одно существенное замечание.

1 случай.
Если закручивать поток с внешней стороны (стороны стенки) вихревыми соплами правым винтом (смотреть если сверху, то движение против часовой стрелки), то тогда центральный поток, вращающийся по стрелке будет подниматься вверх, а на периферии опускаться вниз.

Рис. 1 случай

2 случай.
Если закручивать периферию левым винтом – по часовой стрелке, то подниматься будет внешний слой, а средний, вращаясь против часовой стрелки, будет опускаться.

Рис. 2 случай

Какая разница?
В нашей вселенной преобладает правый винт и это самая устойчивая в природе система – от структуры атома и молекулы ДНК, до вихря торнадо и скоплений звезд. Встречающиеся природные вихри Бенара, похоже, все правовинтовые.
По этой причине, когда я конструировал первые ВС, делал их с правой закруткой. Но к чему это приводит? Внутренний средний слой при таком способе начинает подниматься, а внешний – опускаться, иногда это даже приводило к тому, что дым мог отмахнуть через дверку - если ВС в топливнике. Чтоб этого не происходило, приходится идти на ухищрение и делать воздушный замок у проема- слева от дверки межфутеровочное пространство не заполняется и воздух подается на дверку.
Если реализовывать 2 способ в ВС, то преферийный слой поднимается, а центральный опускается и тогда нет никакой отмашки без всяких фокусов. И этот способ интересен еще одной особенностью - правовинтовой вихрь Бенара менее устойчив и он разрушается в зоне перехода в КС, отдавая свою энергию потоку.

ЛИТЕРАТУРА

1 Зельдович Я.Б. , Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва - М.: Наука, 1980
2. М.А.Стырикович. Проблемы сжигания твердого топлива в большой энергетике
3. В.И.Говоров, В.М.Плотников, Е.В.Каратай – г.Темиртау: КГИУ, 2007 г. Теоретические основы горения и взрыва (7.4. Факторы ускорения горения)
4. Н.Н. Семёнов. Цепные реакции. Л.: ОНТИ, 1934; 2-е изд. М.: Наука, 1986;
5.Неволин В.Г. Опыт применения звукового воздействия в практике нефтедобычи Пермского края. – Пермь, 2008.

Множество полезных изобретений осталось невостребованными. Это происходит из-за человеческой лени или из-за страха перед непонятным. Одним из таких открытий долгое время был вихревой теплогенератор. Сейчас на фоне тотальной экономии ресурсов, стремлению к использованию экологически чистых источников энергии, теплогенераторы стали применять на практике для отопления дома или офиса. Что же это такое? Прибор, который раньше разрабатывался только в лабораториях, или новое слово в теплоэнергетике.

Система отопления с вихревым теплогенератором

Принцип действия

Основой работы теплогенераторов является преобразование механической энергии в кинетическую, а затем – в тепловую.

Еще в начале ХХ столетия Жозеф Ранк обнаружил сепарацию вихревой струи воздуха на холодную и горячую фракции. В середине прошлого века немецкий изобретатель Хилшем модернизировал устройство вихревой трубы. Спустя немного времени, русский ученый А. Меркулов запустил в трубу Ранке вместо воздуха воду. На выходе температура воды значительно повысилась. Именно этот принцип лежит в основе работы всех теплогенераторов.

Проходя через водяной вихрь, вода образует множество воздушных пузырьков. Под воздействием давления жидкости пузырьки разрушаются. Вследствие этого освобождается какая-то часть энергии. Происходит нагрев воды. Этот процесс получил название кавитация. На принципе кавитации рассчитывается работа всех вихревых теплогенераторов. Генератор такого типа называется «кавитационный».

Виды теплогенераторов

Все теплогенераторы делятся на два основных вида:

1. Роторный. Теплогенератор, в котором вихревой поток создается при помощи ротора.
2. Статический. В таких видах водяной вихрь создается при помощи специальных кавитационных трубок. Давление воды производит центробежный насос.

Каждый вид обладает своими преимуществами и недостатками, на которых следует остановиться подробнее.

Роторный теплогенератор

Статором в данном устройстве служит корпус центробежного насоса.

Роторы могут быть различные. В интернете представлено множество схем и инструкций по их выполнению. Теплогенераторы – скорее научный эксперимент, постоянно находящийся в процессе разработки.

Конструкция роторного генератора

Корпусом является пустотелый цилиндр. Расстояние между корпусом и вращающейся частью рассчитывается индивидуально (1.5-2 мм).

Нагревание среды происходит благодаря ее трению с корпусом и ротором. Помогают этому пузырьки, которые образуются за счет кавитации воды в ячейках ротора. Производительность таких устройств на 30% выше статических. Установки довольно шумные. Имеют повышенную изношенность деталей, за счет постоянного воздействия агрессивной среды. Требуется постоянный контроль: за состоянием сальников, уплотнителей и др. Это значительно усложняет и удорожает обслуживание. При их помощи редко монтируют отопление дома, им нашли немного другое применение – обогрев больших производственных помещений.

Модель промышленного кавитатора

Статический теплогенератор

Основной плюс данных установок в том, что в них ничего не вращается. Электроэнергия тратится только на работу насоса. Кавитация происходит при помощи естественных физических процессов в воде.

КПД таких установок иногда превышает 100%. Средой для генераторов может быть жидкость, сжатый газ, тосол, антифриз.

Разница между температурой входа и выхода может достигать 100⁰С. При работе на сжатом газе, его вдувают по касательной в вихревую камеру. В ней он ускоряется. При создании вихря, горячий воздух проходит сквозь коническую воронку, а холодный возвращается. Температура может достигать 200⁰С.

Достоинства:

1. Может обеспечить большую разность температур на горячем и холодном концах, работать при низком давлении.
2. КПД не ниже 90%.
3. Никогда не перегревается.
4. Пожаро,- и взрывобезопасен. Может использоваться во взрывоопасной среде.
5. Обеспечивает быстрый и эффективный нагрев всей системы.
6. Может использоваться как для обогрева, так и для охлаждения.

В настоящее время применяется недостаточно часто. Используют кавитационный теплогенератор, чтобы удешевить отопление дома или производственных помещений при наличии сжатого воздуха. Недостатком остается довольно высокая стоимость оборудования.

Теплогенератор Потапова

Популярным и более изученным является изобретение теплогенератора Потапова. Он считается статическим устройством.

Сила давления в системе создается центробежным насосом. Струя воды подается с большим напором в улитку. Жидкость начинает разогреваться благодаря вращению по изогнутому каналу. Она попадает в вихревую трубу. Метраж трубы должен быть больше ширины в десятки раз.

Схема устройства генератора

1. Патрубок
2. Улитка.
3. Вихревая труба.
4. Верхний тормоз.
5. Выпрямитель воды.
6. Соединительная муфта.
7. Нижнее тормозное кольцо.
8. Байпас.
9. Отводная линия.

Вода проходит по расположенной вдоль стенок винтовой спирали. Дальше поставлено тормозное устройство для выведения части горячей воды. Струя немного разравнивается пластинами, прикрепленными к втулке. Внутри имеется пустое пространство, соединенное с еще одним тормозным устройством.

Вода с высокой температурой поднимается, а холодный вихревой поток жидкости спускается по внутреннему пространству. Холодный поток соприкасается с горячим через пластины на втулке и нагревается.

Теплая вода спускается к нижнему тормозному кольцу и еще подогревается благодаря кавитации. Подогретый поток от нижнего тормозного устройства проходит через байпас в отводящий патрубок.

Верхнее тормозное кольцо имеет проход, диаметр которого равен поперечнику вихревой трубы. Благодаря ему горячая вода может попасть в патрубок. Происходит смешивание горячего и теплого потока. Дальше вода используется по назначению. Обычно для обогрева помещений или бытовых нужд. Обрат присоединяется к насосу. Патрубок – к входу в систему отопления дома.

Чтобы установить теплогенератор Потапова, необходима диагональная разводка. Горячий теплоноситель нужно подавать в верхний ход батареи, а из нижнего будет выходить холодный.

Генератор Потапова собственными силами

Существует много промышленных моделей генератора. Для опытного мастера не составит труда изготовить вихревой теплогенератор своими руками :

1. Вся система должна быть надежно закреплена. При помощи уголков изготавливают каркас. Можно использовать сварку или болтовое соединение. Главное, чтобы конструкция была прочной.
2. На станине укрепляют электродвигатель. Его подбирают соответственно площади помещения, внешним условиям и имеющемуся напряжению.
3. На раме крепится водяной насос. При его выборе учитывают:

• насос необходим центробежный;
• у двигателя хватит сил для его раскрутки;
• насос должен выдерживать жидкость любой температуры.

1. Насос присоединяется к двигателю.
2. Из толстой трубы диаметром 100 мм изготавливается цилиндр длиной 500-600 мм.
3. Из толстого плоского металла необходимо изготовить две крышки:

• одна должна иметь отверстие под патрубок;
• вторая под жиклер. На краю делается фаска. Получается форсунка.

1. Крышки к цилиндру лучше крепить резьбовым соединением.
2. Жиклер находится внутри. Его диаметр должен быть в два раза меньше ¼ части диаметра цилиндра.

Очень маленькое отверстие приведет к перегреву насоса и быстрому износу деталей.

1. Патрубок со стороны форсунки подключается к подаче насоса. Второй подключают к верхней точке системы отопления. Остывшая вода из системы подключается к входу насоса.
2. Вода под давлением насоса подается в форсунку. В камере теплогенератора ее температура увеличивается благодаря вихревым потокам. Потом она подается в отопление.

Схема кавитационного генератора

1. Жиклер.
2. Вал электродвигателя.
3. Вихревая труба.
4. Входящая форсунка.
5. Отводящий патрубок.
6. Гаситель вихрей.

Для регулирования температуры, за патрубком ставят задвижку. Чем меньше она открыта, тем дольше вода в кавитаторе, и тем выше ее температура.

При прохождении воды через жиклер, получается сильный напор. Он бьет в противоположную стену и за счет этого закручивается. Поместив в середину потока дополнительную преграду, можно добиться большей отдачи.

Гаситель вихрей

На этом основана работа гасителя вихрей:

1. Изготавливается два кольца, ширина 4-5 см, диаметр немного меньше цилиндра.
2. Из толстого металла вырезается 6 пластин длиной ¼ корпуса генератора. Ширина зависит от диаметра и подбирается индивидуально.
3. Пластины закрепляются внутрь колец друг напротив друга.
4. Гаситель вставляется напротив сопла.

Разработки генераторов продолжаются. Для увеличения производительности с гасителем можно экспериментировать.

В результате работы происходят теплопотери в атмосферу. Для их устранения можно изготовить теплоизоляцию. Сначала ее делают из металла, а поверх обшивают любым изолирующим материалом. Главное, чтобы он выдерживал температуру кипения.

Для облегчения введения в эксплуатацию и обслуживания генератора Потапова необходимо:

• окрасить все металлические поверхности;
• изготавливать все детали из толстого металла, так теплогенератор дольше прослужит;
• во время сборки есть смысл изготовить несколько крышек с различным диаметром отверстий. Опытным путем подбирается оптимальный вариант для данной системы;
• до подключения потребителей, закольцевав генератор, необходимо проверить его герметичность и работоспособность.

Гидродинамический контур

Для правильного монтажа вихревого теплогенератора необходим гидродинамический контур.

Схема подключения контура

Для его изготовления необходимы:

• выходной манометр, для измерения давления на выходе из кавитатора;
• термометры для измерения температуры до и после теплогенератора;
• сбросной кран для удаления воздушных пробок;
• краны на входе и выходе;
• манометр на входе, для контроля давления насоса.

Гидродинамический контур упростит обслуживание и контроль за работой системы.

При наличии однофазной сети, можно использовать частотный преобразователь. Это позволит поднять скорость вращения насоса, подобрать правильную.

Вихревой теплогенератор применяется для отопления дома и подачи горячей воды. Имеет ряд преимуществ перед другими обогревателями:

• установка теплогенератора не требует разрешительных документов;
• кавитатор работает в автономном режиме и не требует постоянного контроля;
• является экологически чистым источником энергии, не имеет вредных выбросов в атмосферу;
• полная пожаро,- и взрывобезопасность;
• меньший расход электричества. Неоспоримая экономичность, КПД приближается к 100%;
• вода в системе не образует накипи, не требуется дополнительная водоподготовка;
• может использоваться как для отопления, так и для подачи горячей воды;
• занимает мало места и легко монтируется в любую сеть.

С учетом всего этого, кавитационный генератор становится более востребованным на рынке. Такое оборудование с успехом применяют для отопления жилых и офисных помещений.

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения. Внутренняя поверхность камеры энергетического разделения выполнена со спиралью. Толщина спирали составляет (0,05-0,3)D, где D - диаметр внутренней поверхности камеры энергоразделения. Шаг спирали может соответствовать пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. Использование изобретения позволит повысить эффективность энергетического разделения потока в вихревой трубе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения и может использоваться в различных областях науки и техники, в частности в системах воздушного охлаждения (нагрева). Известна вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока . Однако эффективность энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительность) для этой трубы невелика. Наиболее близким техническим решением является вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока . Однако эффективность энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительность) для этой трубы невелика. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении эффективности энергетического разделения потока в вихревой трубе (в повышении холодопроизводительности). Этот результат достигается тем, что в вихревой трубе, содержащей камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока, внутренняя поверхность камеры снабжена спиралью. В частности, шаг спирали может соответствовать пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, причем направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. На чертеже представлена схема вихревой трубы. Вихревая труба содержит камеру 1 энергетического разделения потока с внутренней поверхностью 2, завихритель 3, диафрагму 4 вывода охлажденного потока, дроссельный кран 5, установленный на выходе нагретого потока. На внутренней поверхности 2 камеры 1 установлена спираль 6, шаг которой соответствует пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. В частности, шаг спирали может быть переменным, например, увеличиваясь с удалением от завихрителя. Толщина спирали 6 (соответствующий размер в радиальном направлении) составляет (0,05-0,3)D, где D - диаметр внутренней поверхности 2 камеры 1. В частности, сечение спирали может представлять собой круг (см. чертеж). В этом случае толщина спирали равна диаметру проволоки, из которой навита эта спираль. Работает вихревая труба следующим образом. Входной поток (от внешнего источника, на чертеже не показанного) под давлением в несколько атмосфер поступает в завихритель 3, обеспечивающий формирование закрученной (завихренной) струи в камере энергетического разделения 1. За счет эффекта Ранка в камере 1 периферийная (пристеночная) область потока нагревается, а центральная (приосевая) охлаждается. Пространственное разделение охлажденного и нагретого потоков осуществляется с помощью дроссельного крана 5 и диафрагмы 4. Отметим, что на чертеже представлена схема так называемой противоточной трубы , но возможна несколько иная компоновка, соответствующая прямоточной трубе. В периферийной области камеры 1 закрученная струя имеет спиралеобразный вид , причем шаг спирали, вообще говоря, увеличивается с удалением от завихрителя (в ряде работ вместо характеристики "шаг" используют "угол наклона спирали"). При некотором частичном перекрытии крана 5 в приосевой области камеры 1 формируется возвратный поток холодного (точнее, охлажденного) воздуха, который выходит из трубы через диафрагму 4. Проведенные эксперименты показали, что введение в вихревую трубу спирали, выполненной указанным образом, при неизменном давлении входного потока позволяет в несколько раз повысить расход воздуха через диафрагму 4 и на несколько градусов понизить температуру холодного воздуха, т.е. в несколько раз повысить холодопроизводительность вихревой трубы. При этом форма спирали и ее положение в камере 1 подбирались экспериментально. К настоящему времени этот эффект в литературе не описан, отсутствует и его теоретическое объяснение. Одна из возможных гипотез, объясняющих эффект спирали, состоит в следующем. Согласно литературным данным входной (периферийный) поток в камере 1 представляет собой свободный (или комбинированный) вихрь, у которого максимум тангенциальной скорости находится на расстоянии 0,6-0,9 R от оси камеры 1 (R - радиус внутренней поверхности 2 камеры 1, 2R=D), Поток холодного воздуха представляет собой вынужденный вихрь, диаметр которого (в зависимости от давления на входе и т.д.) составляет (0,1-0,5)D. Спираль расположена в области внешнего вихря, там, где тангенциальная скорость максимальна. Этот вихрь (его ось) прецессирует во времени нерегулярным образом , причем направление прецессии противоположно направлению вращения вихря. Соответственно, направление прецессии совпадает с направлением навивки спирали. В результате взаимодействия вихря со спиралью прецессия в определенной мере стабилизируется в пространстве и времени. При этом улучшаются условия для разделения потоков холодного и горячего воздуха. Помимо этого, возможно, что при указанных параметрах и ориентации спирали происходит более интенсивный обмен турбулентными "микровихрями" между периферийным и приосевым потоками воздуха, в частности, за счет генерации "микровихрей" определенного размера. Все это в совокупности приводит к повышению эффективности переноса тепла от приосевого (холодного) потока к периферийному (горячему) потоку, т.е. к дополнительному охлаждению приосевого потока. Таким образом, введение спирали указанной формы позволяет повысить холодопроизводительность вихревой трубы. Источники информации 1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. - 184 с. 2. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка. Успехи физических наук, 1997. - Том 167, 6. - С.665-687. 3. Патент РФ 2067266, кл. F 25 B 9/02, 1996. 4. Патент РФ 2170892, кл. F 25 B 9/04, 2001.

Формула изобретения

1. Вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность камеры снабжена спиралью, причем толщина спирали составляет (0,05-0,3)D, где D-диаметр внутренней поверхности камеры энергетического разделения. 2. Вихревая труба по п. 1, отличающаяся тем, что шаг спирали соответствует пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока.