OДO "ЮРЛЕ-К" в прессе, интернет и на радио:
Журнал "Энергоэффективность"

О коэффициенте преобразования энергии в гидродинамическом теплогенераторе «ЮРЛЕ»

Проблема рационального теплоснабжения по-прежнему остается одной из наиболее важных для Республики Беларусь. Учитывая, что наряду с централизованным теплоснабжением широкое распространение получает и децентрализованное, повышение эффективности источников последнего стало одной из первостепенных задач. Среди установок децентрализованного теплоснабжения определенное место занимают гидродинамические теплогенераторы «ЮРЛЕ», обладающие рядом положительных качеств, таких, как удобство в эксплуатации, надежность и безопасность, экологическая чистота и отсутствие необходимости в значительных капитальных затратах на строительство и эксплуатацию.

Гидродинамический теплогенератор (ГТГ) представляет собой аппарат, в котором кинетическая энергия жидкости (например, воды), приводимой в движение насосом, превращается в тепловую энергию. В ГТГ «ЮРЛЕ» этот процесс интенсифицируется с помощью специального устройства, которое часто именуется собственно теплогенератором, турбулизирующего (завихряющего) поток жидкости (рис. 1). В ГТГ «ЮРЛЕ» приводом насоса служит электродвигатель, и поэтому в итоге происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Вместе с тем, в принципе, привод может быть и механическим и любым другим (например, ветроустановка).
В самом широком плане ГТГ «ЮРЛЕ» могут применяться в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения объектов, в том числе жилых зданий, а также в различных технологических процессах. Однако использование электроэнергии в качестве первичной существенно сужает область их применения и ставит в зависимость от энергетической эффективности их работы. Несмотря на вполне реальную нишу в системах теплоснабжения, для широкого использования ГТГ необходима ясность в величине коэффициента преобразования энергии (КОП). Именно этот параметр, определяющий энергетическую, а, следовательно, и экономическую эффективность установки, стал предметом серьезных дискуссий как с теоретической, так и с прикладной точек зрения, и послужил основанием для проведения специальных испытаний в рамках Государственной научно-технической программы (ГНТП). Причина разгоревшихся в мире дискуссий вокруг подобных теплогенераторов связана, с одной стороны, с существующей в мире информацией (американские, японские, российские и другие источники) о присущем им коэффициенте преобразования энергии (КОП), превышающем, и весьма существенно, 1, а, с другой, — отсутствием каких-либо научных объяснений этого загадочного, противоречащего, на здравый взгляд, фундаментальным законам физики явления.

Рис. 1. Гидродинамический теплогенератор «ЮРЛЕ»

1 - корпус
2 - агрегат электронасосный
3 - теплогенератор
4 - манометр
5 - гибкий рукав
6 - обратный клапан
7 - кран
8 - термодатчик типа ТСМ
9- устройство управления УУ-ЗВ
10 - устройство управления УУ-ЗА

 
автор гидродинамического теплогенератора «ЮРЛЕ» Л.А.Радыно на выставке

 

Несмотря на то, что белорусский вариант ГТГ конструктивно отличается от испытанных в других странах, по данным авторов-разработчиков, а также по результатам некоторых официальных испытаний (Брестские теплосети, НТЦ АО АвтоВАЗ) коэффициент преобразования энергии в нем также превосходит 1. При условии достаточно корректных измерений это свидетельствует о непростом характере протекающих в нем процессов, к тому же связанных с неустановленным источником «избыточной энергии», ведь электрическая энергия при всей ее привлекательности может превращаться в тепловую лишь на 100%, а так как КПД электродвигателя и насоса меньше 100% (правда, можно считать, что, коль речь идет о тепловой энергии, то потери, происходящие в электродвигателе и нагревателе, в конечном итоге превращаются в тепло), то КОП должен быть несколько ниже 1, или, по крайней мере, лишь в пределе приближаться к ней. И по другим источникам (от- «Белэнергоремналадки») он действительно не достигает 1, а составляет лишь 0,87. С научной стороны такой результат, безусловно, более привлекательный, и не содержит никаких загадок, особенно если иметь в виду, что в ГТГ происходит не непосредственное превращение электрической энергии в тепловую, а сначала электрическая энергия превращается в механическую, (кинетическую энергию потока), затем последняя преобразуется в тепловую, что ставит под сомнение даже возможность приближения значения КОП к 1, так как кинетическая энергия воды в данном теплогенераторе превращается в тепло не полностью, а частично (поток циркулирует). Вместе с тем разработчики ГТГ оспаривают объективность результатов испытаний, проведенных «Белэнергоремналадкой», ссылаясь, в том числе, и на другие источники, в частности, американские (например, Eugene Iove, Water-Fueled Kinetic Furnace Enters the New Energy e. Infinite Energy, v.4, issue 19, 1998), согласно которым КОП находится в пределах 1,2 — 7,0. Таким образом, ответ вопрос о величине КОП носит принципиальный характер, так как в случае, если она окажется большей 2,75, эффективность использования первичного топлива (идущего на выработку электроэнергии) в ГТГ превысит свойственную самым экономичным современным котлам. Следует отметить, что с целью объяснения происхождения избыточной энергии предлагаются различные гипотезы и толкования, включая, например, такие, как: наличие систематических ошибок в измерениях теплосчетчиками количества получаемой тепловой энергии ввиду чрезвычайной сложности системы (вихревые, турбулентные течения, газо-паро-жидкостные потоки, что затрудняет определение как расхода, так и теплоемкости среды): реализация принципа работы теплового насоса благодаря возможному явлению Ранка-Хилша, свойственному вихревой трубе; 3) протекание различного рода химических реакций и других процессов на молекулярном уровне, связанных с выделением тепла. Учитывая это, следует констатировать, что с термодинамической точки зрения единственно правильно в данном случае (до окончательного выявления механизмов явления) использовать термин "коэффициент преобразования энергии" вместо КПД установки. Исходя из сложившейся вокруг КОП ГТГ конъюнктуры, любые требования предъявляются к методике испытаний, ставящих цель объективно (насколько это возможно) определить величину коэффициента преобразования энергии, исключив, по возможности, ошибки при учете тепловой энергии с помощью теплосчетчиков (предположительно,. имевшие место в предыдущих испытаниях из-за неординарности гидродинамики системы, в частности возможной многофазности потока, обусловленной эффектом Ранка-Хилша и явлением стратификации, наличия внутренних циркулярных контуров, высоко турбулизированных, вихревых и других сложных течений). Другими словами, в основу методики должен быть положен принцип измерения тепловой энергии, исключающий использование теплосчетчиков (ультразвуковых, электромагнитных и других) и позволяющий с большой степенью достоверности полагать, что сложный физический характер протекающих в теплогенераторе процессов не оказывает влияния на точность проводимых измерений.
Сущность использованной в данной работе методики состоит в следующем. Искомый коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую определяется, как известно, из соотношения полученной и затраченной энергии, т.е.

КОП=Q/W  (1)

где Q - количество полученной тепловой энергии (на выходе из теплогенератора),

Q=cm(t1-t2)  (2)

где с — удельная теплоемкость нагретой воды, ккал/ кг-град; в данном диапазоне температур принимаем с=1 ккал/ кг-град; необходимо отметить, что удельная теплоемкость в уравнении (2) является одной из наиболее дискуссионных характеристик в ранее проведенных испытаниях при измерении количества тепловой энергии; собственно уравнение (2) является базовым в любом теплосчетчике горячей воды, вместе с тем, в случае многофазного течения, которое возможно во внешнем контуре ГТГ, величина с будет отличной от 1; предлагаемая для данных испытаний методика, очевидно, дает основание более корректно принимать с=1 ккал/кг-град, так как при принятом методе измерений расхода она относится сугубо к нагретой воде, а не к паро-газо-жидкостной смеси, как в случае использования теплосчетчиков;
m — масса нагретой воды, кг, измеряемая с помощью образцового мерного сосуда;
t1 — температура нагретой воды, °С, измеряемая на выходе из ГТГ образцовым ртутным термометром;
t2 — температура холодной воды, °С, на входе в ГТГ, измеряемая также ртутным термометром;
W — количество электрической энергии, израсходованной на привод насоса ГТГ, кВт-ч.
С учетом соотношения между единицами измерений выражение (1) окончательно предстанет в виде:

КОП=Q/860W = cm(t1-t2)/860W  (3)

Таким образом, определение коэффициента преобразования энергии в ГТГ сводится к измерению количества нагретой воды за определенный промежуток времени или до достижения определенного объема с помощью образцовой мерной емкости, разности температур воды холодной (на входе в ГТГ) и нагретой (на выходе из него) и количества электроэнергии, потребленной за это время насосом. Точность такого определения КОП будет зависеть от точности измерений вышеперечисленных величин (m, t1, t2, W) и, конечно, обоснованности принятия с=1 ккал/кг-град. Кроме того, необходимо обратить внимание на следующие моменты.
Важным условием проведения испытаний при выбранной методике измерений количества нагретой жидкости (воды) путем сбора ее в мерной емкости при разомкнутом контуре ГТГ является обеспечение стационарного режима работы системы. В качестве основного критерия выхода на стационарный режим служат показания термодатчика, установленного в верхней зоне внутри корпуса ГТГ (после выхода потока из насадки — турбулизатора (завихрителя). При этом допустимые колебания установившейся температуры (50-70°С, в зависимости от величины расхода воды и температуры ее на входе в ГТГ, или в водопроводной сети) не должны превышать +0,1°С. Аналогично (колебания в пределах +0,1°С) должна вести себя и температура t1.
В первую очередь соблюдение стационарного режима необходимо с точки зрения избежания ошибок в измерении количества полученной тепловой энергии из-за возможности внесения в баланс дополнительной энергии, накопленной в течение разогрева установки и выхода на стационарный режим (или исключения из него энергии, израсходованной на подъем температуры воды, находящейся в корпусе ГТГ, выше уровня, соответствующего стационарному режиму).
Безусловно, определенного внимания при установлении величины коэффициента преобразования энергии в ГТГ заслуживает оценка теплопотерь в окружающую среду.
С одной стороны, создав, по возможности, адиабатические условия с помощью хорошей теплоизоляции, потери тепла за счет конвективного переноса от поверхности корпуса теплогенератора можно свети к минимуму. Тепло, передаваемое от верхней нагретой части ГТГ к нижней холодной путем теплопроводности вдоль цилиндрической стенки, идет на подогрев вновь поступающей воды, а следовательно, не является теплопотерей. Наличие градиента температуры вдоль стенки и высокая теплопроводность последней, понижая температуру верхней части корпуса, существенно уменьшают и теплопотери в окружающую среду. Однако при этом могут быть созданы условия неадекватные по отношению к реальным условиям эксплуатации установки и существенно влияющие на физику протекающих в ней процессов, в частности, могут быть исключены режимы, при которых возможны эффекты вихревой трубы или теплового насоса и т.п. Об этом, в определенном смысле, возможно опосредованно, свидетельствует факт, зафиксированный многочисленными предварительными экспериментами, состоящий в том, что при повышении температуры нагретой воды и увеличении тем самым градиента температуры вдоль корпуса установки КОП возрастает. Другими словами, очевидно, методически правильно не теплоизолировать ГТГ во время испытаний (по крайней мере, на данном этапе, до проведения систематических исследований) и лишь констатировать в выводах тот факт, что найденная величина КОП получена без учета теплопотерь. Аналитическая оценка их на данном этапе затруднена из-за сложности задачи по теплообмену ввиду ее многомерности и отсутствия необходимой информации для корректной постановки задачи.

Рис. 2. Схема принципиальная испытательного стенда гидродинамического теплогенератора

Ход Испытаний

Реализация данной методики осуществлялась на испытательном стенде, сооруженном на заводе «Промбурвод» посредством следующей процедуры:

Как следует из принятой методики (уравнение 3), такие показатели, как W, m, t1, t2,, являются основными. При этом величины t1, t2 усреднялись по результатам замеров. Показания теплосчетчика, мощности двигателя являются информативными и использовались при анализе для сопоставления результатов измерений различными методами. Количество потребленной электроэнергии, измеренное с помощью электросчетчика, могло быть сопоставлено с расчетом через мощность двигателя — W=TNcp, где Ncp — среднее значение мощности двигателя, T — время испытания.
Максимально возможная погрешность определения КОП по данной методике с помощью имевшихся на стенде приборов находилась в пределах 2% (в основном, из-за измерений потребленной электроэнергии).
Количество нагретой воды m измерялось с помощью образцовой мерной емкости, 50 дм3, с ценой деления 25 см3. Температура холодной и нагретой воды измерялась образцовыми ртутными термометрами с ценой деления 0,1°С. Суммарная максимально возможная погрешность при измерении количества тепловой энергии, полученной от работы ГТГ, составляла, примерно, 0,5%, без учета теплопотерь (как пояснено выше).

06.07.1999 г. официально назначенная комиссия по приемке данной работы провела испытания гидродинамического теплогенератора «Юрле», разработанного ООО «Юрле-К» и изготовленного на заводе «Промбурвод», и констатировала следующие результаты, представленные в виде
таблиц 1, 2, 3.

Естественно, на данном этапе работы, как отмечалось выше, не ставилась задача раскрытия механизма явлений, имеющих место в ГТГ. 3адача была максимально сужена: принимая ГТГ в качестве «черного ящика», констатировать величину КОП.

В результате испытаний установлено, что коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую в ГТГ при расчете КОП согласно предложенной методике составил:

Однако, на базе анализа представленных в таблицах данных комиссия пришла к выводу, что реальная величина КОП составила, примерно, 1. Такой вывод основывается на том, что в первой серии испытаний, как и во всех остальных, не удалось, в силу объективных причин (в первую очередь, из-за изменения температуры воды на входе в ГТГ), обеспечить стационарный режим в течение всего испытания. В первой серии он был наиболее близок к const., хотя сначала произошло падение температуры t0, что повлекло за собой некоторое завышение количества полученной тепловой энергии, а затем небольшой рост и, следовательно, уменьшение ее. Пределы этих колебаний дают основания полагать, что реальная величина КОП близка к 1. Во второй серии был отмечен существенный рост t0 что отразилось в сторону занижения реальной величины КОП, т.е. он был также близок к 1, и, наконец, в третьей серии наблюдалось значительное падение t0, а следовательно, дополнительное поступление ранее (до начала эксперимента) накопленной тепловой энергии (содержащейся в корпусе ГТГ) в баланс теплогенератора. Прикидочные расчеты подтверждают такое объединение.

Вместе с тем, результаты испытаний позволяют сделать вывод о том, что преобразование энергии в ГТГ не является следствием простой диссипации кинетической энергии воды, а представляет собой сложные физические явления, для установления которых необходимы специальные систематические исследования, направленные, в первую очередь, на проверку имеющихся в специальной литературе гипотез, которые условно можно разбить на следующие группы.

1.Тепловой насос.

Гипотеза о возможном проявлении эффекта, характерного для тепловых насосов, основывается на предположении разделения потока на «холодную» и «горячую» составляющие в результате действия механизма, подобного имеющему место в «вихревой трубе». Проверка данной версии генерации «избыточного тепла», очевидно, возможна путем создания условий, способствующих разделению и препятствующих смешению вышеназванных составляющих потока, при моделировании режима вихревой трубы.

2. "Внутренний" источник энергии.

3. "Внешний" источник энергии иной природы, нежели тепло окружающей среды.

Эта версия также имеет два варианта.

Таким образом, потенциальная возможность генерации «избыточного тепла» в ГТГ «ЮРЛЕ» как будто не противоречит фундаментальным законам термодинамики, а может быть связана с реализацией одного из указанных тонких физических эффектов. Однако, выявление механизмов и оптимизация режимов генерации «избыточного» тепла требуют проведения специальных исследований.

Журнал "Энергоэффективность" 7/1999 г.