К вопросу об энергетике гидродинамических теплогенераторов
Бритвин Л.Н.
Гидродинамические теплогенераторы (ГДТ) на основе вихревых и кавитатационных, процессов в жидкости (преимущественно в воде) в настоящее время используются как для отопления производственных и жилых зданий (выпускаются большим числом производителей в России и за рубежом на приводные мощности электродвигателей от 2,2 до 250 кВт), так и в качестве технологического оборудования (гидродинамичесих реакторов непрерывного действия) в строительной, пищевой, нефтехимической промышленности. ГДТ применяются также в системах подготовки и активации топлива или водно-топливных веществ, снижающих токсичность и повышающих энерговыделение в процессе их сжигания на форсунках или непосредственно в ДВС [1, 2].
В настоящее время имеется большое многообразие патентов на технические решения ГДТ и на способы повышения их эффективности, представлены результаты большого числа испытаний ГТД [1, 2], базирующихся на различных модификациях кавитационно-вихревых процессов в ГДТ. Пользователи ГДТ снижают капитальные затраты на создание системы отопления, уменьшаются эксплуатационные затраты на обогрев по сравнению с обогревом от топливных котельных или электронагревательных котлов.
Опубликованные результаты термодинамической эффективности ГДТ в условиях их реальной эксплуатации показывают, в ряде случаев, получение тепловой энергии, по величине существенно превышающей замеренную по электросчетчику приводного двигателя. В этой связи обычно активно обсуждается как сама возможность избыточного повышения тепловой энергии над механической энергией, подводимой к приводному валу ГДТ, так и корректность проводимых авторами испытаний. Эти сомнения связаны с доказанностью базового закона – закона сохранения энергии для энергетически изолированной от внешней среды физической системы. Для объективной правильной экспериментальной оценки эффективности системы «ГДТ с контуром обогрева и обогреваемым объектом» необходимо обеспечить энергоизолированность этой системы от окружающей среды. Практически в проведенных экспериментах это условие не могло быть обеспечено в полном объеме. В действительности, если обеспечить только изолированность системы по теплу и сохранению массы рабочего вещества (воды) в системе с ГДТ, то остается возможность выделения дополнительной тепловой энергии или счет преобладания физико-химических экзотермических процессов в самой рабочей среде отопительной системы (частичное использование рабочей среды как топлива), или за счет возможных связей внешних энергетических источников окружающей среды с рабочими процессами как в отопительной гидросистеме, так и непосредственно в ГДТ.
На физическом уровне за счет имеющих место при работе ГДТ вихревых, кавитационных, ударно-импульсных, волновых, резонансно-селективных воздействий и различных их комбинаций путем происходящих при этом мощных колебательно-деформационных, электростатических и электромагнитных явлений существенно затрагиваются молекулярно-кластерные структуры и кванто-механические уровни энергии в веществе рабочей среды.
Также важно, что происходящие в ГДТ процессы существенно отличаются от стационарных и больше могут быть отнесены к неравновесным предспинодальным процессам, которые возникают при приближении параметров конденсированного ве-щества к параметрам границы существования его в конденсированной фазе, когда скорость достижения этих параметров существенно выше скорости протекания физико-химических процессов в конденсированном веществе и процессы носят преимущественно «взрывной» характер.
В ГДТ энтропия движущегося вещества периодически и практически мгновенно достигает максимального значения в процессах перехода «жидкость - пар (газ)» и существенно уменьшается в быстропротекающем при ударном сжатии процессе перехода «пар - жидкость», что существенно затрагивает рабочую жидкость на внутримолекулярном уровне и приводит к возбуждению всех структурных образований в рабочей жидкости практически во всем спектре ее резонансных частот. При таких и подобных процессах в ГДТ возможно преобразование внутренней межмолекулярной энергии связей жидкой воды в кинетическую энергию молекул, то есть в тепло. Процесс перехода возбужденного состояния молекулы в тепло протекает (по результатам испытаний) достаточно медленно. Разогретая и активированная (возбужденная) посредством ГДТ в баке вода, после выключения ГДТ обычно продолжает разогреваться в течение нескольких минут и температура воды повышается на 4-6 градусов за счет релаксации кинетической энергии, накопленной посредством силовых связей как в молекулах, так и между молекулами (в кластерах, клатратах, микропузырьках) на всех степенях подвижности вещества рабочей среды, что подтверждается и результатами теоретических положений и расчетов, выполненных в работе Рассадкина Ю.П. [ 2 ].
С другой стороны, отопительная система с ГДТ не является информационно и энергетически изолированной от окружающей среды, поэтому следует учитывать реализацию в находящейся в теплообменных аппаратах и трубопроводах системы жидкости, естественно происходящих в природе процессов, приводящих с течением времени к структуризации движущегося в отопительной системе потока жидкости. Эта структуризация в благоприятных условиях движения и отвода тепла продолжается до момента очередного поступления воды на рабочие органы ГДТ. Именно в процессе структуризации [3 ], когда вещество жидкости стремится к состоянию минимизации его «потенциальной» энергии и энтропия рабочего вещества уменьшается, имеет место (как, например, при конденсации или кристаллизации) выделение тепла, дополнительно замедляющего процесс охлаждения теплообменных аппаратов отопительной системы, что внешне проявляется как избыточное энерговыделение. Сказанным могут быть объяснены достаточно часто наблюдаемые случаи стабилизации температуры в отопительных элементах, расположенных последовательно по пути следования теплоносителя к ГДТ.
Таким образом, при каждом прохождении жидкости через ГДТ происходит разрушение межмолекулярных связей, энтропия рабочей среды возрастает, а с течением времени при движении жидкости по отопительной системе осуществляется новый(дополнительный) разогрев проходящей жидкости за счет воздействия окружающей среды на процесс структуризации рабочей жидкости, приводящий к уменьшению ее энтропии.
Следовательно, можно говорить о существовании двух стадий процесса генерирования тепловой энергии в системах с ГТД, где за счет периодических процессов структурно-фазового преобразования рабочего вещества наблюдается естественное для окружающей среды периодическое изменение энтропии и направления движения тепловой энергии. В первой фазе при прохождении жидкости через ГДТ выделяется в жидкость тепловая энергия разрушенных силовых связей жидкой рабочей среды (энергия на разрушение поступает от двигателя), а во второй стадии тепловая энергия выделяется в жидкость системы отопления за счет ее структуризации в процессе минимизации потенциальной энергии ранее разрушенной ГДТ жидкости. При этом в жидкости, поступившей в теплообменные устройства гидросистемы, в процессе ее движения по гидросистеме формируется более сложная энергетически оптимизированная структура.
Исходя из выше сказанного, эффективность систем отопления с ГДТ существенно зависит как от энергетической эффективности процесса разрушения атомно-молекулярной структуры жидкости, так и от эффективности процесса ее структуризации в процессе движения по гидросистеме от выхода ГДТ к входному патрубку ГДТ, т.е. эффективность устройств с ГТД практически не ограничена, если учитывать возможности внутримолекулярных и внутриатомных процессов структуризации и деструктуризации.
В гидросистемах с ГДТ, по всей видимости, возможны и процессы ХЯС, которые объясняют случаи имеющего место существенного избыточного энерговыделения в системах с ГДТ [1,2 ]. Физические условия и сама возможность возникновения ХЯС в системах с ГДТ в настоящее время в достаточной мере не обоснована современной физикой, не смотря на большие потенциальные возможности для автономной энергетики, которые могло бы дать решение этой задачи.
При эксплуатации отопительных систем с ГДТ или экспериментальной оценке их эффективности обычно выполняют замер тепловой производительности теплогенерирующей установки посредством стандартных тепловых счетчиков, базирующихся на замере разности температуры рабочей жидкости между входом и выходом ГДТ (или промежуточного теплообменника), расходом теплоносителя через ГДТ (или теплообменник), используя стандартный коэффициент теплоемкости теплоносителя.
Здесь важно отметить, что возможна работа теплогенератора совместно с системой отопления, при которой температура в прямой и обратной магистралях системы с ГДТ может быть практически одинакова. В этом случае, несмотря на большой отвод тепла в помещение, погрешность определения тепловой производительности стандартным методом будет недопустима велика. Также необходимо иметь в виду, что эффективная теплоемкость активированной ГДТ жидкости также существенно выше теплоемкости жидкости, разогреваемой, например, электрическим нагревателем. Кроме того, при использовании теплообменника, например, пластинчатого типа, в контуре его охлаждения (где осуществляется замер расхода сливаемой жидкости) идет активное резонансное возбуждение молекулярно-кластерной структуры этой жидкости через разделительную поверхность теплообменника. Энергия этого возбужденного состояния переходит в тепло уже после прохождения сбрасываемой жидкости расходомера и датчика температуры, что существенно занижает замеряемую эффективность, поскольку после завершения процесса релаксации возможно повышение температуры сбрасываемой жидкости на 2-3 градуса. Сказанное лишь указывает на то, что к исследованию систем с ГДТ недопустимо подходить с традиционными методами замера теплопроизводительности.
Для объективной оценки рассмотренных источников тепловой энергии, условия эффективной работы которых существенно зависят от конструкции ГДТ, спектра и интенсивности возбуждения рабочей жидкости, уровня ее структуризации при входе в теплогенератор, режимов работы по температурам и давлениям, наличия или отсутствия тепловых аккумуляторов, конструкции и параметров собственно системы распределения тепла у потребителя, требуется серьезное дополнительное изучение систем ГДТ с привлечением существенно новой измерительной техники и новых измерительных методик, учитывающих приведенную выше информацию.
1. Л.П.Фоминский. Роторные генераторы дарового тепла. Черкассы. «ОКО-Плюс».2003;
2. Ю.П.Рассадкин. Вода обыкновенная и необыкновенная. Москва, 2008;
3. В.В. Артюхов. Общая теория систем: Самоорганизация, устойчивость, разнообразие, кризисы. – М. 2009.
4. Николис Г., Пригожин. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979.