Рисунок 7 - Вихревая труба Ранке: 1 - цилиндрическая труба; 2 - улитка; 3 - диафрагма; 4 - регулировочный конус.
Теплогенератор Потапова очень похож на вихревую трубу Ж. Ранке, изобретенную этим французским инженером еще в конце 20-х годов XX века (патент США №1952281).
В вихревой трубе Ранке, схема которой приведена на рисунке 7, цилиндрическая труба 1 присоединена одним концом к улитке 2, которая заканчивается сопловым вводом прямоугольного сечения, обеспечивающим подачу сжатого рабочего газа в трубу по касательной к окружности её внутренней поверхности. С другого торца улитка закрыта диафрагмой 3 с отверстием в центре, диаметр которого существенно меньше внутреннего диметра трубы 1. Через это отверстие из трубы 1 выходит холодный поток газа, разделяющегося при его вихревом движении в трубе 1 на холодную (центральную) и горячую (периферийную) части. Горячая часть потока, прилегающая к внутренней поверхности трубы 1, вращаясь, движется к дальнему концу трубы 1 и выходит из неё через кольцевой зазор между её краем и регулировочным конусом 4.
Законченной и непротиворечивой теории вихревой трубы до сих пор не существует, несмотря на простоту этого устройства. "На пальцах" же объясняют, что при раскручивании газа в вихревой трубе он под действием центробежных сил сжимается у стенок трубы, в результате чего нагревается тут, как нагревается при сжатии в компрессоре. А в осевой зоне трубы, наоборот, газ испытывает разрежение, и тут он охлаждается, расширяясь. Выводя газ из пристеночной зоны через одно отверстие, а из осевой - через другое, и достигают разделения исходного потока газа на горячий и холодный потоки.
Жидкости, в отличие от газов, практически не сжимаемы, но Юрий Семенович Потапов попробовал запустить в трубу воду. "К его удивлению, вода в вихревой трубе разделилась "на два потока, имеющих разные температуры. Но не на горячий и холодный, а на горячий и тёплый. Ибо температура "холодного" потока оказалась чуть выше, чем температура исходной воды, подаваемой насосом в вихревую трубу. Тщательная же калориметрия показала, что тепловой энергии такое устройство вырабатывает больше, чем потребляет электрической двигатель насоса, подающего воду в вихревую трубу.
Так родился теплогенератор Потапова" [5].
Во многих встреченных мною на эту тему газетных и журнальных публикациях говорится не просто о высокой эффективности теплогенератора Потапова, а о КПД больше 100% (160, 300% и др.). С этим, конечно, трудно согласится. Скорее всего, речь надо вести о коэффициенте трансформации - характеристике теплового насоса.
Тепловой насос - установка, в которой производится отвод энергии от объектов с низкой температурой Тн (примерно равной температуре окружающей среды), к объектом с более высокой температурой Тв (больше температуры окружающей среды). Эффективность теплового насоса определяется количеством теплоты, подведенной к объекту с температурой Тв:
q0 = Tн · ∆s,
где ∆s - разность энтропий в процессах подвода или отвода теплоты.
Теоретическая основа трансформаторов теплоты связана с использованием обратного термодинамического цикла. На рисунке 8 показан такой цикл для теплонасосной установки.
Рисунок 8 - Идеальный обратный обратимый цикл теплонасосной установки.
При этом принято, что все процессы, составляющие цикл - идеальные, то есть в данном случае рассматривается идеальный обратный обратимый цикл Карно.
Принцип работы трансформатора теплоты обобщенно может быть представлен следующей последовательностью процессов. В процессе 1-2 осуществляется адиабатное повышение давления рабочего тела с помощью подвода работы извне. Далее необходим отвод теплоты на температурном уровне Тв (процесс 2-3-охлаждение или конденсация рабочего тела). В процессе 3-4 происходит адиабатное расширение в определенном диапазоне давлений, и, наконец, цикл замыкается процессом 4-1, в котором к рабочему телу подводится теплота на нижнем температурном уровне Тн.
В качестве показателя эффективности теплового насоса используют соотношение:
 |
называемое коэффициентом трансформации.
Этот коэффициент не может быть назван КПД установки, так как не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к этому критерию (в частности, он может иметь численное значение больше единицы, что противоречит второму закону термодинамики). В формуле сопоставляются качественно различные виды энергии - теплота и работа. Известно, что качество вида энергии определяется его способностью превращаться в другой вид энергии. Если работа в идеальном процессе может быть полностью превращена в другой вид энергии, то теплота даже в идеальном процессе лишь частично превращается, например, в работу.
Вот об этом коэффициенте трансформации скорее всего и следует вести речь, говоря о теплогенераторе Потапова. Именно он равен 160%.
Леонид Павлович Фоминский, украинский ученый и изобретатель, сотрудничающий с Потаповым, пытаясь объяснить в [5] работу теплогенератора "Юсмар", подтверждает эту версию: "Правильнее говорить об эффективности теплогенератора - отношении величины вырабатываемой им тепловой энергии к величине потреблённой им для этого извне электрической или механической энергии" - пишет он.
И именно тепловой насос назван в [6] Потаповым в качестве прототипа своего изобретения, однако данное устройство не является тепловым насосом в чистом виде, так как тут отсутствует “передача" теплоты от менее нагретого к более нагретому телу через фазовый переход промежуточного теплоносителя.
Теплогенератор Потапова, схема которого приведена на рисунке 9 присоединяют инжекционным патрубком 1 к фланцу центробежного насоса (на рисунке 3.3 не показан), подающего воду под давлением 4-6 атм. Попадая в улитку 2, поток воды сам закручивается в вихревом движении и поступает в вихревую трубу 3, длина которой раз в 10 больше ее диаметра. Закрученный вихревой поток в трубе 3 перемещается по винтовой спирали у стенок трубы к ее противоположному (горячему) концу, заканчивающемуся донышком 4 с отверстием в его центре для выхода горячего потока. Перед донышком 4 закреплено тормозное устройство 5 - спрямитель потока, выполненный в виде нескольких плоских пластин, радиально приваренных к центральной втулке, соосной с трубой 3. В виде сверху он напоминает оперение авиабомбы или мины.
Когда вихревой поток в трубе 3 движется к этому спрямителю 5, в осевой зоне трубы 3 рождается противоток. В нём вода, тоже вращаясь, движется к штуцеру 6, врезанному в плоскую стенку улитки 2 соосно с трубой 3 и предназначенному для выпуска "холодного" потока.
Рисунок 9 - Схема вихревого теплогенератора: 1 - патрубок; 2 - улитка; 3 - вихревая труба; 4 - донышко; 5,7 - тормозное устройство; 6 - штуцер; 8 - байпас; 9 - патрубок.
В штуцере 6 установлен ещё один спрямитель потока 7, аналогичный тормозному устройству 5. Он служит для частичного превращения энергии вращения "холодного" потока в тепло. А выходящая из него тёплая вода направляется по байпасу 8 в патрубок 9 горячего выхода, где она смешивается с горячим потоком, выходящим из вихревой трубы через спрямитель 5. Из патрубка 9 нагретая вода поступает либо непосредственно к потребителю, либо в теплообменник, передающий тепло в контур потребителя. В последнем случае отработанная вода первичного контура (уже с меньшей температурой) возвращается в насос, который вновь подаёт её в вихревую трубу.
Хотя теплогенератор был изобретен и поставлен на производство уже почти десять лет назад, это загадочное устройство до сих пор осталось не объясненным теоретиками официальной академической науки.
По мере работы над данным дипломом у меня появлялись различные версии происходящих в теплогенераторе "Юсмар" процессов.
На начальном этапе знакомства с установкой Потапова (он происходил благодаря всевозможным газетным, журнальным публикациям и патенту на изобретение теплогенератора №2045715), часто возникали мысли о том, что это все просто шарлатанство. Постоянные упоминания о КПД равном 160% и никаких конкретных научных обоснований этого - вот что было во встреченных материалах. Не было там (ни в патенте ни в статьях) даже габаритных размеров установки.
При посещении чудовского завода "Энергомаш", имеющего лицензию на выпуск теплогенераторов "Юсмар", мне сообщили, что экспериментальная установка, которую завод купил у Потапова, в данный момент не работает, а когда работала ее КПД был ниже 100% (96 - 98%). Представители "Энергомаша" сообщали о данном результате Потапову и приглашали его приехать, но Юрий Семенович отказался, а на низкий КПД ответил что неправильно собрали установку.
Все это наталкивало на мысли о жульничестве, но высокие научные звания изобретателя - доктор технических наук, профессор и академик РАЕН, не позволяли окончательно остановится на этой версии.
А "Энергомаш", действительно, впоследствии стал выпускать модернизированную установку теплогенератора (с КПД около 100%), которая внешне (по габаритам) сильно отличается от исходной. Скорее всего, их новое устройство представляет собой ни что иное как сложное "гидравлическое сопротивление". Оно создает препятствие движению потока в виде совокупности местных гидравлических сопротивлений, обеспечивающих повышенное гидравлическое трение. При прохождении потока через спиральный канал малого сечения его скорость значительно возрастает. При этом гидромеханическая энергия давления (потенциальная) превращается в кинетическую, сопровождаясь тепловыми потерями. В вихре цилиндрической части, ввиду больших скоростей, сопротивление трения еще больше возрастает, что и приводит к превращению кинетической энергии в тепловую, то есть к приросту температуры.
Аналогичный процесс разогрева жидкости наблюдается в любой гидросистеме работающей под давлением (гидропривод), но там это явление негативное (иное назначение системы) и его всячески стараются уменьшить. Здесь же наоборот - акцент ставится именно на разогрев жидкости, поэтому в конструкции теплогенератора и имеются различные тормозные устройства.
Таким образом можно сделать вывод, что вся энергия, поданная на вал насоса благодаря повышенному гидравлическому трению конструкции превращается в тепло. Вода, постоянно циркулируя, проходя малый контур (теплогенератор - насос - теплогенератор) или непосредственно возвращаясь в теплогенератор по перепускному патрубку, многократно преодолевая гидравлические сопротивления нагревается до необходимой температуры и только после этого подается потребителю.
Но таким способом высокой эффективности (коэффициент трансформации φ = 1,6) теплогенератора не получить. Необходимо искать другие версии происходящих в установке "Юсмар" процессов.
В разговоре чудовцы не раз упоминали о сильном шуме, издаваемом теплогенератором Потапова при работе. А что, если причиной этого шума является кавитация? Тогда многое может изменится и высокая эффективность установки "Юсмар" становится вполне реальной.
Кавитацией называется явление парообразования и выделения воздуха, обусловленное понижением давления в жидкости. Появлению кавитации способствует растворенный в воде воздух, который выделяется при уменьшении давления.
Теоретически жидкость начинает кипеть, когда давление в некоторых участках потока снижается до давления ее насыщенных паров. В действительности давление, при котором начинается кавитация, существенно зависит от физического состояния жидкости. Если жидкость содержит большое количество растворенного воздуха, то уменьшение давления приводит к выделению воздуха из жидкости и образованию газовых полостей (каверн), в которых давление выше, чем давление насыщенных паров жидкости. При наличии в жидкости микроскопических, не видимых глазом пузырьков кавитация может возникать при давлениях, превышающих давление насыщенного пара. Каждый навигационный пузырек, формируясь из ядра, растет до конечных размеров, после чего охлопывается. Весь процесс происходит в течение нескольких миллисекунд. Пузырьки могут появляться друг за другом настолько быстро, что кажутся одной каверной.
Наличие в жидкости ядер в виде микроскопических пузырьков трудно объяснить теоретически. С одной стороны, силы поверхностного натяжения должны привести к схлопыванию мелких газовых пузырьков. С другой стороны, более крупные видимые глазом пузырьки должны всплывать и удаляться из жидкости через ее свободную поверхность. Для объяснения присутствия в жидкости газовых пузырьков предлагались различные гипотезы. В частности, предполагалось, что мелкие пузырьки могут образовываться; в мельчайших трещинах на поверхностях, ограничивающих жидкость. Это до некоторой степени подтверждается тем фактом, что кавитация обычно начинается вблизи (или на) таких границах. Однако кавитация может возникать и вдали от ограничивающей стенки, например в центре вихря или в ультразвуковом поле. Если твердые частицы взвешены в жидкости, то гипотеза "поверхностных трещин" по-прежнему подтверждается: только теперь уже роль стенок, где образуются ядра кавитации, выполняют примесные частицы.
Кавитация сопровождается и другими физическим явлениями. Так, в момент схлопывания наблюдается слабое свечение пузырька, называемое сонолюминисценцией. Ранее предполагалось, что оно вызвано рекомбинацией свободных ионов, появившихся в результате тепловой или механической диссоциации молекул на поверхности пузырька. Но Джермен убедительно доказал, что причиной этого свечения является нагревание газа в пузырьке, обусловленное высокими давлениями при его схлопывании. Вспышка может длиться от 1/20 до 1/1000 с. Интенсивность света зависит от количества газа в пузырьке: если газ в пузырьке отсутствует, свечения не возникает.
При схлопывании пузырька внутри него возникают высокие давления и температуры. Предполагалось, что температура окружающей пузырек жидкости весьма высока и составляет около 10000°С.Л. Уилер установил что в материале вблизи схлопывающегося пузырька температура повышается на 500 - 800°С. Схлопывание пузырька происходит в течение милли - или даже микросекунд. Гаррисон показал, что возникающие ударные волны могут привести к высоким перепадам давления (до 4000 атм) в окружающей пузырек жидкости.
Кавитация может возникать под действием звуковых волн - ультрозвуковая кавитация. Она широко применяется в некоторых производственных процессах, например для ускорения химических реакций, очистки, дегазации жидкости, эмульгирования. Во всех этих случаях воздействие ультразвуковой кавитации обусловлено в основном одним или двумя эффектами, создаваемыми ею. Резонирующие пузырьки действуют как смеситель, увеличивая площадь контакта между двумя жидкостями или между жидкостью и ограничивающей ее поверхностью. Этим путем осуществляются процессы очистки и эмульгирования трудно смешиваемых жидкостей.
Ультразвуковая кавитация находит широкое применение для возбуждения химических реакций, которые в противном случае не идут, особенно это относится к реакциям, протекающим в водной среде. Существует большое число химических реакций, которые начинаются или ускоряются под действием ультразвуковой кавитации. Например, если воздействовать ультразвуковыми волнами высокой интенсивности на растворы полимеров, то их вязкость уменьшается вследствие разрушения химических связей в цепочке полимеров.
А почему бы нечто подобному не происходить и в теплогенераторе Потапова. Жидкость под давлением попадает в улитку через узкое выходное отверстие инжекционного патрубка.
Здесь, согласно уравнению Бернулли и закона постоянства расхода:
скорость потока значительно возрастает, но одновременно падает его давление. При таких условиях вполне возможно появление кавитации. Предположим, что в улитку врывается уже не вода а пар. Температура этих паров будет ниже температуры исходной воды, так как часть тепла ушла на ее испарение. Давление паров в циклоне оказывается намного меньше давления жидкости в выходном патрубке, поэтому последняя по перепускному патрубку подсасывается обратно в трубу. Подсасываемая жидкость, температура которой достаточно высока, отдает часть своего тепла холодному пару.
Далее, попав в цилиндрическую часть корпуса теплогенератора, парожидкостная смесь разделяется под действием центробежных сил: вода оттесняется к стенкам установки, а пар занимает центральную ее область. Благодаря трению о стенки, вращающиеся в корпусе теплогенератора вода, а от нее и пар, постепенно нагреваются.
При ударе о тормозное устройство давление в жидкости и паре резко возрастает, что приводит к конденсации ранее испаренной воды. Выделившаяся теплота конденсации идет на увеличение температуры водяного потока. В теплоту превращается и часть кинетической энергии вращающейся воды.
Химический состав водопроводной воды, подаваемой в теплогенератор, довольно разнообразен. Вполне возможно, что в ней найдутся компоненты, которые никак не взаимодействуя между собой при обычных условиях, вступят в реакцию в условиях кавитации. Ведь как уже говорилось в кавитационном пузырьке при его схлопывании возникают значительные давления и температуры. Можно допустить и то, что среди этих реакций могут оказаться и те, которые пойдут с выделением теплоты, а теплота химических реакций зачастую на порядки больше скрытой теплоты фазовых переходов. Знакомство с монографией профессора Л.П. Фоминского "Как работает вихревой теплогенератор Потапова" [5] окончательно убедило меня в существовании данного теплогенератора, то есть в высокой эффективности его работы. Леонид Павлович Фоминский, украинский ученый и изобретатель, академик РАЕН, уже долгое время сотрудничающий с Потаповым, попытался в [5] создать более или менее стройную теорию работы описываемой установки. Он подтверждает и вышеизложенную версию о роли кавитации: "Опыт работы с теплогенератором показывал, что генерация избыточного тепла в нем происходит лишь тогда, когда в вихревой трубе установки интенсивно идет кавитация, усиливаемая резонансными звуковыми колебаниями столба воды в вихревой трубе. Резонанса добивались изменением длины трубы и удачным выбором точки расположения в ней тормозного устройства. При резонансе труба начинала "петь" как закипающий самовар" [5]. Леонид Павлович, объясняя высокую эффективность теплогенератора Потапова, в [5] выдвигает и ряд других интересных гипотез.
1. Дефект массы.
Опираясь на теорему вириала (1870 г. Клаузиус) которая гласит, что во всякой связанной системе движущихся тел, находящейся в состоянии динамического равновесия, средняя во времени энергия их связи друг с другом по своей абсолютной величине в два раза больше средней во времени суммарной кинетической энергии движения этих тел относительно друг друга:
ЕСВ = - 2ЕКИН (1)
Фоминский делает вывод, что суммарная масса-энергия вращающейся системы связанных тел уменьшается с увеличением скорости вращения и она равна ее полной (релятивистской) энергии за вычетом энергии связи:
ЕΣ = ЕП - ЕСВ (2)
а масса вращающейся системы связанных тел не возрастает с увеличением скорости их вращения согласно формуле релятивистского возрастания массы
(3)
а наоборот, уменьшается:
(4)
Уменьшению массы системы на величину Dm соответствует изменение энергии (формула Эйнштейна):
DЕ = Dm · с2. (5)
Такая энергия должна уйти из системы, приводимой во вращение, например, излучится. Излучаемая энергия DЕ в соответствии с (2) равна изменению энергии связи ЕСВ между этими телами.
Таким образом, энергия связи это недостача у системы некоторого количества массы - энергии до величины, равной сумме тех масс - энергий отдельных тел, составляющих систему, которой они обладали до объединения в систему.
Делая вывод, Л.П. Фоминский утверждает, что в соответствии с теоремой вириала изменение энергии связи системы тел при ускорении ее вращения должно быть по абсолютной величине в два раза больше, чем изменение кинетической энергии вращения этой системы.
2. Химические реакции.
Л.П. Фоминский предполагает, что аналогично тому, как заряженная вращающаяся частица порождает магнитное поле, так и вращающаяся, но не заряженная частица может создавать поле вращения - торсионное поле, которое направлено вдоль оси вращения порождающего его тела и обладает бесконечно большой скоростью распространения. Носителями этого поля являются тахионы.
Исследователи торсионных полей давно обратили внимание на то, что эти поля часто изменяют ход кристаллизации расплавов. Исходя из этого Фоминский делает еще одно предположение - похоже, что торсионные поля, поворачивая спины реагирующих частиц (электронов, протонов и даже ядер атомов) могут стимулировать химические реакции взаимодействия воды с солями и другими растворенными в ней веществами, которые при обычных условиях идут плохо или совсем не идут. Ю.С. Потапов, по словам Фоминского, давно уже подметил, что добавка в пресную воду теплогенератора всего лишь примерно 10% морской воды ведет к повышению теплопроизводительности на 10 - 20%. Это происходит по-видимому потому, что в морской воде растворены самые разнообразные химические элементы.
Еще одним существенным стимулятором протекания химических реакций является, как говорилось выше, кавитация, возникающая вблизи тормозных устройств.
3. Ядерные реакции.
Фоминский предположил, что результатом действия торсионного поля в теплогенераторе Потапова является ядерная реакция:
(6)
Откуда же берутся два протона и электрон?
Молекула воды хорошо изучена (рис.10). Электроны атомов водорода занимают вакантные места в наружной электронной оболочке атома кислорода и становятся общими электронами атомов кислорода и водорода. Они большую часть времени проводят между ядром атома кислорода и ядром атома водорода.
В результате атом водорода, имеющий всего один электрон, с противоположной стороны оказывается как бы оголенным от "электронного облака". Поэтому молекула воды выглядит как пушистый (из-за электронных облаков) шарик, на поверхности которого имеется два маленьких положительно заряженных бугорка - ядер атомов водорода (рис.7. Угол между прямыми линиями, соединяющими ядра атомов водорода с ядром атома кислорода в молекуле воды, составляет 104,5 °.
Рисунок 10 - Ковалентные связи в молекуле воды.
У одного атома кислорода и двух атомов водорода появляются общие электроны, в результате чего их электронные оболочки заполняются до конца и образуется прочная молекула Н2О.
Рисунок 11 - Водородная связь.
Положительно заряженный бугорок одной молекулы воды и отрицательно заряженный край (изолированная электронная пара) другой молекулы устанавливаются строго напротив друг друга. В результате наличия положительных зарядов на поверхности молекулы, расположенных не напротив друг друга, а с одной её стороны, молекула воды является электрическим диполем, и вода обладает наибольшей среди всех веществ диэлектрической проницаемостью ε » 81.
Каждая молекула воды своими положительно заряженными бугорками-протонами притягивается к той стороне соседней молекулы воды, с которой нет таких бугорков и которая заряжена отрицательно из-за наличия там электронных облаков. В результате такого притяжения между молекулами воды и возникает связь, которую называют водородной связью из-за того, что она обусловлена ядрами атомов водорода - протонами, находящимися на этой связи. Ну а поскольку бугорки-протоны во всех молекулах воды расположены под одним и тем же определенным углом, то вода в твердом состоянии имеет строго упорядоченную (кристаллическую) структуру льда.
Рисунок 12 - Образование ориентационных дефектов. Перескок протона на соседнюю водородную связь приводит к возникновению пары ориентационных дефектов. Такой перескок протона можно рассматривать как поворот молекулы воды на 120°.
Но иногда и в строгом мире кристаллов, а тем более в жидкой воде с её квазикристаллической структурой, случаются осечки, и в силу той или иной причины (флуктуации, удара фотоном иди др.) протон выбивается с водородной связи и оказывается на соседней. В результате на последней оказываются сразу два протона, занимающих обе разрешенные позиции. Такие водородные связи называют "ориентационно дефектными".
Для протекания ядерной реакции необходима параллельная ориентация спинов обоих протонов. Но параллельная ориентация спинов двух протонов на одной водородной связи запрещена принципом Паули. По мнению Л.П. Фоминского переворачивание спина осуществляется торсионным полем. При этом принцип Паули не нарушается, так как торсионное поле сообщает протону дополнительную энергию, в результате чего протон оказывается на другом энергетическом уровне.
Когда спины обоих протонов на ориентационно-дефектной водородной связи оказываются параллельными, уже ничто не мешает этим протонам вступить в ядерную реакцию.
Но откуда взять электрон? Здесь на помощь Фоминскому пришла гипотеза Л.Г. Сапогина, предлагающая новое объяснение туннельного эффекта. Сапогин объясняет туннелирование следующим образом. Заряд элементарной частицы не постоянен во времени, а периодически изменяется (осциллирует) с чудовищно большой частотой, то возрастая до максимума, то уменьшаясь до нуля по гармоническому закону. В добавок к предыдущей идее он предположил, что и масса электрона тоже осциллирует во времени по гармоническому закону в пределах от нуля до максимума. Автор гипотезы утверждает, что находясь на ближайшей к ядру атома К-орбитали, электрон совершает квантовые скачки в пределах орбитали не беспорядочно, как думали физики, а сквозь ядро атома, каждый раз туннелируя сквозь него. Благополучно электрон туннелирует благодаря тому, что в это мгновение значение заряда и массы электрона близки к нулю, а потому он, в силу закона сохранения импульса, в это время должен развивать очень большую скорость движения сквозь ядро атома.
Таким образом в одной точке пространства оказываются протон и электрон, фигурирующие в уравнении ядерной реакции. При этом суммарный электрический заряд протона и электрона оказываются близким к нулю, и если в этот момент к ним приближается еще один протон, то ему уже не придется преодолевать высокий кулоновский барьер. Потому такие трехчастичные столкновения могут случаться даже чаще, чем столкновения с двумя протонами, ведущие к сближению их на ядерные расстояния.
Реакция (8) ведет к наработке дейтерия, который в свою очередь участвует в других ядерных реакциях:
(9) (10)
И хотя унос львиной доли теплоты нейтрино и g - квантом лишает нас надежд достичь в теплогенераторе Потапова высоких выходов дополнительного тепла за счет ядерных реакций, полученные результаты вселяют надежды на использование установки в качестве генератора дейтерия, гелия-3 и особенно трития, производство которого другими способами весьма сложно, дорого и опасно.
Конечно, все это настоятельно требует чтобы было обращено самое серьезное внимание на дальнейшие исследования вихревого теплогенератора Потапова.
3. Технические предложения по реконструкции системы теплоснабжения музея-заповедника "Витославицы"
Котельная № 48 находится на балансе предприятия МУП "Теплоэнерго". Она обеспечивает теплом и горячей водой музей-заповедник деревянного зодчества "Витославицы". План котельной приведен ниже.
Установленная мощность: 2´1,21 = 2,42 ГДж/час.
Подключенная нагрузка: всего 0,66 ГДж/час, из них
на отопление - 0,38 ГДж/час;
на горячее водоснабжение - 0,280 ГДж/час.
График работы котельной - 95/70.
На котельной в данный момент установлено два чугунных котла типа "Универсал-6" (рис.13) 1973 года выпуска. Эти котлы уже полностью выработали свой ресурс и поэтому, в ближайшем будущем, планируется реконструкция котельной с заменой старых, малоэффективных котлов на новые, более экономичные и имеющие высокий КПД теплогенераторы. Режимная карта на водогрейный котел типа "Универсал-6" приведена в таблице 1.
Достоинствами чугунных котлов являются небольшие габариты и легкая транспортабельность, почти полное отсутствие обмуровки, удобство очистки от наружных загрязнений, простота монтажа при установке и замене секций, возможность набирать необходимую величину поверхности нагрева. Чугунные котлы значительно меньше подвержены кислородной коррозии, так как на литых чугунных поверхностях образуется плотная литейная корка, содержащая кремнезем и обладающая весьма высокими защитными свойствами.
К недостаткам чугунных котлов относятся: малая надежность в работе (растрескивание одной или нескольких секций) и частые остановки на ремонт. Основной причиной растрескивания секций является превышение допустимого предела прочности металла в эксплуатационных условиях вследствие ухудшения отвода тепла от стенки из-за появления на ее внутренней поверхности слоя накипи и недостаточной скорости циркуляции воды.
Рисунок 13 - Чугунный секционный котел "Универсал": 1 - штуцер для присоединения трубопровода горячей воды; 2 - ниппеля: 3 - средние секции; 4 - стяжной болт; 5 - задняя лобовая секция; 6 - штуцер присоединения обратного трубопровода; 7 - поворотные колосники; 8 - зольная дверка; 9 - привод поворотных колосников; 10 - шуровочная дверка; 11 - кирпичный свод в топке; 12 - боковые дымоходы.
Таблица 1 - Режимная карта на водогрейный котел типа "Универсал-6"
| Наименование параметров | Тепловые нагрузки,% | |
| 40 | 83 | |
| Производительность, ГДж/час | 0,490 | 1,005 |
| Давление воды на котле, МПа | 0,14 | 0,14 |
| Давление воды до котла, МПа | 0,16 | 0,16 |
| Низшая теплота сгорания газа, кДж/м3 | 33513 | 33513 |
| Число газовых горелок, шт | 2 | 3 |
| Давление газа перед горелками, МПа | 0,015 | 0,025 |
| Разрежение в топке, мм в. ст. | 1,2 | 2,0 |
| Температура воздуха перед горелками, °С | 20 | 20 |
| Температура уходящих газов, °С | 121 | 149 |
| Разрежение за котлом, мм в. ст. | 1,9 | 2,5 |
| Состав уходящих газов,%: СО2 О2 | 8,8 5,3 | 10 3,2 |
| Расход газа на котел, м3/час | 18,4 | 35 |
| Коэффициент избытка воздуха | 1,34 | 1,18 |
| Потери тепла,%: с уходящими газами в окружающую среду | 5,38 15,22 | 6,16 8,00 |
| Температура газа, °С | 23 | 21 |
| КПД | 79,40 | 85,84 |
| Удельный расход топлива, м3/ГДж | 157,3 | 145,8 |
| Удельный расход условного топлива, кг/ГДж | 179,8 | 166,7 |
Нормальную работу котельной круглосуточно контролируют 4 машиниста, что является дополнительным стимулом для ее реконструкции: заработная плата машинистов больше суммарной стоимости произведенного на котельной тепла.
Не менее важными причинами для проведения реконструкции так же являются:
отсутствие на котельной автоматики регулирования. Температура горячей воды, идущей на отопление и горячее водоснабжение музея не зависит от температуры наружного воздуха. Регулирование осуществляется периодически, что приводит к дополнительным потерям тепла, а, следовательно, к бесцельному сжиганию топлива, что резко снижает экономическую эффективность котельной.
регулярное обслуживание газового оборудования. Сюда входит:
проверка исправности газорегуляторной установки (ГРУ) без разборки;
техническое обслуживание ГРУ с разборкой оборудования;
техническое обслуживание, ремонт и проверка газового счетчика;
техническое обслуживание и ремонт автоматики и газового оборудования;
ремонт и проверка контрольно-измерительных приборов.
Текущий ремонт (техническое обслуживание газорегуляторной установки) и техническое обслуживание автоматики необходимо проводить раз в месяц, техническое обслуживание газовых счетчиков - раз в три месяца, а плановый ремонт ГРУ - раз в год. Все это требует не малых финансовых затрат.
планово-предупредительные ремонты основного и вспомогательного оборудования котельной. Так как данные котельные агрегаты проработали уже 28 лет (при нормативном сроке службы в 20 лет), они требуют более частых и тщательных текущих и капитальных ремонтов, более внимательного повседневного обслуживания.
экология. Котельная находится в музее-заповеднике, где собраны ценнейшие образцы народного деревянного зодчества. Их необходимо сохранить для будущих поколений. При таких условиях вредные выбросы, естественно, крайне не желательны.
Для теплоснабжения музея-заповедника "Витославицы" предлагается установить два теплогенератора "Юсмар-1М", технические характеристики которого приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Технические характеристики теплогенератора "Юсмар - 1М"
| Наименование параметра | Значение параметра |
| Мощность электродвигателя насоса, кВт | 2,8 |
| Напряжение сети, В | 380 |
| Число оборотов электродвигателя, об/мин | 2900 |
| Рекомендуемые марки водяного насоса | ЦГ 12,5/50-К-4-2 КМ-20-30 |
| Напор, м | 32 - 50 |
| Подача, м3/час | 8,0 - 12,5 |
| Обогреваемая площадь, кв. м | 90-100 |
| Средний расход электроэнергии на обогрев помещения с заданной в п.4 площадью, кВт/ч | 1,4 |
| Теплопроизводительность, ккал/ч | 3498 |
| Масса установки (с бойлером), кг | 130 |
| Объем воды в отопительной системе (ориентировочно), л | 70-100 |
| Стоимость полного комплекта (теплогенератор, насос, бойлер, система управления), $ | 1300 |
| Номинальная температура нагрева системы, °С | 40 - 60 |
| Максимальная температура жидкости на малом круге циркуляции, °С | 98 |
| Диаметр по осям отверстий фланца, мм | 110 |
| Длина теплогенератора, мм | 620 |
| Диаметр трубы, мм | 53 |
| Масса теплогенератора, кг | 6,5 |
В установке "ЮСМАР-М" вихревой теплогенератор в комплекте с погружным насосом помещены в общий сосуд-бойлер с водой (рис.14) для того, чтобы потери тепла со стенок теплогенератора, а также тепло, выделяющееся при работе электродвигателя насоса, тоже шли на нагрев воды, а не терялись. Габариты сосуда-бойлера: диаметр 650 мм, высота 2000 мм. Автоматика периодически включает и отключает насос теплогенератора, поддерживая температуру воды в системе (или температуру воздуха в обогреваемом помещении) в заданных потребителем пределах. Снаружи сосуд-бойлер покрыт слоем теплоизоляции, которая одновременно служит звукоизоляцией и делает практически неслышимым шум теплогенератора даже непосредственно рядом с бойлером.
Установки "ЮСМАР-М" питаются от промышленной трёхфазной сети 380 В, полностью автоматизированы, поставляются заказчикам в комплекте со всем необходимым для их работы и монтируются поставщиком "под ключ".
На эти установки, рекомендуемые для использования как в промышленности, так и в быту (для обогрева жилых помещений путем подачи горячей воды в батареи водяного отопления), имеются технические условия ТУ У 24070270, 001-96 и сертификат соответствия РОСС КиМХОЗ. С00039.
Рисунок 14 - Схема теплоустановки "ЮСМАР-М": 1 - вихревой теплогенератор, 2 - электронасос, 3 - бойлер, 4 - циркуляционный насос, 5 - вентилятор, 6 - радиаторы, 7 - пульт управления и блок автоматики, 8 - датчик температуры.
Как уже говорилось ранее, для теплоснабжения музея предлагается установить два теплогенератора "Юсмар-1М". Первая установка предназначена для отопления зданий музея. Расход горячей воды в системе отопления не подвержен резким изменениям, поэтому потребитель подключается непосредственно к бойлеру теплогенератора (рис.15).
Рисунок 15 - Схема подключения тепловой установки "Юсмар-1М" к системе отопления: 1 - теплоустановка "Юсмар-1М"; 2 - циркуляционный насос; 3 - пульт управления и автоматики; 4 - термодатчик; 5 - радиаторы.
Второй теплогенератор необходим для обеспечения музея-заповедника горячей водой. В этом случае расход воды потребителем колеблется во времени. Поэтому, теплогенератор "Юсмар-1М" подключается к системе горячего водоснабжения не напрямую, а через теплообменник (рис.16).
Рисунок 16 - Схема подключения тепловой установки "Юсмар-1М" к системе горячего водоснабжения: 1 - теплоустановка "Юсмар-1М"; 2 - циркуляционный насос; 3 - пульт управления и автоматики; 4 - термодатчик; 5 - теплообменник; 6 - бак-аккумулятор; 7 - кран горячей воды.
Санитарными нормами установлено, что температура воды, идущей на горячее водоснабжение, должна быть не менее 55˚С. Для того чтобы вода в баке-аккумуляторе 6 нагревалась до этой температуры надо подобрать необходимую площадь поверхности теплообменника 5.
Пусть данный теплообменник выполнен в виде змеевика из латунной трубки, наружный и внутренний диаметры которой равны dВ / dН = 14/16 мм. Рассчитаем необходимую длину этого змеевика.
Расход воды на горячее водоснабжение (нагреваемый теплоноситель) составляет: Gг. в. = 0,530 кг/с; расход воды через змеевик (греющий теплоноситель) принимаем равным G’г. в. =0,720 кг/с (G’г. в. равно расходу воды на отопление).
Объем V бойлера-аккумулятора принимаем исходя из следующего условия: запаса горячей воды в нем должно хватить на бесперебойное снабжение потребителей в течение 8 часов.Т.о.
V = Gг. в. · 8 · 3,6 = 0,53 · 8 · 3,6 » 15 м3. (4.1)
Отсюда следует: диаметр бака - D = 1,5м; высота бака - L = 2 м.
Температуры греющего теплоносителя: на входе - t11 = 95 °С, на выходе - t12 = 60 °С.
Температуры нагреваемого теплоносителя: на входе - t21 = 20 °С (принимаем из условия, что 1/3 горячей воды возвращается с температурой 50˚С, а 2/3 добавляем из водопровода с температурой 5˚С), на выходе - t22 = 55 °С.
Определим скорости движения теплоносителей в змеевике W1 и в баке-аккумуляторе W2:
(4.2)
(4.3)
(4.4) (4.5)
Для расчета коэффициента теплоотдачи α необходимо знать среднюю температуру воды в змеевике t1СР и в баке-аккумуляторе t2СР:
Для того, чтобы определить режим течения жидкости по змеевику и в баке, найдем числа Рейнольдса, Re1 и Re2 соответственно:
(4.6) (4.7)
Где: ν1 = 0,00000038 м2/с - кинематическая вязкость воды при температуре t1CР;
ν2 = 0,00000049 м2/с - кинематическая вязкость воды при температуре t2CР;
Так как Re1 > 10000 - режим течения воды в змеевике - турбулентный. Коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности греющих труб к омывающей их воде α1 в бойлере рассчитывается с использованием уравнения подобия:
(4.8) (4.9)
Где: Pr1=2,55 и Pr1СТ=2,64 - критерии Прандтля при температуре воды t1СР=69,21°С и tСТ = t1СР - 2 = 67,21°С соответственно;
λ1 = 0,686 Вт/м· К - коэффициент теплопроводности воды при t1СР.
Так как скорость течения воды в баке очень мала, можно предположить, что теплообмен между горячим змеевиком и омывающей его водой происходит благодаря свободной конвекции. Она представляет собой обычно подъемное течение, обусловленное подъемной силой, действующей на нагретые на поверхности слои жидкости. Соответственно на холодной стенке устанавливается опускное течение. В качестве безразмерного критерия подобия для свободной конвекции используется число Гразгофа, Gr2
(4.10)
где: L - высота бака-аккумулятора;
g - ускорение свободного падения;
Θ0 - температура наружной поверхности трубы;
V - температура жидкости вне узкой области свободноконвективного движения;
ν - кинематическая вязкость жидкости.
Таким образом, для нашего случая:
(4.11)
Теплоотдачу при свободной конвекции от нагретого змеевика к жидкости можно рассчитать по уравнению:
(4.12) (4.13)
Во всех аппаратах периодического действия происходит нестационарный теплообмен. Уравнение теплопередачи при нестационарном режиме работы имеет вид:
Q = k · F · D t · τ, (4.14)
где: τ - время работы аппарата;
Dt - средний температурный напор за время τ.
Уравнение теплопередачи и теплового баланса для всей поверхности теплообмена F за интервал времени dτ имеет вид:
dQ = kF Dt dτ = G1c (t11 - t1) dτ = G2c dt2, (4.15)
где: Dt - средняя разность температур между теплоносителями в момент времени τ;
t1 - текущее значение температуры греющего теплоносителя;
dt2 - изменение температуры нагреваемой воды за время dτ.
Температурный напор Dt в момент времени τ рассчитывается как среднелогарифмическая разность температур:
(4.16)
Так как температуры t1 и t2 со временем изменяются, то Dt является функцией времени. Подставляя Dt в (15), получаем:
(4.17)
откуда:
(4.18) (4.19)
Таким образом, подставляя известные величины, получим:
(4.20)
откуда: kF = 1865Вт/мК. (4.21)
Коэффициент теплопередачи определим по формуле:
(4.22)
Определим площадь поверхности теплообмена F и длину змеевика l:
(4.23) (4.24)
Таким образом из расчета видно, что для обеспечения потребителей горячей водой с температурой tГВ = 55˚С, необходимая длина змеевика теплообменника составляет 37 м. Диаметр змеевика можно принять равным DЗМ = 1,2 м.
Экономическая часть
Сравним экономический эффект котельной при ее реконструкции с установкой теплогенераторов фирмы Юсмар и при условии, что будут устанавливаться водогрейные котлы типа ТГ-120 (Гейзер-01), режимная карта которого приведена в таблице 3.
Таблица 3 - Режимная карта на водогрейный котел типа ТГ-120
| Наименование параметров | Тепловые нагрузки,% | |
| 40 | 83 | |
| Производительность, ГДж/час | 0,172 | 0,343 |
| Давление воды на котле, МПа | 0,14 | 0,155 |
| Давление воды до котла, МПа | 0,17 | 0, 19 |
| Низшая теплота сгорания газа, кДж/м3 | 33513 | 33513 |
| Число газовых горелок, шт | 1 | 1 |
| Давление газа перед котлом, МПа | 20 | 16 |
| Разрежение за котлом, мм в. ст. | 0,5 | 1,5 |
| Температура уходящих газов, °С | 95 | 145 |
| Состав уходящих газов,%: СО2 О2 | 4,4 13,2 | 4,4 13,2 |
| Расход газа на котел, м3/час | 5,7 | 11,8 |
| Коэффициент избытка воздуха | 2,51 | 2,51 |
| Потери тепла,%: с уходящими газами в окружающую среду | 6,60 2,5 | 10,98 2,7 |
| КПД | 90,90 | 86,32 |
| Удельный расход топлива, м3/ГДж | 139,0 | 143,9 |
| Удельный расход условного топлива, кг/ГДж | 159,0 | 164,5 |
Определение себестоимости вырабатываемого тепла находится по выражению:
(5.1)
где ΣЭ - годовые эксплуатационные затраты в руб.;
Qгод - годовой отпуск тепла в ГДж.
Годовой отпуск тепла подсчитывают по формуле:
(5.2)
где Q = 0,66ГДж/час - производительность котельной в час;
m = 220 - количество дней отопительного периода;
tв = +18˚С - внутренняя температура в помещении;
tср = - 2,6˚С - наружная средняя температура отопительного периода;
tно = - 27˚С - наружная температура для проектирования системы теплоснабжения;
Годовые эксплуатационные затраты определяют по уравнению:
ΣЭ=Этоп+Ээл. эн. +Эвод+Эзар+Эамор+Этек. рем. +Эобщ. расх., руб/год (5.3)
где: Этоп - затраты на топливо;
Ээл эн - затраты на электроэнергию;
Эвод - затраты на используемую воду;
Эзар - затраты на заработную плату;
Эамор - амортизационные отчисления;
Этек. рем - затраты на текущий ремонт;
Эобщ. расх - затраты общекотельные и прочие расходы.
Определим затраты на эксплуатацию котлов ТГ-120.
1 затраты на топливо:
Этоп = kпот · B · hгод · Стоп, руб/год (5.4)
где kпот = 1,055 - коэффициент, учитывающий складские, транспортные и прочие потери; В = 11,8 м3/ч - часовой расход топлива на один котел при максимальной нагрузке; n =2 - количество установленных котлов (без резервных); hгод - число часов использования установленной мощности котельной в год: hгод = 24 · тот +24 · тг. в. = 8760часов, где тот - количество дней отопительного периода; тг. в. - количество дней летнего периода;
Стоп = 49коп/м3 - стоимость газа;
Этоп = 1,055 · (11,8 · 2 · 220 + 11,8 · 145) · 24 · 0,49 = 85644 руб/год, (5.5)
2 затраты на потребляемую электроэнергию:
Ээл. эн = N · hгод · Сэл. эн. руб/год, (5.6)
где N - установленная мощность электродвигателей в кВт:
Nот = 5,5кВт - мощность электродвигателя насоса системы отопления,
Nг. в. = 4,5кВт - мощность электродвигателя насоса системы горячего водоснабжения;
hгод - число часов использования установленной мощности котельной в год:
hот = 220 часов,
hг. в. = 365 часов;
Сэл. эн =0,72 руб/кВт·ч - стоимость электроэнергии за 1 кВт · ч потребляемой мощности;
Ээл. эн. = 24· (220· (5,5+4,5) +145·4,5) ·0,72 = 49291 руб/год. (5.7)
3 затраты на используемую воду:
Эвод = Dмакс · hгод · Свод, (5.8)
где Gмакс = 2/3 · Gг. в. ·= 2/3 · 3,34 = 2,23 м3/час - максимальный часовой расход добавочной воды;
Свод = 7,61 руб/м3 - стоимость 1м3 добавочной воды;
Эвод = 24 · 365 · 2,23 · 7,61 = 148660 руб/год. (5.9)
4 затраты на заработную плату:
Так как котлы ТГ-120 полностью автоматизированы, в обслуживающем персонале нет необходимости. Достаточно того, чтобы система управления и сигнализации котлов была выведена на диспетчерский пульт МУП "Теплоэнерго".
Эзар = 0 руб/год.
5 затраты на амортизационные отчисления:
Эамор = Р1 · Сстр + Р2 · Соб, руб/год, (5.10)
где P1 = 0,032 - процентные отчисления от стоимости общестроительных работ;
Сстр = 0 - сметная стоимость общестроительных работ в руб;
P2 = 0,082 - процентные отчисления от стоимости оборудования с монтажом;
Соб = СТГ-120 + Смонт = 2 · 64000 + 20000 =148000 руб –
сметная стоимость оборудования и его монтажа;
Эамор = 0,032 · 0 + 0,082 · 148000 = 12136 руб/год. (5.11)
6 затраты на текущий ремонт принимают в размере 20 - 30% затрат на амортизацию и, следовательно, подсчитывают по выражению:
Этек. рем = (0,2 ÷ 0,3) Эамор = 0,25 · 12136 = 3034 руб/год. (5.12)
7 затраты на общекотельные и прочие расходы принимают в размере 30% суммы амортизационных отчислений, годового фонда зарплаты и затрат на текущий ремонт, т.е.
Эобщ. расх = 0,3 (Эамор + Этек. рем + Эзар) = 0,3 · (12136+3034) = = 4551 руб/год. (5.13)
Таким образом, годовые затраты на эксплуатацию котлов ТГ-120 составят:
ΣЭ = 85644 + 49291 + 148660 + 12136 + 3034 + 4551 = 303316 руб/год, (5.14)
а себестоимость 1 ГДж тепла будет равна:
(5.15)
Рассчитаем затраты на эксплуатацию теплогенераторов "Юсмар-1М".
1 затраты на топливо:
Этоп = 0.
2 затраты на потребляемую электроэнергию:
Ээл. эн = N · hгод · Сэл. эн. = ( (5,5+2·2,8+4,5) ·220+ (2,8+4,5) ·145) ·24·0,72 = = 77596 руб/год, (5.16)
3 затраты на используемую воду:
Эвод = Dмакс · hгод · Свод = 2,23 · 365 · 7,61 = 148660 руб/год. (5.17)
4 затраты на заработную плату:
Так как теплогенераторы "Юсмар-1М", как и котлы ТГ-120 полностью автоматизированы, в обслуживающем персонале нет необходимости. Достаточно того, чтобы система управления и сигнализации теплогенераторов была выведена на диспетчерский пульт МУП "Теплоэнерго".
Эзар = 0 руб/год.
5 затраты на амортизационные отчисления:
Эамор = Р1 · Сстр + Р2 · Соб, руб/год =, (5.18)
где P1 = 0,032 - процентные отчисления от стоимости общестроительных работ; Сстр = 0 - сметная стоимость общестроительных работ в руб; P2 = 0,082 - процентные отчисления от стоимости оборудования с монтажом;
Соб = СЮсмар-1М + Смонт = 2 · 39000 + 20000 =98000 руб –
сметная стоимость теплогенератора "Юсмар-1М" и его монтажа;
Эамор = 0,032 · 0 + 0,082 · 98000 = 8036 руб/год. (5.19)
6 затраты на текущий ремонт принимают в размере 20 - 30% затрат на амортизацию и, следовательно, подсчитывают по выражению:
Этек. рем = (0,2 ÷ 0,3) Эамор = 0,25 · 8036 = 2009 руб/год. (5.20)
7 затраты на общекотельные и прочие расходы принимают в размере 30% суммы амортизационных отчислений, годового фонда зарплаты и затрат на текущий ремонт, т.е.
Эобщ. расх = 0,3 (Эамор + Этек. рем + Эзар) = 0,3 · (8036 + 2009) = = 3014 руб/год. (5.21)
Таким образом, годовые затраты на эксплуатацию теплогенераторов "Юсмар-1М" составят:
ΣЭ = 77596 + 148660 + 8036 + 2009 + 3014 = 239315 руб/год, (5.22)
а себестоимость 1 ГДж тепла будет равна:
(5.23)
Таким образом, себестоимость вырабатываемого 1 ГДж тепла на котельной с теплогенераторами фирмы Юсмар (159 руб/ГДж) на 21,3% меньше себестоимости тепла, выработанного на котельной, где установлены котлы ТГ-120 (202 руб/ГДж).
Экономический эффект котельной с установками "Юсмар-1М" составляет:
Э = (202 - 159) • 1501 = 64543 руб/год. (5.24)
Экология
При сжигании топлива входящие в его состав горючие элементы соединяются с кислородом воздуха. При этом происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую, идущую на нагрев продуктов сгорания топлива.
Природный газ, сухое беззольное высокоценное топливо, имеет следующий состав, считая по объему:
метан СН4 от 85 до 98,3%;
тяжелые углеводороды СnHm от 2 до 6%;
двуокись углерода СО2 от 0,1 до 1,0%;
азот N2 от 1 до 5%.
Теплота сгорания сухого природного газа колеблется в пределах от 30,6 до 36,9 МДж/м3.
Продуктами полного сгорания топлива является двуокись углерода СО2, сернистый газ SО2 и водяные пары Н2О. Кроме того, компонентами продуктов сгорания топлива являются азот N2, содержавшийся в топливе и атмосферном воздухе, и избыточный кислород О2, который содержится в продуктах сгорания топлива, потому что процесс горения протекает не идеально и связан с необходимостью подачи большего, чем теоретически необходимо, количества воздуха.
В котельной №48 в настоящее время тепло получают путем сжигания газообразного топлива.
Согласно режимным картам на водогрейные котлы типа "Универсал-6", установленных на котельной, состав уходящих газов следующий: СО2 - 9,8%; О2 - 3,6%; СО - отсутствует. Для того, чтобы определить количество выбросов оксидов азота, произведем следующий расчет. Суммарное количество оксидов азота NOx в пересчете на NO2 (в г/с), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, рассчитывается по формуле:
МNOx = Bp · Qгi · КгNO2 · βк · βt · βα, (6.1)
где: Вр - расчетный расход топлива; при работе котла в соответствии с режимной картой с достаточной степенью точности может быть принято Вр = В = 0,01м3/с - фактическому расходу топлива на котел; Qгi = 33,441МДж/м3 - низшая теплота сгорания топлива; КгNO2 - удельный выброс оксидов азота при сжигании газа, г/МДж. Для водогрейных котлов:
КгNO2 =0,013 √Qт + 0,03 = 0,013 · √0,3344 + 0,03 = 0,0375г/МДж, (6.2)
где Qт - фактическая тепловая мощность котла по введенному в топку теплу, МВт, которое определяется по формуле:
Qт = Вр · Qгi = 0,01 · 33,44 = 0,3344 г/МДж. (6.3)
βк = 1 - безразмерный коэффициент, учитывающий принципиальную конструкцию горелки. βt - безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха, подаваемого для горения:
βt = 1 + 0,002 · (tгв - 30) = 1 + 0,002 · (20 - 30) = 0,98, (6.4)
где tгв = 20˚С - температура горячего воздуха. βα = 1,225 - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота. Таким образом, суммарное количество оксидов азота будет равно:
МNOx = 0,01 · 33,44 · 0,0375 · 1 · 0,98 · 1,255 = 0,015 г/с. (6.5)
При реконструкции котельной №48 с заменой старых котлов типа "Универсал-6" на теплогенераторы "Юсмар-1М" этих нежелательных выбросов можно будет избежать, так как в данной установке процесс выработки тепла происходит без участия какого-либо вида органического топлива. Получение тепла с помощью теплогенератора Потапова - абсолютно экологически чистый способ.
Дата: 2019-05-28, просмотров: 247.
