КПД больше единицы?  Tel: 0661880449

**Может ли КПД «вихревого теплогенератора»
быть больше единицы? **
«Мы все учились понемногу
Чему-нибудь и как-нибудь…»
А. С. Пушкин. «Евгений Онегин».
Когда в газете «Аргументы и Факты» № 8 (1321) было заявлено, что «вихревые теплогенераторы» имеют КПД = 172%, разгорелась бурная дискуссия о реальности такой эффективности. Все учились в школе, все «проходили» физику и ее раздел «Термодинамику». Со временем многое забылось, но большинство людей все-таки помнит, что существует такое понятие — коэффициент полезного действия (КПД), который не может быть больше единицы. Некоторые помнят еще и то, что есть «Второй закон термодинамики», который нельзя нарушать. Время стирает из памяти мелкие подробности, а, как известно, «дьявол» в деталях. Поэтому, прежде чем начинать дискуссию нужно выяснить, кто — что понимает под конкретными терминами.
В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот круговой процесс, сыгравший важную роль в развитии учения о тепловых процессах, называется циклом Карно.
Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T1 и холодильника T2:

Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно — наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:
ηКарно = ηmax.
Это та часть информации, которую возможно еще помнит о КПД большинство людей. Практически никто не помнит продолжения. Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.
Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q2| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q1| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Коэффициент преобразования энергии (КПЭ) теплового насоса βТ может быть определен как отношение

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:
|Q1| > |A|,
следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

Такой процесс более выгоден, чем непосредственное превращение электрической, механической или химической энергии в теплоту.
Ситуация, при которой КПЭ больше единицы, возникает, если его определять отношением Wпол/Wзатр, где Wпол — энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та ее часть, для получения которой производятся реальные затраты. Затрата электроэнергии в тепловых насосах меньше количества выделяемой теплоты. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя  = Wпол/Wзатрhистинный КПД установки меньше единицы, рассмотренный КПЭ  может оказаться больше единицы.
В реальном тепловом насосе источником тепла может быть скалистая порода, земля, вода или, например, воздух. Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу 1, уложенному в землю (озеро) нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем 2, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.
Внутренний контур теплового насоса заполнен хладогеном. Хладоген подбирается такой, чтобы мог закипать даже при минусовой температуре. Поэтому, даже когда совсем холодную воду прогоняют насосом через каналы испарителя 2, жидкий хладоген все равно испаряется. Далее пар втягивается в компрессор 3, где сжимается. При этом его температура сильно увеличивается (до 90-100°С). Затем горячий и сжатый хладоген направляется в теплообменник конденсатора 4, охлаждаемый водой или воздухом. На холодных поверхностях пар конденсируется, превращаясь в жидкость, а его тепло передается охлаждающей среде. Воду используют в системе отопления или горячего водоснабжения, а хладоген, теперь снова жидкий, направляется на дросселирующий вентиль, проходя через который он теряет давление и температуру, а затем опять возвращается в испаритель. Цикл завершился, и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор.
Условия развития энергетики, заключающиеся в совместной выработке теплоты и электроэнергии, ограничивают использование тепловых насосов, которые применяются только в тех случаях, когда другие виды теплоснабжения затруднены (например, при удаленности объекта от ТЭЦ). Иногда тепловые насосы применяются для отопления в районах с жарким климатом, так как в летний период эта же установка охлаждает подаваемый в здание воздух. Тепловые насосы получили широкое распространение во время Второй мировой войны 1939—45 г. г. в связи с топливными затруднениями, особенно в странах, где имеется в избытке дешевая электрическая энергия гидростанций (например, в Швейцарии, Швеции, Норвегии и др. ).
При проектировании водогрейных котлов трактовка КПД отличается от чисто теоретической. В пункте 14 ГОСТ 21563-93 «КОТЛЫ ВОДОГРЕЙНЫЕ Основные параметры и технические требования» указывается, что при расчете КПД используется так называемая «низшая теплота сгорания топлива».
В теплофизике различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшая теплота сгорания соответствует условию доведения всех водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива до жидкого состояния (их полной конденсации). Т. е. это понятие учитывает, кроме энергии, выделяющейся при сгорании топлива и охлаждения продуктов сгорания, также энергию конденсации водяных паров. Низшая теплота сгорания не учитывает теплоту (энергию) выделяющуюся при конденсации. Таким образом, высшая теплота сгорания по абсолютному значению больше чем низшая. Но в практических тепловых расчетах при определении КПД теплового агрегата принято пользоваться именно низшей теплотой сгорания, так как при сжигании топлива в котлах традиционной конструкции никогда не происходит конденсации водяных паров из продуктов сгорания.
Такой подход не случаен. Ведь образующийся водный конденсат, за счет растворения в нем СО2, вызывает коррозию стали и чугуна. Поэтому конструкторы котлов далекого, да и недалекого прошлого исключали саму возможность конденсации водных паров в газоходах и, естественно, не учитывали теплоту конденсации в своих расчетах.
Ситуация изменилась, когда появилась возможность использования при конструировании котлов коррозионно-стойких легких сплавов и нержавеющих сталей. На рынке теплотехники появились новые котлы, конструкция которых предусматривает получение дополнительного тепла от уходящих продуктов сгорания, за счет конденсации водяных паров, образующихся при сжигании топлива. Таким образом, можно получить дополнительное количество тепла — до 10,7% при сжигании газа и до 5,95% при сжигании солярки. Следствием этого и являются значения КПД, превышающие 100%. Котлы, действующие по указанному принципу, получили название «конденсатных» или «конденсаторных».
На самом деле КПД конденсационного котла меньше 100%, но поскольку во всем мире до сих пор КПД рассчитывается по низшей теплоте сгорания, то для правильного сравнения традиционных и конденсационных котлов КПД последних принимается равным 108-109%. (Более подробную информацию см. C.O.K. N 4 / 2002 г. ).
Теперь рассмотрим, как рассчитывается КПЭ у гидродинамического отопительного котла («вихревого теплогенератора»). В настоящее время нет единого и обоснованного теоретического описания процесса выделения энергии в гидродинамическом отопительном котле, научные исследования сводятся лишь к фиксации результатов работы существующих тепловых установок не давая методики оптимизации. Ясно лишь одно, что котел работает не по циклу Карно.
На заводах-изготовителях каждый гидродинамический отопительный котел перед отгрузкой потребителю проходит проверочные испытания.

Испытания проводятся по следующей методике:
1. Через воронку воду массой 400 кг заливают в бак, используя мерный сосуд и товарные весы с погрешностью + 0,1 кг.
2. В напорном водопроводе устанавливают давление равное 0,3 МПа.
3. По достижении температуры воды в центре ее массы 30+2 оС, включают секундомер и измеряют интервал времени Т, необходимый для нагрева воды в гидравлической системе испытательного стенда до температуры 80+2 оС.
4. При температуре воды 80+2 оС отключают электродвигатель. Горячую воду из бака через дренажную трубку и воронку В2 сливают в канализацию.
Расчет тепловой мощности тепловой установки проводится по формуле:
t) / TDNту = (Gв х C х  кДж/сек (кВт)
где: Gв — масса воды, 400 кг;
С — теплоемкость воды, 4,19 кДж/кг К;
tD = t 2 — t1 = 80 — 30 = 50 оС;
Т — время нагрева воды с 30 оС до 80 оС, сек.
На стенде проведены испытания серии из 20 тепловых установок ТС1-055, с установленной мощностью электродвигателя 55 кВт. Среднее время нагрева воды для серии составило 28 минут (1680 сек). Тепловая мощность составила:
Nту = 400 х 4,19 х 50 / 1680 = 83800 / 1680 = 49,881 кВт.
Электродвигатель тепловой установки ТС1-055 затратил на нагрев:
Wзатр = 55 х 28 / 60 = 25,667 кВт.
Для тепловой установки типа ТС1-055 КПЭ составил:
КПЭ ТС1-055 = Nту / Wзатр = 49,881 / 25,667 = 1,943
Аналогичные результаты были получены при испытании тепловых установок типа ТС1-055, изготовленных на другом серийном заводе.
При анализе результатов испытаний необходимо обратить внимание на факт снижения номинального тока электродвигателя со 102,4 А до 96,0 А при нагреве воды с 30 оС до 80 оС. То есть тепловые установки типа ТС1 более эффективно работают при более высоких температурах теплоносителя.
Как показала шестилетняя практика применения гидродинамических отопительных котлов, КПЭ, получаемый при эксплуатации, выше, чем полученный при испытаниях. После недели эксплуатации агрегаты тепловой установки «притираются», номинальные токи электродвигателя снижаются на 5-10 А. На эффективность работы большое влияние оказывает «завоздушенность» отопительной системы. После стравливания воздуха из системы теплопроизводительность повышается.
Кроме этого заводские испытания не учитывают фактора «последействия». По нашему заданию ООО «НОТЕКА-С» провела испытания теплогенератора на основе «вихревой трубы» мощностью 5,5 кВт.
«Вихревые трубы» имеют КПЭ меньший, чем отопительные котлы дискового вихревого типа. За время эксперимента (30 мин) было выработано 1386 ккал (1,62 кВт-час), потреблено электроэнергии 1,485 кВт-час, то есть КПЭ = 1,091. Но в данном эксперименте нам интересно другое: после 15 минуты установка была выключена, температура при этом была 84 оС, а на 30 минуте при неработающей установке температура достигла 92 оС. Это свидетельствует о том, что процесс выделения тепла происходит не только в самом теплогенераторе, а продолжается в трубах отопительной системы. Косвенно это подтверждается тем, что когда некоторые потребители применили на выходной магистрали пластиковые трубы, то на первых 10 метрах они разрушались.
Высокая эффективность гидродинамических отопительных котлов позволяет при укрупненном подборе мощности применять норматив 1 кВт установленной мощности электродвигателя на 30 м2 площади (на объем 90 м3), в то время как других видов тепловых установок применяется норматив 1 кВт тепловой энергии на 10 м2 площади.
Около трехсот гидродинамических отопительных котлов «ТС1» эксплуатируются во многих регионах  Российской Федерации, ближнем и дальнем зарубежье: в Москве и Московской области, Архангельске, Владимире, Екатеринбурге, Калининграде, Нижнем Новгороде, Омске, Оренбурге, Орле, Самаре, Туле, Чебоксарах и других городах, в Якутии, Ставропольском крае, в Белоруссии, Казахстане, Узбекистане, Украине, Венгрии и Южной Корее.
Фактам, изложенным в статье можно верить, можно не верить, это личное дело каждого, но отменить их нельзя. А современным инквизиторам, пригревшимся в «комиссиях по лженауке» мы заявляем: «А все-таки она вертится!».
Тепловые установки типа ТС1 («вихревые теплогенераторы», вихревые тепловые генераторы, кавитационные торсионные гидродинамические теплогенераторы, ВТГ) являются современными, высокоэффективными, автономными, энергосберегающими системами отопления. Они предназначены для:
— автономного отопления жилых, офисных, производственных и складских помещений, теплиц и т. д. ;
— нагрева воды для бытовых целей, бань, прачечных, бассейнов и т. д.
За это время на испытательных стендах фирмы прошли испытание 15 разных моделей. В настоящее время коэффициент эффективности (отношение получаемой на выходе тепловой энергии к затрачиваемой электрической) доведен до 1,80 — 1,93. Ведутся работы по увеличению коэффициента.
«Вихревые теплогенераторы» имеют следующие преимущества: безопасны в работе, экологичны, т. к. не происходит выделения вредных выбросов и излучений; компактны, просты конструктивно и в монтаже, не требуют дополнительной химводоподготовки, надежны в работе, не требуют постоянного обслуживающего персонала. Серийно выпускаемые в настоящее время тепловые установки типа «ТС1» позволяют нагревать воду до 95 оС, но в случае заказа, после проведения небольших ОКР, температуру нагрева теплоносителя возможно довести до 180-200 оС. «Вихревые теплогенераторы» не требуют согласований на монтаж и подключение, т. к. энергия используется для вращения электродвигателя, а не для прямого нагрева теплоносителя. Эксплуатация тепловых установок с электрической мощностью до 100 кВт осуществляется без лицензии. 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.
Возможна поставка блочно-модульных тепловых узлов на базе тепловых установок типа «ТС1». В случае нехватки места для размещения блочно-модульного теплового узла, его можно смонтировать в отдельно стоящем контейнере.
Наши тепловые установки эксплуатируются во многих регионах Российской Федерации, ближнем и дальнем зарубежье: в Москве и Московской области, Туле, Орле, Нижнем Новгороде, Самаре, Архангельске, Вологде, Екатеринбурге и других городах, в Якутии, Красноярском и Ставропольском крае, в Белоруссии, Казахстане, Узбекистане, Украине, Южной Корее и Китае.
Высокая эффективность позволяет сократить сроки окупаемости до одного — полутора отопительных сезонов.
Практика — критерий истины. Наша Украинская практика показывает, что реформу ЖКХ пытаются свести лишь к увеличению тарифов. Холода, обрушившиеся на Украину этой зимой, как лакмусовая бумажка проявили критическое состояние систем отопления. Износ магистральных теплотрасс увеличивается с каждым годом. В Украине  в межотопительный сезон могут перекладывать сто километров теплотрасс, но в большинстве регионов средств хватает только на латание дыр. Разрушающиеся теплотрассы отапливают улицу, а не дома. Затраты же на отопление улиц коммунальщики перекладывают на конечного потребителя. Установка тепловых счетчиков даст лишь временную передышку. После того, как большинство потребителей установят счетчики, теплопроизводящие компании обязательно повысят тарифы, чтобы компенсировать свои потери в теплотрассах. При этом рост тарифов не уменьшает вероятность остаться без тепла в пик морозов.