Кавитационный теплогенератор: устройство, виды, применение

Для отопления помещений или нагрева жидкостей зачастую применяются классические приспособления – тэны, камеры сгорания, нити накаливания и т.д. Но наряду с ними применяются устройства с принципиально иным типом воздействия на теплоноситель. К таким устройствам относится кавитационный теплогенератор, работа которого заключается в формировании пузырьков газа, за счет которых и возникает выделение тепла.

Основная задача кавитационного теплогенератора – образование газовых включений, а от их количества и интенсивности будет зависеть качество нагрева. В современной промышленности существует несколько видов таких теплогенераторов, отличающихся принципом выработки пузырьков в жидкости. Наиболее распространенными являются три вида:

  • Роторные теплогенераторы – рабочий элемент вращается за счет электропривода и вырабатывает завихрения жидкости;
  • Трубчатые – изменяют давление за счет системы труб, по которым движется вода;
  • Ультразвуковые – неоднородность жидкости в таких теплогенераторах создается за счет звуковых колебаний низкой частоты.

Помимо вышеперечисленных видов существует лазерная кавитация, но промышленной реализации этот метод еще не нашел. Теперь рассмотрим каждый из видов более детально.

Кавитационный теплогенератор: устройство, виды, применение

Роторный теплогенератор

Состоит из электрического двигателя, вал которого соединен с роторным механизмом, предназначенным для создания завихрений в жидкости. Особенностью роторной конструкции является герметичный статор, в котором и происходит нагревание. Сам статор имеет цилиндрическую полость внутри – вихревую камеру, в которой происходит вращение ротора. Ротор кавитационного теплогенератора представляет собой цилиндр с набором углублений на поверхности, при вращении цилиндра внутри статора эти углубления создают неоднородность в воде и обуславливают протекание кавитационных процессов.

Рис. 3: конструкция генератора роторного типа

Количество углублений и их геометрические параметры определяются в зависимости от модели вихревого теплогенератора. Для оптимальных параметров нагрева расстояние между ротором и статором составляет порядка 1,5мм. Данная конструкция является не единственной в своем роде, за долгую историю модернизаций и улучшений рабочий элемент роторного типа претерпел массу преобразований.

Одной первых эффективных моделей кавитационных преобразователей был генератор Григгса, в котором использовался дисковый ротор с несквозными отверстиями на поверхности. Один из современных аналогов дисковых кавитационных теплогенераторов приведен на рисунке 4 ниже:

Рис. 4: дисковый теплогенератор

Кавитационный теплогенератор: устройство, виды, применение

Несмотря на простоту конструкции, агрегаты роторного типа достаточно сложные в применении, так как требуют точной калибровки, надежных уплотнений и соблюдения геометрических параметров в процессе работы, что обуславливает трудности их эксплуатации. Такие кавитационные теплогенераторы характеризуются достаточно низким сроком службы – 2 — 4 года из-за кавитационной эрозии корпуса и деталей. Помимо этого они создают достаточно большую шумовую нагрузку при работе вращающегося элемента. К преимуществам такой модели относится высокая продуктивность – на 25% выше, чем у классических нагревателей.

Трубчатые

Статический теплогенератор не имеет вращающихся элементов. Нагревательный процесс в них происходит за счет движения воды по трубам, сужающимся по длине или за счет установки сопел Лаваля. Подача воды на рабочий орган осуществляется гидродинамическим насосом, который создает механическое усилие жидкости в сужающемся пространстве, а при ее переходе в более широкую полость возникают кавитационные завихрения.

В отличии от предыдущей модели трубчатое отопительное оборудование не производит большого шума и не изнашивается так быстро. При установке и эксплуатации не нужно заботиться о точной балансировке, а при разрушении нагревательных элементов их замена и ремонт обойдутся куда дешевле, чем у роторных моделей. К недостаткам трубчатых теплогенераторов относят значительно меньшую производительность и громоздкие габариты.

Ультразвуковые

Кавитационный теплогенератор: устройство, виды, применение

Данный тип устройства имеет камеру-резонатор, настроенную на определенную частоту звуковых колебаний. На ее входе устанавливается кварцевая пластина, которая производит колебания при подаче электрических сигналов. Вибрация пластины создает волновой эффект внутри жидкости, который достигая стенок камеры-резонатора и отражается. При возвратном движении волны встречаются с прямыми колебаниями и создают гидродинамическую кавитацию.

Рис. 5: принцип работы ультразвукового теплогенератора

Далее пузырьки уносятся водным потоком по узким входным патрубкам тепловой установки. При переходе в широкую область пузырьки разрушаются, выделяя тепловую энергию. Ультразвуковые кавитационные генераторы также обладают хорошими эксплуатационными показателями, так как не имеют вращающихся элементов.

Пять основных преимуществ

Каждый продавец расхваливает свой товар. Когда начинаешь выбирать модель теплового насоса отопления, менеджер специализированного магазина всегда назовет пять его плюсов.

  1. Безопасность.
  2. Экологичность.
  3. Повсеместность применения.
  4. Универсальность использования.
  5. Экономическая эффективность.

Все великолепно, но если тщательно разобраться с каждым пунктом всплывают некоторые нюансы.

Читайте также:  Как выбрать уличные обогреватели (газовые, инфракрасные) (видео)

С вопросом безопасности и экологичностью сложно поспорить. Взрываться и воспламеняться попросту нечему. Хладагенты в современных моделях абсолютно безвредны и для природы и для человека.

Тепловая энергия в рассеянном виде действительно есть в наличии в любом уголке планеты, но есть ли там электричество. Ведь для функционирования любого теплового насоса непременно требуется бесперебойное электроснабжение. Если на электросетях случится авария, то дом останется и без электричества и без тепла. Чтобы не допустить этого необходимо будет запастись дополнительным дизель-генератором. Для чего опять же нужно топливо, об экологичности и безопасности которого сложно уже говорить. Получается замкнутый круг.

Тепловой насос способен не только обогревать коттедж в холода, но и в жаркое время охлаждать его. Однако гораздо дешевле приобрести обыкновенный кондиционер. Это будет намного экономичней в частном доме.

А вот экономическую эффективность такого отопления следует рассмотреть несколько подробней.

Экономическая составляющая системы

Для получения 10 кВт теплоэнергии на обогрев коттеджа придется потратить 2-3 кВт энергии электрической, без которой компрессор попросту не в состоянии работать. КПД в 300-500% привлечет практически каждого.

Однако на практике самый бюджетный вариант такого обогрева – это воздушный тепловой насос для отопления дома, закачивающий в испаритель для получения тепла воздух с улицы. Действительно, при атмосферных температурах от нуля до +10-15 С получаются те самые 500% КПД.

А вот уже при отрицательных температурах производительность резко падает. И при серьезных заморозках вообще уходит в минус. То есть для получения необходимого объема тепла придется электроэнергии затратить больше этой самой тепловой энергии в киловаттах.

Единственным решением в регионах с серьезными морозами является установка тепловых насосов отопления, которые качают тепло не из воздуха, а из земли либо воды. Но здесь сразу же встает вопрос стоимость создания подобной системы.

Если под жилищем есть гидротермальные источники, то все будет достаточно привлекательным с финансовой точки зрения. Со временем все окупится.

А вот при обустройстве геотермальной системы придется заглубляться в грунт на 5-6 м и более при внешнем горизонтальном теплообменнике, и на 100-150 м при вертикальном варианте. Для понимания масштабов работ – при горизонтальной системе трубопроводов на каждый киловатт выдаваемой мощности нужно около 50 квадратов площади на участке. Копать придется много.

Безусловно, стоимость всех этих работ будет значительной. В каждом случае нужно считать индивидуально – оправданы ли такие затраты или нет. Часто более приемлемым будет тот или иной вариант отопления с помощью электричества.

Также интересно: огромный спектр проектно-монтажных работ предоставляет компания Стандарт Климат. Прекрасное качество и отличные цены.

Назначение

Отопление – основная функция тепловых насосов. При этом не каждая модель способна дать необходимую тепловую мощность для полноценного отопления.

Охлаждение – предусмотрено в большинстве воздушных моделей. А вот многие грунтовые устройства не способны работать на охлаждение без дополнительной техники, которая приобретается отдельно. Вертикальные ТН обеспечивают лучшее охлаждение, чем горизонтальные тепловые машины.

Горячее водоснабжение (ГВС) – реализовано за счет встроенного водонагревателя или возможности подсоединения к внешнему бойлеру. Подобные насосы относятся к воздушному типу и встречаются редко.

Отопление и ГВС – сочетание двух режимов. Универсальный вариант.

Преимущества теплового насоса

Среди преимуществ теплового насоса следует выделить:

  • Высокую эффективность
  • Возможность переключения с режима отопления на режим кондиционирования и его последующее использование летом для охлаждения помещений
  • Возможность использования эффективной системы автоматического контроля
  • Экологическую безопасность
  • Компактность( размер не более бытового холодильника)
  • Бесшумность работы
  • Пожарную безопасность, что особенно важно для обогрева загородных домов

Среди недостатков теплового насоса следует отметить его высокую стоимость и сложность монтажа.

Как работает Тепловой Насос?

Теперь поговори о том как работает тепловой насос. Для того, что понять принцип работы теплового насоса нам нужно разобраться в нескольких вещах.

1. Тепловой насос способен извлекать тепло даже при отрицательной температуре.

Большинство будущих домовладельцев не могут понять принцип работы теплового насоса Воздух-Вода (в принципе любого воздушного теплового насоса), так как не понимают каким образом может извлекаться тепло из воздуха при отрицательной температуре зимой. Вернемся к основам термодинамики и вспомни определение теплоты.

Теплота — форма движения материи, представляющая собой беспорядочное движение образующих тело частиц (атомов, молекул, электронов и др.).

Даже при температуре 0˚С (ноль градусов по Цельсию), когда замерзает вода, в воздухе все еще есть теплота.  Ее значительно меньше чем, например при температуре +36˚С, но тем не менее и при нулевой и при отрицательной температуре происходит движение атомов, а значит и происходит выделение теплоты.

Читайте также:  Как сделать обогреватель из батареи своими руками

Движение молекул и атомов полностью прекращается при температуре -273˚С (минус двести семьдесят три градуса по Цельсию), что соответствует абсолютному нулю температуры (ноль градусов по шкале Кельвина). То есть и зимой при минусовой температуре в воздухе есть низкопотенциальное тепло, которое можно извлекать и переносить в дом.

2. Рабочая жидкость в тепловых насосах — хладагент (фреон).

Как работает Тепловой Насос?

Хладагент R-410А, используемый в тепловых насосах

Что такое холодильный агент? Хладагент — рабочее вещество в тепловом насосе, которое отбирает теплоту от охлаждаемого объекта при испарении и передает тепло рабочей среде (например, воде или воздуху) при конденсации.

Особенность хладагентов в том, что они способны закипать и при отрицательных и при относительно низких температурах. Кроме того хладагенты могут переходить из жидкого состояния в газообразное и наоборот. Именно во время перехода из жидкого состояния в газообразное (испарения) происходит поглощение теплоты, а во время перехода из газообразного в жидкое (конденсации) происходит передача теплоты (отделение тепла).

3. Работа теплового насоса возможна благодаря его четырем ключевым компонентам.

Для того, чтобы понять принцип работы теплового насоса его устройство можно разделить на 4 основные элементы:

  1. Компрессор, который сжимает хладагент для повышения его давления и температуры.
  2. Расширительный клапан — терморегулирующий вентиль, который резко понижает давление хладагента.
  3. Испаритель — теплообменник, в котором хладагент с низкой температурой поглощает тепло от окружающей среды.
  4. Конденсатор — теплообменник, в котором уже горячий хладагент после сжатия передает тепло в рабочую среду отопительного контура.

Именно эти четыре компонента позволяют холодильным машинам производить холод, а тепловым насосам — тепло. Для того, чтобы разобраться как работает каждый компонент теплового насоса и для чего он нужен предлагаем просмотреть видео о принципе работы грунтового теплового насоса.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Что дешевле для отопления: электричество, газ или тепловой насос?

Приведем затраты на подключение каждого из типа отопления. Для представления общей картины возьмем Московскую область. В регионах цены могут отличаться, но соотношение цен останется прежним. В расчетах принимаем, что участок «голый» — без проведеного газа и электричества.

Затраты на подключение

Тепловой насос. Укладка горизонтального контура по ценам МО – 10 000 рублей за смену экскаватора с кубовым ковшом (выбирает до 1 000 м³ грунта за 8 часов). Система для дома в 100 м² будет закопана за 2 дня (справедливо для суглинка, на котором можно снять до 30 Вт тепловой энергии с 1 м.п. контура). Порядка 5 000 рублей потребуется для подготовки контура к работе. В итоге, горизонтальный вариант размещения первичного контура обойдётся в 25 000.

Скважина выйдет дороже (1 000 рублей за погонный метр, с учётом монтажа зондов, обвязки их в одну магистраль, заправкой теплоносителем и опрессовкой.), но значительно выгоднее для будущей эксплуатации. При меньшей занятой площади участка возрастает отдача (для скважины 50 м – минимум 50 Вт с метра). Покрываются потребности насоса, появляется дополнительный потенциал. Поэтому вся система будет работать не на износ, а с некоторым запасом мощности. Разместить 350 метров контура в вертикальных скважинах – 350 000 рублей.

Газовый котёл. В Московской области за подключение к газовой сети, работы на участке и монтаж котла «Мособлгаз» запрашивает от 260 000 рублей.

Электрический котел. Подключение трёхфазной сети обойдётся в 10 000 рублей: 550 – местным электросетям, остальное – на распределительный щит, счётчик и прочее наполнение.

Потребление

Эксплуатация

  • Если подведён газ, то наиболее рентабельный вариант для отопления – газовый котёл. Стоит оборудование (9 кВт) минимум 26 000 рублей, месячная оплата за газ (по 12 ч/сутки) составит 1 850 рублей.
  • Мощное электрооборудование выгоднее с точки зрения организации трёхфазной сети и приобретения самого оборудования (котлы – от 10 000 рублей). Тёплый дом будет стоить 11 437 рублей за месяц.
  • С учётом первоначальных вложений в альтернативное отопление (оборудование 275 000 и монтаж горизонтального контура 25 000), ТН, расходующий электричества на 3 430 руб/месяц, окупится не ранее чем через 3 года.
Читайте также:  Как подключить тэн аристон с терморегулятором

Сравнивая все варианты отопления, при условии создания системы «с нуля», становится очевидным: газ будет не намного выгоднее геотермального теплонасоса, а обогрев электричеством в перспективе 3 лет безнадёжно проигрывает обоим этим вариантам.

С подробными расчётами в пользу эксплуатации теплового насоса можно ознакомиться, просмотрев видео от производителя:

Некоторые дополнения и опыт эффективной эксплуатации освещены в этом ролике:

Паровое отопление

Отопление мембранным бачком

Иногда паровое отопление ассоциируется с водяными отопительными сооружениями. И здесь практически нет ошибки, но есть один нюанс: пар доводится до кипения.

Принцип действия парового отопления заключается в том, что вода в котле нагревается для образования пара, а затем эта охлаждающая жидкость подается по трубам в нагревательные элементы.

Система отопления с паровым охлаждением состоит из следующих компонентов:

  • Тепловой генератор, представленный в виде котла, который нагревает воду и собирает пар;
  • выпускной клапан, который регулирует поступление пара в систему;
  • Главные линии;
  • Радиатор.

Важно отметить, что использование пластиковых труб при монтаже паровых отопительных конструкций строго запрещено.

Что касается классификации парового отопления, то она абсолютно аналогична классификации систем водяного отопления.

Расчет мощности установки

Мощность ТН зависит от многих факторов. В список входит предполагаемый объем теплоотдачи системам дома, площадь поверхности змеевиков в конденсаторе и испарителе, объем хладагента. По этим причинам целесообразнее доверить расчет мощности специальным программам, которые учитывают и другие данные

Самый популярный вариант — использование онлайн сервисов-калькуляторов. В них требуется ввести такие параметры:

  • для расчета объема — общую площадь здания, высоту потолков;
  • регион, где построен дом — для определения среднегодовой температуры;
  • степень утепления объекта — для определения производительности установки.

Для расчета используются коэффициенты: в них преобразуют два последних параметра. Затем их умножают на объем помещения. Полученный результат сравнивают с таблицей, в которой мощность насоса связана с объектом.

Обычно получаются такие значения:

  • чтобы отопить дом, имеющий площадь 100-150 м2, необходим тепловой насос мощностью 5-8 кВт, а для подогрева воды потребуется запас по мощности — 12-16 кВт;
  • для отопления здания площадью 350 м2 понадобится прибор, который сможет обеспечить 28 кВт.

Понятно, что цифры все же получаются приблизительными, однако ориентироваться на них можно.

Замечания по монтажу и запуску

Для долговременной работы оборудования и его высокой эффективности следует соблюдать некоторые правила:

  • Монтаж насоса производят так, чтоб его вал находился горизонтально. Для оборудования с «мокрым» ротором такое требование является обязательным! Ориентация трубопроводов (вертикальный, горизонтальный или наклонный участок) значения не имеет.
  • Клеммная коробка должна располагаться сверху. Это обеспечит безопасность даже в случае возможных протечек.

Подробный обзор схем подключения радиаторов отопления в частном доме.

  • Современные агрегаты позволяют установку и на подачу, и на обратку, но расположение на обратном участке снизит тепловые нагрузки и увеличит ресурс оборудования.
  • При монтаже обязательно предусмотреть байпас для циркуляционного насоса. Это позволит при отсутствии электропитания использовать отопительную систему в режиме с естественной циркуляцией.
  • В качестве рабочей выбирается средняя скорость оборудования. Запуск системы осуществляется на самой высокой скорости (в системах с автоматикой отключается блокировка).
  • После запуска следует удалить скопившийся воздух через предусмотренные в конструкции специальные клапаны.

Где применяется циркуляционный насос для отопления частного дома

Системы отопления бывают двух типов: с естественной и принудительной циркуляцией. Первый тип актуален для домов, квадратура которых не превышает 100 м². При большей площади невозможен равномерный прогрев всех радиаторов. Теплоноситель будет плохо двигаться по трубопроводу, что неизбежно спровоцирует большие теплопотери.

Циркуляционный насос, входящий в состав отопительной системы второго типа, обеспечивает движения теплоносителя по системе теплоснабжения с определённой скоростью. В процессе монтажа не нужно контролировать уклон труб, которые могут иметь меньший диаметр. Благодаря нагнетательной циркуляции удаётся обеспечить равномерность прогрева различных точек отопительного контура, и, как следствие, всех комнат, независимо от их расположения относительно котла. Циркуляционный насос для ГВС позволяет поддерживать напор воды на заданном уровне.

Циркуляционный насос обеспечивает стабильную скорость движения теплоносителя