Innowacje z ulicy … Nowatorskiej
advertisement
Innowacje z ulicy Nowatorskiej. Kawitacja groźna i… korzystna Autor: Piotr Olszowiec ("Energia Gigawat" - 9/2014) Ludzkość po raz kolejny znajduje się na progu wielkich odkryć. Mimo imponującego postępu nauki i techniki natura wielu zjawisk fizycznych wciąż pozostaje dla nas zagadką. Należą do nich między innymi niektóre zjawiska związane z ruchem wirowym materii. Badania naukowe wykazały, że w wirach zarówno wywołanych sztucznie (w różnych urządzeniach technicznych) , jak i występujących w przyrodzie (np. trąbach powietrznych, piorunach kulistych czy wirach morskich) często zachodzą procesy fizyczne, w których wydzielana energia przekracza ilość energii doprowadzonej na ich wytworzenie. Energię wirujących cieczy lub gazów wykorzystuje się od dawna w rozmaitych urządzeniach energetycznych takich jak wirowe chłodziarki, pompy próżniowe, turbiny pneumatyczne czy wreszcie wirowe hydrauliczne generatory ciepła. Na obszarze b. ZSRR te ostatnie z wymienionych maszyn są – dzięki swoim unikalnym własnościom - coraz powszechniej stosowane dla ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody użytkowej. Obecnie stanowią one najnowocześniejszą grupę elektrycznych urządzeń grzejnych. Wykorzystanie energii elektrycznej do celów grzewczych cieszy się niesłabnącym zainteresowaniem, o czym świadczy wysokie zapotrzebowanie na rozmaite podgrzewacze elektryczne wody i powietrza. Popyt ten wynika m.in. z następujących przyczyn: - brak kosztownej i kłopotliwej instalacji zasilania paliwem i zagospodarowania odpadów, - możliwość efektywnej regulacji układu grzewczego, co przynosi wymierne oszczędności, - zwiększenie niezawodności pracy układu. Z tych powodów użytkownik często decyduje się nie na ogrzewanie gazowe, olejowe czy węglowe, lecz elektryczne i to mimo relatywnie wysokich cen tego nośnika. Wśród elektrycznych urządzeń grzejnych szczególne miejsce na rynkach krajów b.ZSRR zajmują tzw. hydrodynamiczne generatory ciepła wykazujące szereg cennych praktycznych zalet. Badaniami tych unikalnych urządzeń zajmują się od wielu lat uczeni i wynalazcy w Rosji, Białorusi, Ukrainie, Mołdawii oraz Austrii, Japonii, USA i niektórych innych krajach. Publikowane wyniki prób dostarczają wiele materiału do rozmyślań – praktycznie we wszystkich przypadkach uzyskuje się nadwyżkę wydzielanej energii cieplnej nad doprowadzoną energią elektryczną (należy podkreślić, że poza energią elektryczną układ nie pobiera żadnych innych rodzajów energii). Z drugiej strony brak jest jasnego, udokumentowanego wyjaśnienia tego zagadkowego, na „zdrowy rozum” sprzecznego z zasadą zachowania energii, zjawiska. U naszych wschodnich sąsiadów oferuje się obecnie kilka rodzajów wirowych (inaczej hydrodynamicznych) generatorów ciepła. Wśród szeregu firm oferujących powyższe urządzenia na szczególną uwagę zasługuje mińskie przedsiębiorstwo „Jurle” zlokalizowane na ulicy Nowatorskiej w strefie stołecznego inkubatora wynalazczości. W firmie opracowano i wdrożono do produkcji dwa typy hydrodynamicznych podgrzewaczy wody. Pierwszy z nich jest aparatem (o symbolu UT.X.Y), w którym energia kinetyczna cieczy (np. wody), wprawianej w ruch przez pompę ulega zamianie na ciepło. Proces ten odbywa się w tzw. wirowej rurze, przez którą ciecz przetłacza pompa napędzana silnikiem elektrycznym (ewentualnie turbiną wiatrową lub wodną). W rurze tej następuje proces kawitacji czyli odparowania cieczy w strefie obniżonego ciśnienia. Zjawisku temu towarzyszą takie efekty jak lokalny wzrost temperatury i ciśnienia, sonoluminescencja, rozkład cząsteczek wody na atomy wodoru i tlenu oraz ich ponowne łączenie z wydzielaniem ciepła. Doświadczenia wykazały, że nadwyżka energii pojawia się w rurze tylko gdy zachodzi w niej kawitacja potęgowana rezonansowymi wahaniami słupa cieczy. W hydrodynamicznych generatorach ciepła występują następujące warunki sprzyjające wytwarzaniu dodatkowej energii: wysoka gęstość energii w niewielkiej objętości, co najmniej dwa fizyczne zjawiska występujące jednocześnie (wir i kawitacja), rozkład cząsteczek wody, reakcje chemiczne z udziałem rozpuszczonych w niej związków, aktywacja wody po jej podgrzaniu do 60 °C. Drugi rodzaj hydrodynamicznych wytwornic ciepła typu UT P (P - moc silnika w kW) stanowi nieruchomy zewnętrzny korpus z otworami, wewnątrz którego wiruje wirnik z analogicznymi otworami. Dzięki nim w szczelinie powstaje pulsujące ciśnienie wody wytwarzające kawitacyjne pęcherzyki pary. Proces ten wzmacniany jest przez rezonansowe drgania akustyczne generowane pulsacjami ciśnienia, które wymuszają obieg wody w zamkniętym konturze. Wielokrotna cyrkulacja cieczy w wężownicy powoduje stopniowe zwiększanie temperatury. Agregat ten spełnia w instalacji ciepłowniczej dwie funkcje: urządzenia grzejnego oraz pompy cyrkulacyjnej wymuszającej obieg wody. W ciągu 20 lat istnienia firmy wyprodukowano w zakładzie podwykonawcy „Zawod Promburwod” około 400 urządzeń grzewczych obu typów z przeznaczeniem w większości dla krajowych użytkowników. Przy ocenie efektywności zastosowania danej technologii wytwarzania ciepła w porównaniu ze spalaniem paliw węglowodorowych należy pamiętać o relatywnie niskiej sprawności generacji energii elektrycznej w elektrowniach zawodowych (średnio <40 %). Dlatego nawet sprawność hydrodynamicznych wytwornic rzędu 115 % nie zapewnia jeszcze niższego w łącznym rozrachunku zużycia paliwa na wytworzenie jednostki ciepła u odbiorcy. Jednak po wprowadzeniu niższej (niż dla ogrzewania) ceny zakupu energii elektrycznej dla potrzeb omawianych urządzeń nowa technologia stała się na Białorusi w pełni konkurencyjna dla kotłowni gazowych czy węglowych. Efekty ekonomiczne powinny wyraźnie wzrastać w przyszłości w miarę podnoszenia sprawności tych generatorów nawet – co nie jest bynajmniej mrzonką - do 200% ! Kawitacja, nieodłącznie związana z przedstawionymi urządzeniami, jest zjawiskiem wywołującym niepożądane, a nawet szkodliwe skutki. Może np. powodować erozję powierzchni materiałów poddanych jej oddziaływaniu. Jednak badania prowadzone w firmie „Jurle” pozwoliły na wykorzystanie także jego pozytywnych efektów. Jedną z dość oryginalnych aplikacji jest przygotowanie karmy dla zwierząt hodowlanych. Istniejące instalacje produkcji tzw. mleczka z ziarna i nasion strączkowych wykazują obok innych niedogodności także duże zużycie energii. Wspomniane „mleczko” roślinne czyli wodną zawiesinę mączną o odpowiednich własnościach i konsystencji można szybciej i taniej wytworzyć w urządzeniu typu UPK-45M obejmującym silnik elektryczny, pompę i zespół zbiorników. Podobnie jak w wyżej omówionych hydrodynamicznych generatorach ciepła również i tu w wodzie przetłaczanej przez rurę wirową zachodzi zjawisko kawitacji. Wydzielane w nim ciepło podgrzewa i przetwarza surowiec roślinny (rozdrabnianie, dyspersja i wymieszanie do uzyskania jednorodnej wodnej zawiesiny). Instalacja UPK-45M dostarcza w jednym cyklu roboczym trwającym ok.50 min 400 kg tego „mleczka” o temperaturze 85 °C kosztem energii elektrycznej pobranej przez silnik 45 kW. Jest to wydajność pokrywająca na bieżąco potrzeby stada 2000 cieląt lub 3000 prosiąt, co czyni te układy korzystniejszą alternatywą dla tradycyjnych instalacji o tym przeznaczeniu. Innym zrealizowanym przez „Jurle” zastosowaniem zjawiska kawitacji w rolnictwie jest przygotowanie humusu z torfu. Agregat АКО-30 służy do wytwarzania płynnych mieszanin na bazie torfu w ilości 200 kg/godz. Przygotowanie tej masy zawiesiny o temperaturze 85 °C trwa ok. 50 min. Również w tej instalacji ciepło dostarczane jest dzięki pompie z silnikiem elektrycznym 30 kW. Wirowe generatory ciepła okazują się przydatne także w przemyśle np. przetwórstwie ropy naftowej. W rafineriach b. ZSRR wymaga się utrzymania temperatury ropy co najmniej +22°С. Podgrzanie tego surowca obniża lepkość, co ułatwia jego przepompowanie. Dla ropy zawierającej siarkę, parafiny itp. zaleca się jeszcze wyższą temperaturę +55 do75 °С dla uniknięcia odkładania parafiny. Do tego celu można wykorzystać ciepło uwalniane w procesie kawitacji. Użycie zaprezentowanych urządzeń grzewczych dla pierwotnego przetwarzania ropy naftowej poprawia jej strukturę oraz pozwala uzyskać optymalne parametry i jakość surowca przy rozpoczęciu procesów przetwórczych. Jednocześnie obniża się zużycie energii i upraszcza instalacje rafinerii.
