Опубликовано: 04.01.2021

Сверхединичный конденсационный электронагреватель.


Если обратиться к бытовому опыту. После того как вода в кастрюле на газовой плите закипела, первое, что делает хозяйка, уменьшает огонь, вода при этом продолжает кипеть.

При кипении воды идёт не только преобразование воды в пар, но и обратный процесс - конденсация воды. Учебник физики за восьмой класс сообщает нам: Конденсация пара сопровождается выделением энергии.

Согласимся что в итоге устанавливается баланс обмена энергий между конденсацией и парообразованием, который снижает общее энергопотребление. Но в пространстве реактора в котором происходит кипение остаётся ещё и пар.

Учебник физики восьмого класса подсказывает нам: Энергию, выделяемую при конденсации водяного пара, используют на электростанциях для нагревания воды, которую затем применяют для отопления, бытовых и промышленных нужд. Одним словом, технология конденсационного нагрева стара как мир.

https://youtu.be/LjUKMuVx0HQ

Для проверки эффективности нагрева основанного на использовании только той энергии, что образуется при конденсации воды, был собран опытный образец нагревателя проточного типа, ныне очередной музейный экспонат, состоящий из реактора, который представлен пластиковой трубой, нагревательного элемента - кипятильник для воды и самодельного, спиралевидного теплообменника через который подавалась проточная вода.

По разнице температур на входе и выходе теплообменника при нагреве и поддержании режима кипения одного литра воды в реактре оценивалась эффективность работы конденсационного нагревателя. Расход электрической энергии фиксировался электросчётчиком меркурий, температура на входе и выходе проточного нагревателя измерялась тестером с термопарами K-типа, время в течении которого заполнялся литровый мерный стакан водой прошедшей через нагреватель отмечалось на секундомере. Общая продолжительность эксперимента и промежуточных измерений - несколько суток. Изменялась параметры такие как скорость потока воды и мощность нагрева. Текущий результат показал эффективность преобразования электрической энергии в тепловую с коэффициентом 1.6. Расчёты выполнялись на калькуляторе для проточного водонагревателя, погрешность в измерениях и расчётах в 60 процентов маловероятна.

Предпринималась попытка использовать электродный нагрев воды, но он дискредитировал себя. Вода проходит дистилляцию, становится диэлектриком и если не добавлять соли, эффективность системы по теплу в течении часа падает "до нуля".



О чём говорит казалось бы невысокий коэффициент 1.6 преобразования электрической энергии в тепловую и в этом легко может убедиться каждый собрав установку из желудей и палок?

Фундаментальная вещь, меняющая стереотип мышления - процесс конденсации связан с образованием дополнительной, свободной энергии, которая превышает затраты на процесс парообразования. Избыток энергии опровергает заявления классической науки, что конденсация - это возврат энергии в том же объёме что было затрачено источником энергии в процессе парообразования.

В свете сказанного можно не только попытаться представить фантастические объёмы дополнительной, свободной энергии, которая образуется над поверхностью земли при образовании и выпадении осадков в виде дождя, но и после проведения практических экспериментов построить тепловую установку замкнутого цикла, без привлечения источника внешней энергии.

Прототип конденсационного нагревателя.

Конструкция конденсационного нагревателя ограничена лишь Вашей изобретательностью, обязательно держите в фокусе необходимость использования дополнительной энергии, которая образуется в моменты конденсации воды. Иначе Вы получите кпд меньше единицы, что не интересно. Далее приведены общие положения которые следует соблюдать.

  • Нагреватель состоит из реактора в котором происходит непрерывное кипение воды, тип нагревательного элемента неважен.

  • Теплоизоляция реактора от внешней среды обязательна, в идеале реактор это герметичная емкость, лучше использовать непроводящие материалы, с минимальными тепловыми потерями, чтобы все тепло оставалось внутри. Металл нарушает схему эффективного образования конденсата, поскольку часть тепла возвращается обратно.

  • Полученный в результате кипения воды пар должен поступать в теплообменник где осуществляется конденсация воды и связанный с этим процесс образования дополнительной, тепловой энергии - базовый принцип данного нагревателя.

  • Вода полученная при конденсации водяного пара, должна быть возвращена в реактор для повторного нагрева.

  • Обязательным условием повышения эффективности тепловой системы является наличие терморазрывов нейтрализующих тепловую связь между реактором и теплообменником. В теплообменник через терморазрыв должен поступать только пар, напротив, в реактор самотёком либо иным способом через терморазрыв должен поступать конденсат. От воды в рабочей зоне реактора не должно быть отбора тепла. В эксперементальном образце терморазрыв обеспечивал уровень воды в нагревательной ёмкости, который не соприкасался с теплообменником и нагрев теплообменника осуществлялся исключительно энергией полученной при конденсации воды.

  • Критерием эффективной работы конденсационного нагревателя является прогрев теплообменника по всей площади.

  • Экспериментально установлено, что дополнительная энергия образуется при конденсации воды. Если вспомнить фильм телообмен при конденсации: температура стенок теплообменника должна быть более низкой чем температура кипения жидкости при данном давлении, это ускоряет процесс теплообмена. Тоесть эффективность установки определяется тмпературой поверхнности на которой образуется вода. Чем она ниже, тем более эффективна тепловая установка.

    Интересно провести самостоятельное исследование. Энергии в каком случае получится больше. При охлаждении дистиллята до минимальной температуры и после нагрев, либо наоборот, только что образованный конденсат должен максимально быстро поступить в реактор.

  • В режим с коэффициентом преобразования электрической энергии в тепловую больше единицы конденсационные нагреватели выходят через восемь и более часов непрерывной работы. Сразу ждать результата не следует. Идёт процесс накопления избыточной энергии и балансировка процессов теплообмена.

При несоблюдении этих условий Вы рискуете получить классический вариант обогревателя с коэффициентом преобразования электрической энергии в тепловую меньше единицы.



Попытка реализации описанных выше принципов в нагревателе представлена далее на слайдах. В качестве теплообменника используется обычный радиатор отопления, внутри которого происходит конденсация воды за счёт снижения температуры пара в результате теплообмена радиатора с окружающей средой. Образовавшаяся вода поступает в реактор для повторного нагрева. В качестве элемента терморазрыва использованы трубы из полипропилена диаметром 32мм, что недопустимо для данной установки. Пар имеет температуру сто и более градусов. При данных температурах полипропилен быстро деградирует и следует ожидать скорого разрушения тепловой системы.

Для справки. Изделия из не самого прочного полимерного материала с трудом выдерживают повышенные температуры жидкостей. Эксплуатация в условиях постоянной температуры в 100 градусов существенно снижает срок жизни. При температуре воды в 130 градусов верхний слой теряет форму и перестает быть надежным, а при 170 градусах сразу расплавится.



Реактор заполняется водой только до уровня крана в нижней части радиатора отопления. Для данной конструкции это около одного литра. Большее количество воды недопустимо. Иначе будет тепловая связь воды в теплообменнике и воды в реакторе. При увеличении интенсивности парообразования вся вода оказывается в теплообменнике, нагревательный элемент остаётся без воды, система в результате будет разрушена.

Объём воды в реакторе вещь требующая балансировки. Зачем греть и тратить энергию на десять литров воды, когда для рабочего цикла вполне достаточно и одного?

Регулировка мощности резистивного ТЭН осуществлялась при помощи блока конденсаторов (БК), включенных с ним последовательно. Подбиралась электрическая мощность ТЭН достаточная для поддержания кипения воды в реакторе. При этом установился баланс между объемами конденсируемой воды и водой в реакторе. Итоговая активная мощность нагревателя в данной установке по электросчётчику составила 210 ватт.

Оценить эффективность собранного конденсационного нагревателя сложно, по субъективной оценке 210 ватт электрической мощности оказалось достаточно, чтобы поддерживать температуру в помещении на уровне 14.5°C против 12.5°C без него. После замены конденсационного нагревателя на обычный электронагреватель и подачи на него тех же 210 ватт электрической мощности, температура в помещении через сутки работы осталась без изменения на уровне 12.5°C.

Представленную конструкцию прототипа следует признать неудачной. Практика эксплуатации собранного образца показала что при увеличении интенсивности кипения вся вода оказывается в теплообменнике, это приведёт к выходу нагревательного элемента из строя, требуется увеличить объём реактора. Градиент температур теплообменника от секции к секции изменяется от 90 до 20 градусов, при температуре пара в 100 градусов, это ошибка.

Получить большую эффективность нагрева помещения возможно за счёт увеличения разницы температур между поступающим паром в теплообменник и окружающей средой или теплоносителем в случае косвенного нагрева. Для этого следует использовать температуру пара более 100 градусов. Известно, что температура кипения воды зависит от давления окружающей среды, выше давление, выше температура кипения.

Подобное изменение вряд ли возможно в других типах нагревателей, но для конденсационного нагревателя это наиболее естественный путь повышения эффективности работы системы. Чтобы поднять давление в системе достаточно подать в нагреватель большую электрическую мощность. При подачи в экспериментальный нагреватель 500 ватт электрической мощности давление по манометру выросло до 0.1 бар, температура пара составила порядка 110 градусов, градиент прогрева секций изменился, все секции радиатора отопления были прогреты.

К сожалению использовать технику дальнейшего увеличения давления чтобы поднять температуру пара до 150-200 градусов не представляется возможным из-за использования полипропиленовых труб. В целом работу прототипа нагревателя следует признать неудовлетворительной, к повторению не рекомендуется.

Необходимо соблюдать технику безопасности и не открывать краны при работе системы, пар вырывается под давлением, возможно получение серьёзных ожогов. Обязательно следует контролировать температуру реактора и давление в системе. Увеличение давления в системе смещает точку кипения воды в верх, это в свою очередь приведет к увеличению температуры пара и в очередной раз увеличит давление в системе. В итоге нагреватель может разорвать.

Повышение эффективности конденсационный электрокотлов.

Первый путь - использовать в качестве среды не воду, а высокотемпературный теплоноситель. Из того что попалось на глаза и возможно стоит попробовать ацетоуксусный эфир с температурой кипения - 180,8°C.

Втрой путь более фундаментален. Поднять температуру кипения достаточно просто. Для этого следует увеличить давление в реакторе и довести рабочую температуру реактора до 200°C. Энергию полученную при конденсации воды высокотемпературной зоны следует отправить не на нагрев помещения, а на нагрев второго контура, рабочая температура которого, допустим будет стандартные 100°C. В начале статьи показано, что для поддержания процесса кипения воды высокотемпературной зоны требуется меньше тепла источника энергии чем при нагреве. Двухконтурная схема предполагает двойное использование свободной энергии, которая образуется в моменты конденсации. Каких либо простых конструктивных решений по двухконтурной схеме на текущий момент нет.

Промышленные системы использующий энергию конденсации воды.

К промышленным тепловым системам использующий конденсационный нагрев можно отнести водогрейные котлы конденсационного типа с официально признаным КПД, больше ста процентов. Если провести грубую аналогию электрического конденсационного нагревателя и газового котла, источником дополнительной энергии в котором служит побочный продукт горения - угарный газ, результат сгорания топлива. В конденсационном электрокотле таковым побочным продуктом является пар, который конденсируется. Не считая того факта, что сам процесс конденсации даёт энергии больше, чем затрачено на процесс образования пара при кипении воды. В отличии от угарного газа, экологичность пара в конденсационном электрокотле не вызывает ни у кого сомнений.

Вторым, наиболее близким к конденсационному электронагревателю, являются системы парвового отопления низкого давления. Чем ещё интересна паровая система отопления для частного сектора. Образованный в результате кипения пар поступает в отопительную систему, где конденсируется и самотёком возвращается в реактор для повторного нагрева. При прекращении нагрева воды процесс образования пара также прекратится и весь конденсат стечет в котёл, это значит, при оставлении дома в зимнее время трубам разрыв не грозит. Отпадает необходимость в циркуляционном насосе, качественные из которых дороги, а дешевые не всегда надёжны, так же не придётся тратиться на низкотемпературный теплоноситель. Допускаю что и в тепловых радиаторах не будет необходимости, если дом качественно утеплён.

В конденсационных электростанциях (КЭС) отработанный пар поступает в шедевральное устройство градирни, где его энергия максимально эффективно рассеивается в атмосфере.

Алгоритм - клетка