Generatori di calore: aria, acqua e vortice

Sezioni dell’articolo

• Storia dei generatori di calore
• Il dispositivo e il principio di funzionamento del generatore di calore
• Tipi di generatori di calore
• Generatore di calore a vortice – storia
• Da dove proviene l’energia termica in eccesso nei generatori di calore a vortice
• Produttori di generatori di calore a vortice e relativi costi

In questo articolo: Storia dei generatori di calore principio di funzionamento e dispositivo; tipi di generatori di calore; produttori e costo medio dei generatori di calore; la storia del generatore di calore per cavitazione a vortice; il principio del generatore di calore a vortice; produttori di generatori di calore a cavitazione nella CSI.

Nella stagione invernale, i locali necessitano di riscaldamento artificiale, altrimenti i suoi abitanti sperimenteranno personalmente tutte le delizie dell’era glaciale. Riscaldamento centralizzato in condomini, riscaldamento individuale in cottage privati ​​… ma per quanto riguarda i grandi locali, ad esempio aree di vendita e magazzini? E con i cantieri o, diciamo, i servizi automobilistici, dove l’aria fredda scorre costantemente dall’esterno? L’unico modo per riscaldare una vasta area è il riscaldamento dell’aria, costruito su pistole o generatori di calore. Questo articolo riguarderà i generatori di calore.

Storia dei generatori di calore

L’invenzione del generatore di calore convettivo è direttamente correlata all’invenzione di Robert Bunsen, un bruciatore atmosferico che porta il suo nome. I primi generatori di calore immessi sul mercato nel 1856 dalla società inglese “Pettit and Smith” erano dotati di un bruciatore atmosferico simile al bruciatore Bunsen, solo di dimensioni maggiori.

Chimico sperimentale tedesco Robert Wilhelm Bunsen

Nel 1881, l’inglese Sigismund Leoni ricevette un brevetto per un nuovo tipo di generatori di calore: la fiamma di un bruciatore in essi riscaldava una piastra di amianto, che trasferiva il calore nell’aria. Successivamente, l’amianto è stato sostituito da argilla refrattaria, oggi sostituita da materiali refrattari più durevoli.

Un bruciatore atmosferico e una piastra refrattaria sopra di esso sono gli elementi principali nella progettazione di qualsiasi moderno generatore di calore..

Il dispositivo e il principio di funzionamento del generatore di calore

In termini di compiti, i generatori di calore sono simili alle pistole termiche – la differenza è che queste unità possono essere solo stazionarie. Design tipico di un generatore di calore: un ventilatore (assiale o centrifugo), sopra di esso c’è una camera di combustione, un bruciatore viene introdotto nella sua parte inferiore, uno scambiatore di calore ad aria si trova sopra il bruciatore. I gas caldi formati nella camera di combustione vengono inviati allo scambiatore di calore e quindi condotti al camino. Il flusso d’aria soffiato dalla ventola viene riscaldato nello scambiatore di calore a 20-70 ° C, quindi entra nella stanza riscaldata o nel sistema di ventilazione del condotto.

A seconda della potenza dei ventilatori installati nella loro progettazione, i generatori di calore possono sviluppare una pressione statica di uscita di 100-2000 Pa.

In termini di potenza termica, i generatori di calore si differenziano in due tipi: fino a 350-400 kW (in un unico alloggiamento) e fino a 1000 kW (consistono in sezioni di scambio termico e ventilazione).

Nei generatori di calore destinati ai sistemi di riscaldamento dei condotti dell’aria, lo scambiatore di calore e la camera di combustione sono realizzati in acciaio inossidabile; un sistema di drenaggio della condensa viene inoltre introdotto nel loro design.

Tipi di generatori di calore

La principale differenza tra i modelli esistenti di generatori di calore è il tipo di combustibile utilizzato in essi e il tipo di refrigerante da riscaldare. I generatori di calore possono funzionare a combustibile solido, gas, gasolio ed essere dotati di un bruciatore universale. Il vettore di calore negli impianti di riscaldamento, che è riscaldato da un generatore di calore, può essere sia acqua che aria..

Generatori di calore a gasprogettati per la fornitura continua di aria calda ai locali, sono installati in posizione verticale. Lo scambiatore di calore installato in essi estrae una parte significativa del calore dai prodotti della combustione, riducendo la volatilità dei gas di combustione – il tubo di scarico per i generatori di calore a gas deve essere dotato di un ventilatore. Se il design del generatore di calore contiene una camera di combustione chiusa, sotto la quale si trova un ventilatore, la probabilità di spinta inversa è minima: tutti i prodotti di combustione verranno rimossi attraverso il camino, quindi tali generatori di calore a gas sono considerati i più sicuri. Nella maggior parte dei casi, l’efficienza dei generatori di calore a gas è dell’85-90%.

Quando si sceglie un modello di generatore di calore a gas, è necessario prestare particolare attenzione alla sua capacità di lavorare a pressione del gas ridotta. Quando si costruisce il riscaldamento su un generatore di calore a gas in assenza di alimentazione di gas centrale, sarà particolarmente conveniente installare un serbatoio di gas con un volume di 2500 litri o più (il volume richiesto dipende dall’area riscaldata dell’edificio).

Generatori di calore diesel, come combustibile per cui viene utilizzato il cherosene o il gasolio, sono adatti per il riscaldamento di locali industriali con un’area significativa. Sono dotati di un ugello che spruzza carburante attraverso la camera di combustione, oppure il carburante viene fornito con un metodo a goccia. Con riserva di funzionamento continuo, vengono riforniti due volte al giorno..

Per la combustione in generatori di calore con bruciatore universale, vengono utilizzati sia gasolio che olio esausto, grassi di origine vegetale e animale. Sono particolarmente utili nelle imprese in cui esiste un problema con lo smaltimento di grassi e oli usati. Tuttavia, la potenza termica del generatore di calore, in cui vengono bruciati oli e grassi esausti, non supererà i 200 kW; quando si brucia gasolio, si ottiene una potenza termica più elevata. Indipendentemente dal tipo di combustibile utilizzato, questo tipo di generatore di calore, come qualsiasi altro, necessita di un camino. Quando si brucia olio esausto, è inevitabile la formazione di scorie, che devono essere rimosse quotidianamente: per maggiore comodità, saranno necessarie due vasche di combustione, una delle quali sostituirà l’altra durante la pulizia e per ridurre i tempi di inattività del generatore di calore.

Generatori di calore a combustibile solidohanno un design diverso da quelli sopra descritti – essendo qualcosa tra generatori di calore gas / diesel e tra un forno convenzionale. Sono dotati di un ventilatore che soffia aria attraverso uno scambiatore di calore e lo fornisce alle stanze riscaldate; hanno barre della griglia e una porta di carico del carburante. I generatori di calore a combustibile solido bruciano legna secca, bricchette di torba, carbone e vari rifiuti agricoli. Tali generatori di calore hanno un’efficienza dell’ordine dell’80-85%, che è leggermente inferiore a quelli che funzionano con combustibili gassosi e liquidi – 85-90%. Va inoltre notato la grande dimensione dei generatori di calore a combustibile solido e i rifiuti significativi sotto forma di una parte incombustibile del combustibile..

Gli scambiatori di calore nei generatori di calore possono essere in ghisa o acciaio: il loro primo tipo è più resistente alla corrosione, ma piuttosto massicci, gli scambiatori di calore del secondo tipo, al contrario, hanno meno peso, ma sono soggetti a corrosione. Entrambi i tipi di scambiatori di calore non tollerano bene gli impatti, pertanto il trasporto e l’installazione dei generatori di calore devono essere eseguiti con la massima cura..

I vantaggi dei generatori di calore ad aria sono maggiori, rispetto al riscaldamento dell’acqua, all’efficienza e alla velocità di riscaldamento dei locali, e quando si lavora sugli oli usati – risparmiando denaro sul carburante, per non parlare della soluzione del problema dello smaltimento dei rifiuti.

Il costo medio di un generatore di calore da 400 kW sarà di 90.000 RUB. Sul mercato russo ci sono generatori di calore di Master (USA), Kroll (Germania), Sial e ITM (Italia), Benson Heating (Inghilterra), FEG Konvektor GF (Ungheria).

Quando si sceglie un generatore di calore ad aria, si dovrebbero considerare quei modelli in cui l’aria viene riscaldata indirettamente, cioè la camera di combustione è completamente isolata dal liquido di raffreddamento. In questo caso, i prodotti della combustione sono garantiti per non penetrare nei canali di riscaldamento dell’aria, non sarà necessario mescolare l’aria dall’esterno con l’aria all’interno dei locali. Tuttavia, tali generatori di calore hanno un prezzo, un peso e dimensioni più elevati..

I generatori di calore con le funzioni di fornitura di acqua calda e riscaldamento possono risolvere completamente i problemi della fornitura di calore, per la maggior parte funzionano con combustibile solido.

Generatore di calore a vortice – storia

Questo tipo di generatori di calore merita un’attenzione particolare, in gran parte a causa dell’opposizione dei suoi sostenitori e avversari..

Negli anni ’20 del secolo scorso, il francese Joseph Rank, conducendo ricerche nella camera d’aria di un’installazione a ciclone, scoprì che, essendo roteati, i gas in una camera cilindrica o conica sono separati in due frazioni – con una temperatura più alta ai bordi e una temperatura più bassa al centro. inoltre, la frazione al centro, in contrasto con quella marginale, ruota nella direzione opposta. Nel 1934, Rank ricevette un brevetto negli Stati Uniti per il suo “tubo a vortice”.

Il tedesco Robert Hilsch negli anni ’40 ha continuato la ricerca del suo collega francese, ottenendo una maggiore differenza tra le temperature delle due correnti d’aria che lasciano il tubo di vortice di livello grazie al suo design migliorato.

Negli anni ’50, lo scienziato sovietico A. Merkulov ha avviato una serie di esperimenti con il tubo a vortice di rango, decidendo di pompare acqua al suo interno anziché gas – teoricamente, non dovrebbe esserci una differenza di temperatura nell’acqua che è stata guidata attraverso il tubo di grado, perché, a differenza dei gas, l’acqua non può essere compressa … Contrariamente alle aspettative, il flusso biforcato di vortice d’acqua è stato riscaldato e raffreddato in modo simile ai gas, il che ha sconcertato il professor Merkulov: non è stato in grado di spiegare le ragioni di questo fenomeno.

A proposito, il creatore del primo generatore di calore a vortice è spesso chiamato l’inventore autodidatta austriaco Viktor Schauberger, noto per la turbina di aspirazione che ha costruito nel 1921 che lavora solo sull’acqua …

Venti anni fa, l’americano James Griggs, la cui area di interesse risiedeva nel campo del riscaldamento, fu il primo a costruire un generatore di calore ad acqua basato sul principio del tubo Rank. James fu deluso dagli scaldabagni con elementi riscaldanti: i sali nell’acqua formavano una scala sugli elementi riscaldanti, causando il surriscaldamento della bobina e il guasto dell’elemento riscaldante. Sulla base del fatto che gli elementi riscaldanti hanno un’efficienza vicina al 100% e che il motore elettrico che ruota il generatore di calore è circa il 90-95%, James Griggs ha deciso di compensare il maggior consumo di energia non dovendo sostituire gli elementi riscaldanti che si erano bruciati dalla formazione della bilancia. Il calcolo di Griggs prevedeva che l’attrito causasse il riscaldamento dell’acqua. L’ingegnere americano si è rivelato giusto: il generatore di calore che ha creato ha davvero riscaldato l’acqua e la sua struttura interna non ha subito l’usura da varie impurità e sali presenti nell’acqua. Ma, con estrema sorpresa di James, il calcolo dei costi energetici non ha rivelato la perdita di energia prevista del 10%, ma, rispetto ai sistemi di riscaldamento con elementi riscaldanti, un risparmio del 14%! Dopo aver effettuato test sperimentali nel 1992, Griggs ha scoperto che per ogni joule di elettricità speso per il funzionamento di un generatore di calore, un riscaldatore crea 1,5 joule di calore. Dopo aver trascorso altri due anni nel tentativo di scoprire le ragioni del verificarsi di energia in eccesso e senza scoprirle, James Griggs nel 1994 ha ricevuto un brevetto negli Stati Uniti per un generatore di calore a cavitazione rotante che ha creato.

Da dove proviene l’energia termica in eccesso nei generatori di calore a vortice

Il generatore di calore Griggs è progettato come segue: un rotore in alluminio è inserito in una cassa cilindrica in acciaio, i fori sono praticati lungo la superficie del cerchione; la cassa è chiusa con un coperchio piatto in acciaio fissato con viti. Nelle coperture piatte, su ciascuna di esse, c’è un’entrata per il flusso d’acqua, in relazione l’una con l’altra, le entrate su entrambe le coperture, montate su lati opposti del corpo, sono situate sulla stessa linea. L’acqua, proveniente da un lato al rotore, lo bypassa lungo il bordo e fuoriesce dal lato opposto con una temperatura superiore a quella originaria.

Il motivo per cui l’acqua viene riscaldata è molto probabilmente dovuto alla cavitazione. Entrando nel rotore e riempiendo i fori lungo il suo bordo, l’acqua si attacca a loro, ma la forza centrifuga provoca l’allungamento dell’acqua che aderisce ai fori – le sue gocce si staccano da loro, si precipitano alle pareti dell’alloggiamento e si schiantano contro di loro. L’onda d’urto risultante e la pressione crescente “collassano” il gran numero di bolle di gas e vapore, provocando in ognuna di esse una pressione di centinaia di migliaia di atmosfere e una temperatura di oltre 106 ° C – si verifica una cavitazione acustica.

La teoria sopra descritta si basa sul fenomeno della sonoluminescenza, scoperto nel 1934 dagli scienziati tedeschi N. Frenzel e H. Schultes, che stanno lavorando a un sonar per sottomarini. Hanno scoperto che le onde sonore causano l’espansione e la contrazione delle bolle di gas nell’acqua – sotto l’influenza delle vibrazioni e nel tempo con esse, la dimensione delle bolle cambia da alcune decine a diversi micron, il loro volume cambia più volte. Di conseguenza, il gas contenuto nelle bolle diventa abbastanza caldo da fondere l’acciaio e persino emettere luce..

Produttori di generatori di calore a vortice e relativi costi

La produzione di generatori di calore a vortice per il mercato della CSI è condotta da numerosi produttori, ognuno dei quali ha un brevetto per un modello che produce sulla base del modello sviluppato dalle specifiche tecniche – non esistono standard statali per i generatori di calore a vortice. La loro produzione è condotta dalle società “YUSMAR” LLC (Moldavia), NPP russo “Tecnologie e comunicazioni energetiche alternative”, “Noteka-S” LLC, “Angstrem” NPP, “ORBI” UK LLC, “Kommash Plant” JSC e altri. Negli ultimi 20 anni, gli inventori dei generatori di calore a vortice hanno ricevuto circa 50 brevetti.

Il costo dei generatori di calore a vortice con una potenza del motore elettrico di 55 kW / h sarà in media di 290.000 rubli.

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