Как сделать кавитационный насос
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.
Устройство и принцип работы
Принцип действия кавитационного теплогенератора заключается в эффекте нагрева за счет преобразования механической энергии в тепловую. Теперь более детально рассмотрим само кавитационное явление. При создании избыточного давления в жидкости возникают завихрения, из-за того, что давление жидкости больше чем у содержащегося в ней газа, молекулы газа выделяются в отдельные включения – схлопывание пузырьков. За счет разности давления вода стремиться сжать газовый пузырь, что аккумулирует на его поверхности большое количество энергии, а температура внутри достигает порядка 1000 — 1200ºС.
При переходе кавитационных полостей в зону нормального давления пузырьки разрушаются, и энергия от их разрушения выделяется в окружающее пространство. За счет чего происходит выделение тепловой энергии, а жидкость нагревается от вихревого потока. На этом принципе основана работа тепловых генераторов, далее рассмотрите принцип работы простейшего варианта кавитационного обогревателя.
Простейшая модель
Посмотрите на рисунок 1, здесь представлено устройство простейшего кавитационного теплогенератора, который заключается в нагнетании насосом воды к месту сужения трубопровода. При достижении водяным потоком сопла давление жидкости значительно возрастает и начинается образование кавитационных пузырьков. При выходе из сопла пузырьки выделяют тепловую мощность, а давление после прохождения сопла значительно снижается. На практике может устанавливаться несколько сопел или трубок для повышения эффективности.
Идеальный теплогенератор Потапова
Идеальным вариантом установки считается теплогенератор Потапова, который имеет вращающийся диск (1) установленный напротив стационарного (6). Подача холодной воды осуществляется с трубы расположенной внизу (4) кавитационной камеры (3), а отвод уже нагретой с верхней точки (5) той же камеры. Пример такого устройства приведен на рисунке 2 ниже:
Рис. 2: кавитационный теплогенератор Потапова
Но широкого распространения устройство не получило из-за отсутствия практического обоснования его работы.
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:
Помимо вышеперечисленных видов существует лазерная кавитация, но промышленной реализации этот метод еще не нашел. Теперь рассмотрим каждый из видов более детально.
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
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
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.
Применение
В промышленности и в быту кавитационные теплогенераторы нашли реализацию в самых различных сферах деятельности. В зависимости от поставленных задач они применяются для:
Плюсы и минусы
В сравнении с другими теплогенераторами, кавитационные агрегаты отличаются рядом преимуществ и недостатков.
К плюсам таких устройств следует отнести:
К недостаткам кавитационных теплогенераторов следует отнести:
КТГ своими руками
Наиболее простым вариантом для реализации в домашних условиях является кавитационный генератор трубчатого типа с одним или несколькими соплами для нагревания воды. Поэтому разберем пример изготовления именно такого устройства, для этого вам понадобится:
Перед соединением всех элементов желательно нарисовать схему их расположения на бумаге, стенах или на полу. Места расположения необходимо размещать вдали от легковоспламеняемых элементов или последние нужно убрать на безопасное расстояние от системы отопления.
Соберите все элементы, как вы изобразили на схеме, и проверьте герметичность без включения генератора. Затем опробуйте в рабочем режиме кавитационного теплогенератора, нормальным нарастанием температуры жидкости считается 3- 5ºС за одну минуту.
Видео в помощь
Кавитационные нагреватели воды
Физические основы
Кавитация – образование пара в массе воды при медленном понижении давления и большой скорости движения.
Пузырьки пара могут возникать под действием звуковой волны определённой частоты или излучением источника когерентного света.
В процессе смешивания паровых пустот с водой под давлением приводит к самопроизвольному схлопыванию пузырьков и возникновению движения воды ударной силы (про расчет гидравлического удара в трубопроводах написано ).
В таких условиях молекулы растворенных газов выделяются в образующиеся полости.
По мере прохождения процесса кавитации, температура внутри пузырьков повышается до 1200 градусов.
Это отрицательно влияет на материалы водяных емкостей, поскольку кислород при таких температурах начинает интенсивно окислять материал.
Опыты показали, что при таких условиях разрушению подвергаются даже сплавы из драгметаллов.
Сделать кавитационный генератор самостоятельно, достаточно просто. Хорошо изученная технология уже несколько лет воплощена в материалы и используется для отопления помещений.
В России, первое устройство было запатентовано в 2013 году.
Генератор представлял собой замкнутую емкость, через которую под давлением подавалась вода. Пузырька пара образовываются под действием переменного электромагнитного поля.
А что вам известно про полипропиленовые трубы для холодного и горячего водоснабжения? В полезной статье прочитайте о том, чем они отличаются, а также про преимущества одних и недостатки других.
Отзывы на моющие средства для посудомоечных машин прочитайте на этой
странице.
Принципы действия
Рабочий процесс проходит одновременно в двух фазах окружающей среды:
Нагнетающие устройства не предназначены для действий в таких условиях, что ведет к схлопыванию полостей с потерей эффективности.
Теплогенераторы смешивают фазы, вызывая термическую конверсию.
Обогреватели для бытового использования преобразуют механическую энергию в тепловую с возвратом жидкости к источнику (про бойлер косвенного нагрева с рециркуляцией прочитайте на этой странице).
А вам известно про подвесные унитазы для инвалидов? Какой купить и как смонтировать сантехнику для людей с ограниченными возможностями, прочитайте в полезной статье.
На странице: http://ru-canalizator.com/kanalizatsiya/vygrebnaya-yama/zhiroulovitel.html описана установка жироуловителей на канализацию.
За счет этого, тепловые потери, минимальны, в пределах одного процента, поэтому потери учитывают, как погрешность преобразования энергии.
Промышленные установки работают на другом принципе.
Тепло на выходе передается жидкости в другом устройстве, мощность больше, чем механическая энергия нагревателя.
Такой подход продуктивнее, чем у возвратных приборов. Устройства не требуют постоянного контроля и настройки.
Используют несколько типов подобных теплогенераторов:
Действие устройства основано на работе центробежного насоса.
В состав аппарата входят: патрубки, статор, корпус, рабочая камера.
Изготавливается несколько моделей роторных преобразователей, но наиболее эффективной считается модель Григгса.
ВНИМАНИЕ!
При испытании генератора следите за показаниями манометров.
Разница в давлении входа и выхода должна составлять 8-12 атмосфер.
Давление регулируется специальным вентилем.
Ротор и статор расположены так, что между ними существует зазор, благодаря которому, осуществляется нагрев жидкости.
Движение жидкости на поверхности диска повышает температуру.
Скорость вращения ротора может достигать 3000 об/минуту, что достаточно для нагрева жидкости до 90 градусов.
Образование и схлопывание паровых пузырьков проходит в соплах, которые подключаются к рабочей емкости.
Давление создается обычным циркуляционным насосом для повышения давления воды.
Большая скорость жидкости обеспечивается разными диаметрами на входе и выходе из сопла.
Эффективность статических устройств ниже, чем у роторных. Они занимают значительную площадь и больше весят.
За счет отсутствия движущихся механизмов статические генераторы дольше служат, не нуждаются в точной настройке, замена сопел требует минимальных затрат.
Особенности конструкции
Несмотря на простоту устройства, существуют особенности, которые необходимо учитывать при сборке:
Насос для повышения давления воды в квартире будет отвечать за подачу жидкости с нужным напором;
Вода начинает быстро двигаться в центр рабочей емкости, где происходит смешивание потоков;
Постоянное движение создает нагрев воды, тепло преобразуется в механическую энергию.
Расчеты тепла делается по следующим формулам:
Екин = mV2/2 – непостоянная кинетическая величина.
Сборка кавитационного генератора своими руками позволит сэкономить не только на топливе, но и на покупке серийных моделей.
Производство таких теплогенераторов налажено на территории России и за рубежом.
Устройства обладают множеством достоинств, но главный недостаток – стоимость – сводит их на нет. Средняя цена на бытовую модель составляет порядка 50-55 тысяч рублей.
Самостоятельно, собрав кавитационный теплогенератор, получаем аппарат с высоким КПД.
Для корректной работы устройства, необходимо защитить металлические части с помощью окрашивания. Детали, имеющие контакт с жидкостью, лучше делать толстостенными, что увеличит срок службы.
В предлагаемом видео посмотрите наглядный пример работы самодельного кавитационного теплогененратора.
Подписывайтесь на обновления по E-Mail:
Строение нагревателя и принцип работы
Кавитационное отопление характеризуется образованием пузырьков из пара в рабочей жидкости. В результате такого действия давление постепенно снижается благодаря высокой скорости потока. Следует отметить, что необходимое парообразование задается специальным излучением лазерных импульсов либо акустикой, заданной определенными звуками. Воздушные области закрытого типа смешиваются с водяной массой, после чего поступают в зону большого давления, где вскрываются и излучают ожидаемую ударную волну.
Оборудование кавитационного типа отличается способом функционирования. 
Схематично оно выглядит так:
Из работы вихревой установки видно, что ее конструкция незамысловата и проста, но при этом обеспечивает быстрый и выгодный обогрев помещения.
Типы обогревателей
Кавитационный котел отопления относится к одному из распространенных типов обогревателей. Наиболее востребованные из них:
Выбор того или иного нагревателя зависит от потребностей человека. Следует учитывать, что роторный кавитатор более производителен, к тому же он отличается меньшими размерами.
Особенность статического агрегата заключается в отсутствии вращающихся деталей, чем и обуславливается его продолжительный эксплуатационный срок. Длительность работы без технического обслуживания достигает 5 лет. Если же сломается сопло, его без труда можно заменить, что стоит гораздо дешевле в сравнении с приобретением нового рабочего элемента в роторную установку.
Самостоятельное изготовление оборудования
Создать кавитатор своими руками вполне реально, но предварительно стоит ознакомиться со схематическими особенностями, точными чертежами агрегата, понять и подробно изучить принцип, по которому он действует. Наиболее простой моделью принято считать ВТГ Потапова с показателем КПД в 93%. Схематически теплогенератор довольно прост, будет уместен в быту и промышленном применении.
Приступая к сборке агрегата, необходимо подобрать в систему насос, который должен полностью соответствовать требованиям мощности, необходимой тепловой энергии. В большинстве своем описываемые генераторы по форме напоминают сопло, такие модели самые удобные и простые для домашнего применения.
Создание кавитатора невозможно без предварительной подготовки определенных инструментов и приспособлений. К ним относятся:
Специалисты рекомендуют следить за диаметральным показателем сечения отверстия, которое присутствует между конфузором и диффузором. Оптимальные пределы варьируются от 8 до 15 единиц, выход за эти рамки нежелателен.
Последовательность конструирования кавитационного теплогенератора своими руками представлена следующими действиями:
Когда закончена работа с корпусом, следует поэкспериментировать с обогревателем. Процедура заключается в подведении насосной установки к электросети, при этом радиаторы подключаются с обогревательной системой. Следующий шаг — включение сети.
Должен осуществляться строгий контроль показателей манометров. Разница между цифрами на входе и выходе должна колебаться в пределах 8-12 атмосфер.
Если конструкция работает исправно, в нее подается необходимое количество воды. Хороший показатель — подогрев жидкости на 3-5 градусов за 10-15 минут.
Нагреватель кавитационного типа представляет собой выгодную установку, за короткое время обогревает здание, к тому же максимально экономичен. При желании он легко конструируется в домашних условиях, для чего понадобятся доступные и недорогие приспособления.
Роторный вихревой теплогенератор
Схема вихревого теплогенератора.
Данная гидродинамическая конструкция являет собой несколько измененный центробежный насос. Говоря другими словами, имеется корпус насоса (в данном случае он является статором) с выходным и входным патрубками и рабочей камерой. Внутри корпуса находится ротор, который выполняет роль рабочего колеса. Основное отличие от обыкновенного насоса заключается в роторе. Известно большое количество конструктивных роторных исполнений вихревых теплонегераторов, все описывать не имеет смысла. Наиболее простой из них является диском. На его цилиндрической поверхности просверлено немалое количество глухих отверстий определенного диаметра и глубины. Данные отверстия называются ячейками Григгса (американский изобретатель, который первым испытал данную конструкцию). Размеры и количество этих ячеек должны определяться исходя из размеров роторного диска и частоты вращения электрического двигателя, который приводит его во вращение.
Статор (корпус теплогенератора) в большинстве случаев выполняется в виде полого цилиндра, то есть трубы, которая заглушена фланцами с обеих сторон. Зазор между внутренней стеной статора и ротором при этом весьма мал и составляет приблизительно 1-1,5 мм.
В зазоре между статором и ротором будет происходить нагрев воды. Ему способствует трение жидкости о поверхности ротора и статора, при быстро вращении первого. Большое значение для нагрева воды имеют и кавитационные процессы, завихрения воды в роторных ячейках. Скорость вращения ротора в большинстве случаев составляет 3000 об/мин, в случае если его диаметр равен 300 мм. С уменьшением диаметра ротора частота вращения должна увеличиваться.
Схема принципа работы воздушного отопления теплогенератора.
При всей простоте данная конструкция нуждается в большой точности изготовления. Помимо того, понадобится балансировка ротора. Необходимо будет решить и вопрос уплотнения вала ротора. Следует знать, что уплотнительные элементы нуждаются в регулярной замене.
Из того, что было сказано выше, следует, что ресурс данных установок не очень большой. Стоит заметить, что работа роторных теплогенераторов создает повышенный шум. В сравнении с конструкциями статического типа они обладают на 20-30% большей производительностью. Устройства роторного типа могут даже вырабатывать пар.
Статический кавитационный теплогенератор
Данный тип теплогенератора лишь условно называется статическим. Это обусловливается отсутствием вращающихся частей в кавитаторной вихревой конструкции. Для того чтобы создавать кавитационные процессы, используются различные виды сопел.
Чтобы возникла кавитация, понадобится обеспечить большую скорость движения в кавитаторе жидкости. Для этого следует использовать обыкновенный центробежный насос. Насос будет нагнетать давление жидкости перед соплом. Она устремится в отверстие сопла, которое имеет гораздо меньшее сечение, чем подводящий трубопровод. Это обеспечивает большую скорость на выходе из сопла. При помощи резкого расширения жидкости возникает кавитация. Этому будет способствовать и трение жидкости о поверхность канала и завихрения воды, которые возникают в случае резкого выравнивания струи из сопла. Вода нагревается по тем же причинам, что и в роторной вихревой конструкции, однако с несколько меньшей эффективностью.
Схема принципа работы стационарного теплогенератора.
Устройство статического теплогенератора не нуждается в высокой точности изготовления деталей. При изготовлении данных деталей механическая обработка сводится к минимуму по сравнению с роторной конструкцией. В связи с отсутствием вращающихся частей может легко решиться вопрос уплотнения деталей и сопрягаемых узлов. Балансировка здесь тоже не нужна. Период службы кавитатора гораздо больше. Даже в случае выработки ресурса соплом изготовление и замена его потребует гораздо меньшие материальные затраты. В данном случае роторный кавитационный теплогенератор понадобится изготавливать заново.
Недостатком статического устройства является стоимость насоса. Однако себестоимость выполнения теплогенератора данного устройства практически не отличается от роторной вихревой конструкции. В случае если же вспомнить о ресурсе обеих установок, данный недостаток превратится в преимущество, потому как в случае замены кавитатора не нужно менять насос.
Следовательно, есть смысл задуматься над тем, чтобы сделать статический вихревой теплогенератор.
Изготовление теплогенератора своими руками
Выбор насоса для устройства
Схема котла на отработке своими руками.
Начинать следует с выбора насоса для изготавливаемого устройства. Для этого понадобится определиться с его рабочими параметрами. Не имеет принципиального значения, будет это циркуляционный насос либо повышающий давление. Значение имеет производительность насоса, рабочее давление, максимальная температура перекачиваемой жидкости.
Не все конструкции могут использоваться для перекачивания жидкости высоких температур. В случае если не придать значения данному параметру в процессе выбора насоса, срок его эксплуатации может оказаться значительно меньшим чем тот, который заявлен производителем.
От величины напора, который может развивать насос, зависит эффективность работы теплогенератора. Чем больше напор, тем большим будет перепад давления. Следовательно, эффективнее будет происходить нагрев жидкости, которая прокачивается через кавитатор. Однако вовсе не стоит гнаться за максимальными цифрами в характеристиках насосов.
Производительность насоса фактически не оказывает влияния на эффективность нагрева воды.
Мощность насоса теплогенератора определяет коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую.
Изготовление и разработка кавитатора
Схема устройства стационарного теплогенератора.
Существует большое количество конструкций статических кавитаторов, однако практически во всех случаях они выполняются в виде сопла. За основу чаще всего берется сопло и модифицируется конструктором. Классическая конструкция изображена на рисунке (ИЗОБРАЖЕНИЕ 1).
Первое, на что необходимо обратить внимание — сечение канала между конфузором и диффузором. Не следует сильно зауживать его сечение, стараясь тем самым обеспечить максимальный перепад давления. Объем воды, которая перекачивается через сопло, будет слишком мал. При смешении с холодной водой, она передаст ей недостаточное количество теплоты. Значит, общий объем воды не сможет нагреваться быстро. Помимо того, малое сечение канала поспособствует завоздушиванию воды, которая поступает во входной патрубок рабочего насоса. Вследствие данный насос будет работать шумно, и может возникать кавитация в самом устройстве.
Наилучшие показатели могут быть достигнуты при диаметре канального отверстия 10-15 мм.
Изготовление гидродинамического контура
Для изготовления гидродинамического контура предварительно необходимо изобразить схему контура. (ИЗОБРАЖЕНИЕ 2) На схеме можно увидеть:
Схема обогревателя на отработанном масле.
Устройство контура представляет собой трубопровод, вход которого соединен с выходным патрубком насоса, а выход — с входным. В трубопровод нужно вварить сопло, патрубки для подключения манометра, гильзы для установки термометра, штуцер под вентиль, для того чтобы сбрасывать воздух, штуцер для подключения контура отопления.
На данной схеме вода будет двигаться против часовой стрелки. Подача в контур воды осуществляется через нижний патрубок, а выдача из него воды — через верхний. Регулирование перепада давления будет осуществляться вентилем, который находится между выходным и входным патрубками.
Процесс испытания теплогенератора
Схема дизельного теплогенератора.
После того как вихревой теплогенератор, который сделан своими руками, будет подключен, есть возможность приступить к испытаниям его. Необходимо запустить электрический двигатель насоса и наблюдать за показаниями манометров. В процессе устанавливается необходимый перепад давления. Для этой цели в контуре предусматривается вентиль, который находится между выходным и входным патрубками. Следует повернуть рукоятку вентиля и установить давление после сопла в трубопроводе в диапазоне 1,2-1,5 атм. Между выходом насоса и входом сопла оптимальным давлением является диапазон 8-12 атм.
Когда давление на выходе из сопла будет установлено, следует пустить по кругу воду (закрывая выходной вентиль) и засечь время. В процессе движения по контуру воды необходимо зафиксировать рост температуры (приблизительно он будет равен 4°С в минуту). Следовательно, через 10 минут будет возможность нагреть воду ориентировочно с 21°С до 60°С.
Потребляемая электроэнергия может быть вычислена путем измерения тока. Исходя из подобных данных, есть возможность вычислить коэффициент преобразования энергии.
КПЭ = (С * m * (Тк — Тн)) / (3600000 * (Qк — Qн)), где С — удельная тепловая емкость воды (4200 Дж/(кг*К), m — масса нагреваемой воды (кг), Тн — начальная температура воды (294 °К), Тк — конечная температура воды (333°К), Qн — начальные показания электросчетчика (0 кВт*ч), Qк — конечные показания электросчетчика (0,5 кВт*ч).
Данные следует подставить в формулу и получить: КПЭ = (4200 * 15 * (333 — 294)) / (3600000 * (0,5 — 0)) = 1,365
Потребляя 5 кВт*ч электроэнергии, вихревой теплогенератор будет производить в 1,365 раз больше тепловой энергии (6,825 кВт*ч). Соответственно, есть смысл утверждать о состоятельности данной идеи создания теплогенератора. В данной формуле не учитывался КПД двигателя, в связи с чем реальный коэффициент трансформации может быть еще выше.
При расчете тепловой мощности нужно исходить из упрощенной формулы. Согласно ей понадобится ориентировочно 1 кВт тепловой мощности на каждые 10 кв.м. То есть, для 100 кв.м. понадобится мощность 10 кВт.