С.В. Козлов. Возможно ли получение дополнительной энергии тепловыми гидродинамическими насосами?
Тепловые гидродинамические насосы типа "ТС1" ("вихревые теплогенераторы") - современные, высоко-эффективные, автономные, энергосберегающие системы отопления, теплоснабжения и ГВС. Они предназначены для:
- автономного отопления жилых, офисных, спортивных, производственных и складских помещений, теплиц и т.д.;
- нагрева воды для: бытовых и технологических целей, бань, прачечных, бассейнов и т.д.
Серийно выпускаемые (ТУ 3631-001-78515751-2007, Сертификат соответствия N РОСС RU.АЯ46.В12043) тепловые гидродинамические насосы типа "ТС1" представляют собой стандартный асинхронный электродвигатель 3000 об/мин, напряжением питания 380 В., смонтированный на одной раме с теплогенератором, преобразующим механическую энергию в тепловую. Они полностью подготовлены для подключения к новой или существующей системе отопления, а конструкция и габариты тепловой установки упрощают ее размещение и монтаж в тепловом узле. Общий вид теплового гидродинамического насоса показан на фото 1.
|
|
|
Фото 1. Тепловой гидродинамический насос "ТС1-075". |
![[]](/img/k/kozlow_sergej_wladimirowich/energiaizvodi/energiaizvodi-1.jpg)
Около четырехсот установок "ТС1" эксплуатируются в регионах РФ, ближнем и дальнем зарубежье: в Москве и Московской области, в Архангельске, Выборге, Екатеринбурге, Калининграде, Липецке, Магнитогорске, Нижнем Новгороде, Омске, Оренбурге, Орле, Орске, Самаре, Санкт-Петербурге, Тольятти, Туле, Чебоксарах, Череповце и др. городах, в Башкирии и Якутии, в Белоруссии, Казахстане, Узбекистане, Украине, АР Крым, Южной Корее и Японии.
Каждый день мы сталкиваемся с ТЭНовыми нагревателями, это: электрочайники, стиральные машины и т.д. Производители ТЭНов декларируют КПД = 95 - 97%, и никого это не удивляет. Однако когда электрокотлы заменяют тепловыми гидродинамическими насосами, и энергопотребление уменьшается в три - пять раз, возникает вопрос: "Где тепловые гидродинамические насосы берут энергию"? В настоящее время мы не можем однозначно ответить на этот вопрос, так как имеется несколько аспектов проблемы, каждый из которых требует фундаментальных исследований. Производители оборудования не имеют возможности, как самостоятельно произвести исследования, так и финансировать проведения таких работ. Тем не менее, накопленный опыт эксплуатации тепловых гидродинамических насосов позволяет высказать несколько гипотез.
Вода - самое распространенное вещество на Земле, общее содержание воды на Земле составляет примерно 1500 млн. км3 (1,45?1018 м3) [1]. Формула воды - Н2О. Молярная масса воды - 18 г/моль. Вода имеет молекулярное строение.
Молекула H2O cостоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, что составляет 88,9% и 11,1% соответственно от массы всей молекулы.
Водород воды имеет три изотопа: протий Н1 (протон + электрон), дейтерий Н2 или Д (протон + нейтрон + электрон), тритий Н3 или Т (протон + два нейтрона + электрон), с массовыми числами соответственно 1, 2 и 3. Протий и дейтерий - стабильные изотопы. Тритий - бета радиоактивен, период полураспада равен 12,26 года. Атомы Н бывают разной степени возбуждения.
Кроме водорода, изотопы обнаружены и у кислорода, причем целых пять. Помимо всем известного стабильного изотопа О16 (с молекулярным весом 16). Три из них оказались радиоактивными - О14, О15 и О19, а О17 и О18 - стабильными. О16, О17 и О18 содержатся во всех природных водах, причем их соотношение (с колебаниями до 1%) таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18.
Поскольку Вселенная в основном состоит из атомов водорода, космические ядра водорода протоны, пронизывая атмосферу, захватывают О2, образуют Н2О. В этой воде много трития и дейтерия. Каждые сутки на Землю падает 1,5 тонны тритировано-дейтерированой воды [2]. Таким образом основным источником природного трития, дейтерия и радиоактивных кислородов является атмосфера.
Учитывая виды и содержание изотопов водорода (Н, Д, Т) и кислорода (О14, О15, О16, О17, О18, О19), можно говорить о большом разнообразии изотопных разновидностей воды. Девять разновидностей включают только стабильные изотопы и составляют основное содержание природной воды. В ней преобладает обычная вода Н2О16 (99,73%), далее следует тяжелокислородные воды Н2О17 (0,04%) и Н2О18 (0,2%), а также изотопная разновидность тяжелой воды HДO16 (0,03%) [2]. Исследование тонких механизмов изменения структуры воды возможно методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Метод ЯМР позволяет непосредственно следить за молекулами воды, другие методы дают опосредованную информацию. Ядерную магнитную релаксацию изучают на ядрах Н, Д и О17, изотопные отношения которых в природной воде составляет 1:69000 для Н:Д и 1:5:2500 для О17:О18:О16 [3].
В дальнейшем, говоря о воде и называя ее общеизвестную формулу Н2О, мы будем иметь в виду, что состав ее многообразен, но основной компонент Н12О16 .
Вода - самое загадочное вещество на свете. Она не подчиняется некоторым законам физики и химии, обладает, как говорят ученые, аномальными свойствами [4,5].
|
|
Рассмотрим график рис. 1. Он показывает зависимость температур кипения и плавления водородных соединений от значений относительной молекулярной массы. Из графика видно, что с увеличением молекулярной массы увеличиваются температуры плавления и кипения, но вода не подчиняется этой закономерности. По законам химии она должна кипеть при температуре - 76 ®С, и замерзать при температуре - 90 ®С. Но мы знаем, что вода замерзает при 0 ®С, а кипит при 100 ®С. |
|
Рис. 1. Зависимость температур плавления (а) и кипения (б) веществ от относительной молекулярной массы |
|
![[]](/img/k/kozlow_sergej_wladimirowich/energiaizvodi/energiaizvodi-2.jpg)
Молекула Н2О полярная с частичным положительным зарядом на атомах водорода и частичным отрицательным зарядом на атоме кислорода. Между атомами Н и О разных молекул возникает электростатическое притяжение (рис. 2). Такое взаимодействие называется водородной связью, которую на схемах обозначают точками или пунктиром. Водородные связи могут связывать три, четыре, пять, шесть молекул воды, образуя "ассоциаты" ("клатраты"), имеющие значительно большие значения молекулярных масс, поэтому вода при нормальных условиях - жидкость. Между молекулами H2S, H2Se и H2Te водородные связи не возникают, и эти вещества при обычных условиях газообразные. Имя клатраты, от латинского "clathratus", что значит "сажать в клетку", было дано Пауэллом в 1948.
![[]](/img/k/kozlow_sergej_wladimirowich/energiaizvodi/energiaizvodi-3.jpg) |
Вода способна к полимеризации - соединению большого числа молекул обычной воды в кластеры и цепочки. Такая вода имеет ряд совершенно новых физических свойств, в частности она кипит при температуре более высокой, чем обычная. Необычные свойства воды объясняются способностью ее молекул образовывать межмолекулярные ассоциаты за счет ориентационных, индукционных и дисперсионных взаимодействий (сил Ван-дер-Ваальса) и за счет водородных связей между атомами водорода и кислорода соседних молекул. Благодаря этим воздействиям молекулы воды способны образовывать как случайные ассоциаты, т.е. не имеющие упорядоченной структуры, так и "кластеры" - ассоциаты, имеющие определенную структуру. |
|
Рис. 2. Ассоциаты (клатраты) воды. |
|
В результате исследований структуры чистой воды, проведенных д.б.н. Зениным С.В. (Федеральный научный клинико-экспериментальный центр ТМДЛ Минздрава России), были обнаружены стабильные долгоживущие кластеры воды [6,7]. Число возможных способов соединения тетраэдрических молекул воды друг с другом и стабильных конфигураций жидких кристаллов на их основе не ограничено. Считается возможным существование таких агломератов, как (Н2О)2, (Н2О)4, (Н2О)20 [8], (Н2О)24 (объединение трех октаэдрических структур), а также таких супермолекул, как структура (Н2О)57 в форме додекаэдрического тетраэдра [6,9] и объединение 16 таких структур в единый конгломерат (Н2О)912 [7]. Свойства кластеров зависят от того, в каком соотношении выступают на поверхность кислород и водород. Причём конфигурация элементов воды реагирует на любое внешнее воздействие и примеси, что объясняет чрезвычайно лабильный характер их взаимодействия.
Согласно статистическим расчетам, в работах [10-12] утверждается, что в обычной воде совокупность отдельных молекул воды и случайных ассоциатов составляет 60% (деструктурированная вода), а 40% - это кластеры (структурированная вода). В работе [13] уточняется, что 30% всех молекул воды находятся в виде отдельных молекул, а 30% приходятся на случайные ассоциаты не имеющих определенной структуры. Средняя продолжительность жизни молекулы в ассоциатах составляет 1*10-9 с.
Каждый отдельный кластер живет очень небольшое время, однако именно поведение кластеров влияет на структуру воды. Крупные кластеры при тепловом движении могут распадаться на более мелкие, которые, вероятно, могут самопроизвольно достраиваться в более крупные. Способность молекул воды образовывать кластеры, в структуре которых закодирована информация о взаимодействиях характеризует ее структурно-информационные свойства, т.е. "память" воды [11]. Вода является открытой, динамичной самоорганизующейся системой, в которой стационарное равновесие смещается при любом внешнем воздействии. В результате этого взаимодействия возникает переходное состояние, которое, вследствие процессов самоорганизации, может привести воду или в исходное, или в новое стационарное состояние. Оно характеризуется изменением разных характеристик, но, прежде всего, структурно-информационного свойства. Это изменение происходит в результате взаимодействия воды с внешними или внутренними воздействиями, проявляющееся в переструктурировании в ней водных кластеров, изменении межмолекулярных взаимодействий, а также спектральных и физико-химических характеристик. Все возможные состояния молекул воды энергетически практически не различимы, так как имеющиеся отличия не превышают величину энергии теплового (броуновского) движения молекул и их ассоциатов в системе.
Большинство попыток объяснить аномальные свойства воды с помощью наличия водородных связей и их количества в зависимости от тех или иных воздействий на воду сталкиваются с проблемой оценки энергии, необходимой для изменения структуры [14]. Как мы уже отмечали, такие оценки сильно отличаются количеством водородных связей, разрываемых или соединяемых в процессе структурных изменений. Как правило, требуются значительные энергозатраты для таких изменений. В то же время отмечаются изменения структуры воды, связанные с чрезвычайно низким уровнем энергетического воздействия [15].
Еще один аспект, на который необходимо обратить внимание, это тот, что реальная природная вода сильно отличается от "идеальной". Природная вода представляет собой раствор, содержащий газы, минералы, органику, гуминовые вещества (высокомолекулярные, полимерные природные вещества). В зависимости от конкретного состава этого раствора, свойства воды могут изменяться в достаточно больших диапазонах. Например, опыт эксплуатации тепловых гидродинамических насосов показал, что жесткость воды со временем снижает эффективность работы агрегатов. Последствия влияния других параметров могут быть не столь заметными, чтобы быть выявленными простыми наблюдениями, проведенными производственниками, но это влияние вероятнее всего есть.
![[]](/img/k/kozlow_sergej_wladimirowich/energiaizvodi/energiaizvodi-4.jpg) |
Рассмотрим, какое воздействие на воду оказывает тепловой гидродинами-ческий насос. При рекомендуемом расходе теплоносителя в системе 3,6 м3/час, поток в трубопроводе системы прокачивается циркуляционным насосом поступательно с линейными скоростями V1 = V4 = 1 м/мин. Попадая внутрь корпуса активатора теплоноситель под воздействием разных сил начинает двигаться по сложной траекто- |
|
Рис. 3. Схема скоростей потока воды в системе. |
|
рии. Скачкообразно изменяется поступательная линейная скорость потока, снижаясь до V2 = 0,14 м/мин, через активатор вода прокачивается за 3,5 минуты. Одновременно поток вовлекается дисками во вращательное движение с частотой вращения 3000 об/мин. Линейная скорость вращающегося потока изменяется от V3 = 565 м/мин у вала, до V3 = 3485 м/мин у корпуса активатора. Под действием центробежных сил вода перемещается от центра к периферии активатора. В центре возникает разряжение, а у корпуса избыточное давление. Кроме этого диски имеют отверстия и специальный профиль поверхности, которые вызывают турбулентность в потоке воды. Создаются условия для возникновения гидравлической кавитации.
Кавитация (от лат. cavitas -- пустота), образование в жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения pkp (в реальной жидкости pkp приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Двигаясь с потоком и попадая в область давления р < ркр, они теряют устойчивость и приобретают способность к неограниченному росту. После перехода в зону повышенного давления и исчерпания кинетической энергии расширяющейся жидкости рост пузырька прекращается, и он начинает сокращаться. Если пузырёк содержит достаточно много газа, то по достижении им минимального радиуса он восстанавливается и совершает нескольких циклов затухающих колебаний, а если газа мало, то пузырёк схлопывается полностью в первом периоде жизни.
Если бы жидкость была идеально однородной, а поверхность твёрдого тела, с которым она граничит, идеально смачиваемой, то разрыв происходил бы при давлении, значительно более низком, чем давление насыщенного пара жидкости. Прочность на разрыв воды, вычисленная при учёте тепловых флуктуаций, равна 150 Мн/м2 (1500 кг/см2). Реальные жидкости менее прочны. Максимальное растяжение тщательно очищенной воды, достигнутое при растяжении воды при 10 ®С, составляет 28 Мн/м2 (280 кг/см2) [16]. Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков твёрдого тела, твёрдых частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопических газовых пузырьков, предохраняемых от растворения мономолекулярными органическими оболочками, ионных образований.
В теплогенераторе пузырьки возникают в зоне разряжения и отбрасываются центробежными силами на периферию, где схлопывается. Гидродинамическая кавитация характеризуется тем, что вся масса жидкости участвует в процессах образования (развития и схлопывания) кавитационных полостей. Создаются условия генерирования кавитационных пузырьков, близких по величине диаметра.
Газы и пары внутри пузырька сжимаются, интенсивно выделяя тепло, за счет которого повышается температура жидкости в непосредственной близости от пузырька, и, таким образом, создается горячая микрообласть. Несмотря на то, что температура этой области чрезвычайно высока, сама область настолько мала, что тепло быстро рассеивается. Согласно оценкам Иллинойского университета в Эрбана-Шампен скорости нагрева и охлаждения жидкости превышают 109oC/с. Это соответствует скорости охлаждения расплавленного металла при его выплескивании на поверхность, охлажденную до температуры вблизи абсолютного нуля. Таким образом, в любой момент времени основная масса жидкости имеет температуру окружающей среды. Точные значения температур и давлений, достигаемыe при схлопывании пузырька, трудно определить как теоретически, так и экспериментально. Для приближенного описания динамики схлопывания пузырька были предложены различные теоретические модели, характеризующиеся разной степенью точности. Недостаток всех этих моделей - невозможность точного описания динамики пузырька на заключительных стадиях схлопывания. Температуру схлопывающегося пузырька невозможно измерить термометром, поскольку рассеивание тепла происходит слишком быстро. Д. Хаммертон установил наличие двух различных температурных областей, связанных со схлопыванием пузырька [17]. Газ, содержащийся в пузырьке, достигает температуры около 5500oC, тогда как жидкость в непосредственной близости от пузырька - 2100oC. Для сравнения - температура пламени ацетиленовой горелки составляет около 2400oC. Хотя давление, достигаемое при схлопывании пузырька, труднее определить экспериментально, чем температуру, между этими двумя величинами существует корреляция. Таким образом, для максимального давления можно получить оценку 500 атм.
Реально, в зависимости от температуры теплоносителя на входном патрубке и объема прокачки, за один проход через активатор, теплоноситель нагревается на 14 - 24оС. Рекомендуемый объем прокачки для тепловых гидродинамических насосов в зависимости от установленной мощности электродвигателя приведен в табл. 1.
Таблица 1.
|
Мощность установки, кВт |
55 |
75 |
90 |
110 |
|
Рекомендованный средний объем прокачки, м3/час |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
6,0 |
Тепловые гидродинамические насосы, воздействуя на воду, вызывают в ней ряд явлений нетипичных для других видов нагревательных устройств.
Первое явление, достаточно легко наблюдаемое после прохода воды через активатор, это - выделение растворенных газов, которые сбрасываются из системы с помощью регулировочных клапанов. Так как гидравлическая система "закрытого типа", то есть, практически нет подпитки новой водой, обескислороженная вода начинает забирать кислород из окислов металла труб. Со временем трубы очищаются от ржавчины. На практике газы могут выделяться в течение полутора месяцев эксплуатации. Причем, чем меньше растворенных газов в воде, тем более эффективно работает тепловой гидродинамический насос.
Второе наблюдаемое явление - продолжение процесса тепловыделения вне устройства - в прямой магистрали трубопровода. При установке на магистрали нескольких термометров, более удаленные от выходного патрубка показывают температуру выше, чем менее удаленные. Вероятнее всего это связано с тем, что процесс, происходящий в пространстве между диском и крышкой корпуса с выходным патрубком, не успевает завершиться, и кавитационные пузырьки выходят в магистраль. "Последействие" процесса приводит к тому, что тепловыделение происходит некоторое время и после отключения электропитания.
Третье явление - "безинерционность" - меньшее время нагрева воды и, соответственно, большее время остывания, по сравнению с ТЭНовыми нагревателями, требует экспериментального подтверждения.
Рассмотрим подробнее это явление. Термодинамическая температура с молекулярно-кинетической точки зрения -- физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул. Хаотичность -- важнейшая черта теплового движения.
При прямом электронагреве ТЭНами, ближайший слой воды нагревается до температуры кипения, а по мере удаления от нагревательного элемента температура воды падает. Образование паровой подушки приводит к снижению теплоотдачи и перегреву нагревательного элемента. В тепловом гидродинамическом насосе процесс нагрева идет в значительно большем объеме воды и при более высоких температурах. Кроме этого, за счет высоких скоростей перемешивания воды в объеме воды практически нет температурного градиента.
По нашему мнению есть еще один фактор, способствующий более эффективному нагреву, это - воздействие ударных волн. Ударная волна, образующаяся при схлопывании пузырька, упорядоченно разгоняет молекулы в радиальных направлениях. При этом увеличивается длина свободного пробега молекул и их скорость и, следовательно, быстрее повышается температура.
Подводя итоги можно сделать следующие предположения:
1. В активаторе теплового гидродинамического насоса вода полностью деструктурируется. Затем, получая энергию от и магнитного полей при проходе по трубам системы теплоснабжения, вода вновь структурируется.
2. Под воздействием высоких температуры и давления дейтерий отдает нейтрон и превращается в протий.
Изложенные взгляды представляют гипотезы. Для их подтверждения или опровержения необходимы фундаментальные исследования. В настоящее время высшие учебные заведения получают финансирование на проведение исследований. При внесении данной тематики в планы работ мы готовы предоставить для экспериментов свой практический опыт и свою испытательную базу.
Литература.
-- Фюрон Р. Проблемы воды на земном шаре. Л.: Гидрометиздат, 1966. - 173 с.
-- Бердышев Г.Д. Изотопика воды -- история, современное состояние, перспективы, нерешенные проблемы. Киевский Национальный университет им. Т.Г.Шевченко. http://aquaberd.nm.ru/data/articles/izotopika-vody.htm.
-- Тен А.В., Черных В.М., Ким Ю.А., Тен В.П., Хашаев З.Х. Исследование изменений физико-химических свойств воды и водяных растворов, вызванных воздействием низкочастотного электромагнитного излучения. УДК. 577.3., с. 71-80.
-- Меркулов А. Самая удивительная на свете жидкость. М.: Сов. Россия. 1978. - 280 с.
-- Фиалков Ю.А. Необычные свойства обычных растворов. М.: Педагогика. 1978, 182с.
-- Зенин С.В.. "Исследование структуры воды методом протонного магнитного резонанса", Докл. Акад. Наук, 332(3), 328-329 (1993).
-- Зенин С.В., Тяглов Б.В., "Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды", Ж. Физ. Хим., 68(4), 636-641 (1994).
-- Бульенков Н.А. "Самоорганизующиеся триплетные структуры идеальных фракталов связанной воды с симметрией D3 и Т", Кристаллография, 35(1), с. 147-154 (1990).
-- Зенин С.В., Тяглов Б.В., "Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды", Ж. Физ. Хим., 68(4), 636-641 (1994).
-- Слесарев В.И. Отчет о выполнении НИР по теме: "Воздействие фрактально-матричных транспарантов "Айрес" на характеристики структурно-информационного свойства воды". Санкт-Петербург. 2002.
-- Зенин С.В., Меркулов М.Ф., Мирза Д.Г. Исследование медико-биологических свойств матричных аппликаторов "Айрес". Результаты апробации матричных аппликаторов "Айрес". СПб, 2000, с. 14-21.
-- Масару Эмото. Послания воды: Тайные коды кристаллов льда. Перев. с англ. М. ООО Издательский дом "София". 2005.
-- Слесарев В.И., Шабров А.В. Влияние структуры воды на ее статические и динамические свойства. Квантовая Магия, том 2, вып. 1, стр. 1166-1175, 2005.
-- Гуриков Ю.В. Физико-химические аспекты реакции водных систем на физические воздействия. Труды Агрофизического научно-исследовательского института, Л.: 1979, 159 с.
-- J. Bonveniste, et al., "Human basophil degranulation triggered by very dilute antiserum against lgE", Nature, 333 (June 30), р. 816-818 (1988).
-- Корнфельд М., Упругость и прочность жидкостей, М. -- Л., 1951.
-- Пищенко Л.И., Меренков Ю.А. Патент Российской Федерации RU2131094 Кавитационный тепловой генератор.
|