В то время как весь мир для оценки эффективности сверхединичных тепловых систем использует коэффициент производительности или COP. После изобретения холодильников в 1803 году Томасом Муром и теплового насоса Уильямом Томсоном в 1852 году, сверхединичность тепловых систем никого не смущает от слова совсем. На фоне сказанного вызывает сочувствие отсталость в развитии и слабая подготовка российских горе физиков для которых КПД тепловых установок в 100 процентов - надпись на могильной плите, а закон сохранения энергии гвоздь в её основании, любые отклонения от шаблона заставляют их переворачиваться и биться головой о стенки собственной зашоренности.
Одним из самых популярных источников получения тепловой энергии, используя электрическую, является ТЭН, или трубчатый электрический нагреватель. ТЭН представляет из себя сопротивление, в результате изменения потенциала на котором образуется тепловая энергия.
Принято, что у ТЭН коэффициент полезного действия 100% и он считается у энергетиков идеальным тепловым прибором, поскольку выдувает деньги из карманов потребителей с КПД, который увеличивается год от года на 10 и более процентов.
Существуют ли более эффективные способы получения тепловой энергии чем использовать ТЭН? Безусловно да. К подобным устройствам относятся промышленные парокапельные обогреватели. Коэффициент производительности (COP) парокапельных обогревателей составляет 2.5, в то время как у идеального ТЭН, COP равен единице. Это значит, что на киловатт электрической энергии, парокапельный обогреватель производит 2.5кВт тепловой, в то время как ТЭН - 1кВт, в реальности образует максимум 0.8кВт тепловой.
В классических системах водяного и электрического отопления нагрев помещения осуществляется в результате организации теплообмена нагретой воды и окружающей среды.
Эффективность парокапельных обогревателей достигается за счёт двухфазного процесса:
- Небольшое количество теплоносителя, которое находится внутри герметичного контура нагревается и превращается в пар.
- Пар, в свою очередь, конденсируется на стенках теплообменника, отдавая тепло.
Чтобы разобраться чем обусловлена высокая эффективность конденсационных обогревателей предлагаю повторить несложный эксперимент.
Небольшая ремарка. Если с 20 градусов цельсия до 100 градусов разнотипные нагреватели один литр воды при прочих равных условиях нагреют за одно и то же время, это значит что нагреватели передали воде одно и то же количество тепловой энергии. Какой при этом КПД у газовой или электроплиты, какой ТЭН Вы используете - сухой, мокрый, погружной, выгружной не имеет значения. Далее, используя несложную математику, можно определять тепловую мощность нагревателя.
Заполните ёмкость, предназначенную для нагрева окружающей среды, водой, поставьте её на газовую плиту, выполните нагрев теплоносителя, после проведите необходимые измерения и расчёты.
В эксперименте участвует 300мл дистиллированной воды с начальной температурой 23 градуса и часы. За три минуты вода нагрелась до ста градусов. Проведите математический расчёт исходя из того, что 1 джоуль равен 2,77778e-7 кВт·ч и получите что на нагрев воды от двадцати трёх до ста градусов потребовалось 0.026867 кВт·ч или 0.09672 МДж. Значит производительность моего нагревательного элемента (газовая плита) 0.03224 МДж или 0.0089566 кВт·ч в минуту.
Через тринадцать минут вся вода испарилась, на что было истрачено ещё 0.41912МДж. Теплоноситель закончился и отопительная система была выключена. Общий расход экспериментальной отопительной системы составил 0.51584МДж или 0.1433056 кВт·ч.
В результате теплообмена между стенками экспериментальной тепловой установки, нагретых до 100 градусов, и окружающей средой, в помещении стало теплее. Скажем спасибо нашему "нагревателю" и оплатим его услуги 0.14328 кВт*ч по счетчику.
Вопрос к читателю. Какой процесс в рассмотренном тепловом устройстве упомянут не был чтобы скрыть реальную эффективность конденсационных нагревателей?
Ответ на поверхности, вернее над поверхностью - это пар. Сколько энергии мы потратили на его получение, столько мы вернём обратно при конденсации пара в воду. А это ни много ни мало 13 минут или 81% всего времени работы нагревательного прибора!
Задача: Какое количество энергии Q, необходимо для испарения 300г воды: Q = Lm, где L — удельная теплота парообразования воды при атмосферном давлении, m — масса воды. Q= 2258 кДж/кг * 0,300кг. Ответ: 0.67774МДж
Экспериментальная тепловая установка затратила на полное испарение 300 грамм воды 0.41912МДж. Это в 1.61 раз эффективнее расчётных данных для идеальных условий нагрева без потерь. Практика показывает наличие дополнительной энергии в сравнении с математической моделью. Полученный коэффициент списать на погрешности измерений это пойти против истины, тем более что приведённые цифры элементарно проверить и разместить в комментариях свой эксперимент и расчёты.
Надо понимать, что "классические" системы отопления настроены на извлечение максимальной прибыли владельцами энергокомпаний и производителей теплового оборудования, поэтому обязаны быть малоэффективны. Жрецы Науки за наши с вами деньги, обслуживает интересы корпораций, теории переписывается в угоду хозяев, экономически выгодные тепловые устройства для населения не разрабатываются.
У читателя возникает закономерный вопрос, как и откуда в системах конденсационного типа образуется дополнительная энергия? Считается, что при нагреве молекулы воды начинают двигаться быстрее и по достижению 100C по цельсия при нормальном атмосферном давлении начинается кипение жидкости, смена его агрегатного состояния, ... - не важно.
Подумайте над следующим, как только Вы начинаете подводить тепло к воде, возникают силы противодействия, препятствующие мгновенному её закипанию и испарению. Рассчитываю, что у читателей факт наличия этих сил не вызывает сомнения. Возникшие силы противодействия являются внешними, реакцией среды. Исключать возможность поступления энергии, образованной внешними силами противодействия при конденсации воды и считать рассматриваемую термодинамическую систему закрытой совершенно недопустимо.
Вода в закрытом объёме вода испаряется и образуется пар, в зоне конденсатора давление увеличивается и в момент когда пар превращается в воду давление снова уменьшается. В результате давление изменяется. Это - изменение параметра системы. При изменении параметра среда начинает работать и добавлять собственную энергию по принципу теплового насоса. Процесс подобен тому, как Вы раскачиваетесь на качелях, приседая и вставая увеличиваете амплитуду колебаний. Но только, в роли Вас выступает окружающая среда, которая добавляет собственную энергию в моменты увеличения и уменьшения давления в системе.
Если провести аналогию с механикой или электродинамикой, то "Специфическим видом внешнего воздействия на колебательную систему является периодическое изменение параметров системы во времени. Такое воздействие называется параметрическим." Ни для кого секретом не является, при изменении параметра возбуждение системы осуществляется за счёт привлечения энергии среды.
Предлагаю фэнтезийный сценарий. Действия искусственного интеллекта (ИИ) - Стража Реальности, могут быть следующими. Чтобы вода не испарилась мгновенно, ИИ предоставляет силам противодействия при текущем давлении "один джоуль" энергии. Но в результате частичной конденсации воды давление в системе понизилось и надобность в одном джоуле отпала, силам противодействия оказалось достаточно 0.5 джоуля. Оставшиеся невостребованной 0.5 джоуля энергии среды пошли на дополнительный нагрев реактора. И да, Страж Реальности так же беспокоится и о втором законе термодинамики тем, что нарушает его.
"Нелинейные системы, где нет обычного принципа суперпозиции, это, в общем случае, при наличии дисперсии почти непреодолимая задача для математики."
Приведённый пример, в котором изменяется параметр системы - давление, фантазийным является лишь отчасти. Именно попытка реализовать параметрический нагрева, мне кажется абсолютно перспективным. В любом случае получится более эффективный нагреватель, чем классическая система отопления.
Вопрос. Почему силы противодействия, которых множество - трение, кипение, инерция, самоиндукция, в которых содержатся неподдающиеся осмыслению объёмы энергии, не изучаются? Почему физическая суть сил противодействия и возможности их использования всегда за кадром, всегда в тени, на них никогда не делается акцент?
Если возражений против предложенной версии работы внешних сил при фазовых переходах воды в пар и обратно у Вас не возникло, то и считать системы конденсационного типа ЗАМКНУТЫМИ, в которых невозможно поступление энергии среды - неразумно. Другой вопрос, насколько эффективно в конструкторских решениях энергия среды вовлекается в нагревательный цикл.
Что делает любая домохозяйка когда вода в кастрюле закипает? Уменьшает огонь. Вода при этом продолжает кипеть. Образуется пар, который конденсируется на крышке кастрюли и капли в виде конденсата возвращаются обратно.
Для поддержания процесса парообразования требуется энергии меньше чем для того, чтобы вода достигла температуры кипения, при этом теплообмен с окружающей средой будет происходить при ста градусах.
Это эффективнее чем если вода нагрета до меньшей температуры - но даже эту малость продавцы тепла не используют.
Возникают пожелания к испарителю. В идеале это пластина нагретая до сотни градусов, попадая на который конденсат должен тут же испаряться. Кипение жидкости в объеме желательно свести к минимуму.
Собрать конденсационный обогреватель для проведения необходимых измерений Вы можете самостоятельно. Высоко технологичных материалов не требуется. Действующий прототип конденсационного обогревателя проточного типа представлен на фотографии.
Реактор - это пластиковая ёмкость серого цвета в которую встроен нагревательный элемент - кипятильник для воды. Вода закипает, образуется в пар и заполняет пространство пластиковой трубы. Пар, попадая на холодную поверхность медной спирали теплообменника превращается в конденсат и самотёком возвращается в реактор для повторного нагрева. Чтобы тепло не уходило во внешнее пространство, весь нагреватель был обёрнут в дополнительный теплоизолятор.
Эффективность работы собранного конденсационного нагревателя оценивалась по разнице температур на входе и выходе теплообменника при нагреве и поддержании режима кипения одного литра воды в реакторе. 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 - составила несколько суток. Изменялась параметры такие как скорость потока воды и мощность нагрева. Реальные данные сравнивались с расчетами на калькуляторе для проточного водонагревателя.
Текущий результат преобразования электрической энергии в тепловую COP (коэффициент производительности) составил 1.6. Результат порадовал, планирую реализацию в металле.
Процесс конденсации связан с образованием дополнительной энергии, которая превышает затраты на процесс парообразования.
В свете сказанного можно попытаться представить фантастические объёмы энергии которая образуется над землёй при образовании и выпадении осадков в виде дождя.
Конструкция конденсационного нагревателя ограничена Вашей изобретательностью, но обязательно держите в фокусе что необходимо использовать энергию, которая образуется при конденсации воды. Далее приведены положения при соблюдения которых экспериментальная тепловая установка, дала сверхединичный коэффициент получения тепловой энергии в сравнении с ТЭН.
- 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 из непроводящего тепло материала. Необходимо обеспечить условия, чтобы вся энергия источника питания была сосредоточена на поддержании кипения воды.
- 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, но так же через терморазрыв должен поступать конденсат.
- Критерием эффективной работы конденсационного нагревателя является прогрев области вблизи теплообменника по всему объёму. Для этого требуется теплоизоляция от взаимодействия с окружающей средой как реактора, так и ёмкости в которой размещён теплообменник.
- Если вспомнить фильм Теплообмен при конденсации: температура стенок теплообменника должна быть более низкой чем температура кипения жидкости при данном давлении, это ускоряет процесс теплообмена. То есть эффективность установки определяется температурой поверхности на которой образуется вода. Чем она ниже, тем более эффективна тепловая установка.
- В режим с коэффициентом преобразования электрической энергии в тепловую больше единицы конденсационный нагреватели выходят через восемь и более часов непрерывной работы. Сразу ждать результата не следует. Идёт процесс накопления избыточной энергии и балансировка процессов теплообмена.
Какие существуют инструменты для повышения эффективности работы конденсационных нагревателей показано в фильме СССР.
- Чем больше температурная разница между теплообменником и паром, тем более эффективной будет проходить конденсация, а значит повысится эффективность работы теплового устройства. Добиться этого можно увеличением давления в камере теплообмена. Повышая давление можно поднять температуру кипения до 200 и более градусов. Разница между окружающей средой будет уже не сто, а двести и более градусов.
- Второй путь, это вместо воды подобрать другой теплоноситель. Например температура кипения моторного масла 180 градусов, а замерзания -45. Это означает, что Ваша тепловая система будет работоспособна в зимнее время и проблема разрыва труб ей не грозит.
- Третий путь - оптимизация конструкции теплообменника, так как это предложено в фильме.
И конечно, сравнивать высокоэффективные, сверхединичные паровые машины прошлого, с электрическими кипятильниками на колёсах настоящего - вряд ли корректно.
Копилка:
Что примечательного в комментариях:
- Мозги у большинства комментаторов промыты школьными учебниками до той степени, что у них не возникает не то чтобы мысли, но даже её тени о том, что мир может быть устроен как-то иначе. Религиозный фанатизм, который полностью деактивирует способность разума к восприятию иной информации, отличной от религиозно-научного шаблона. Понять этого они не в состоянии.
- Я должен проводить какие-то эксперименты и что-то доказывать. При этом ни у одного из умников, не возникло мысли о том, что если ты действительно хочешь в чём-то разобраться, проведи эксперимент сам. Твоё развитие - это твоя зона ответственности. Наивысшая степень паразитизма, умственная психика искалечена, механизмы ведущие к саморазвитию заблокированы. Понять этого они не в состоянии.
- Если Вы заглянули к незнакомым людям в гости. Вы начинаете общение с хозяевами с матов, тыкаете им, называете хозяев идиотами, тупыми неучами? Но здесь, любой из выкидышей системного сбоя, мнит себя интеллигентом, считает себя умным и образованным. Данная особь особо агрессивна, на контакт не идёт, что такое аргументация не знает, собственного мнения у неё нет. Понять этого они не в состоянии.
- Есть ещё одна очень интересная когорта комментаторов с таким посылом: "Всегда удивляют такие кадры, которые с удовольствие пользуются всем что сделано по законам так называемой ими лженауки, но по своей правильной науке, ничего создать не могут"
На ум сразу приходит высказывание - Шарля Бодлера. "Самая изощренная хитрость дьявола состоит в том, чтобы уверить вас, что его не существует.“ У науки всё с точностью до наоборот, но суть та же - дьявольская: Единственное достижение науки в том, что она уверила Вас в наличии собственных достижений, которых не существует.
Сейчас в тренде экология, жизнь на природе, натуральные продукты и материалы. Но удивительно, этот "регресс" могут позволить себе только очень состоятельные граждане нашей планеты, для всех прочих на продуктовых лавках магазинов большой выбор продуктов химической промышленности и генной инженерии.
Что полезного сделала наука лично для меня? "Вкалывают роботы, а не человек", настали времена когда можно не работать, а путешествовать по миру?! Увеличила продолжительность жизни? Быть может пенсионный возраст из года в год сокращается? С удовольствием поменяю автомобиль на паромобиль и не только из соображений его экономности и надёжности. Почему нет этих красавцев?
Паромобиль 24 года выпуска. Model-E развивала скорость в 160 км/ч, а до 120 км/ч паромобиль разгонялся за 10 секунд. Коробка автомат. Для того чтобы развести пары и отправиться в путь, этой модели требовалось всего 23 секунды.
Делитесь своими мыслями, ставьте лайки и обязательно подписывайтесь на канал. Это Ваш вклад, который помогает миссии - открытые технологии и схемотехника построения экономных нагревателей индукционного типа для всех!
"Мой батя плавал по Волге ещё на колёсном буксире на паровой тяге, он то мне и рассказал про парциальное давление пара, про то, что чем выше давление в котле, тем при более высокой температуре вскипает вода и уменьшается её теплоёмкость... Другими словами, если плыть на среднем давлении пара, то угля уходит вполовину меньше... "
В "лихие девяностые" умельцы кулибины в гаражах делали отопление ( в интернете можно найти ролики): брали трубу "большого" диаметра (Ф100 мм),на одном конце трубы вваривали отрезок трубы меньшего диметра в который встраивали тен. В противоположный от тена торец трубы большого диаметра встраивали манометр и клапан для сброса давления пара при настройке системы . Труба вешалась на стену с небольшим уклоном в сторону ТЕНов.В трубу заливали небольшое количество (не больше 1 лита) воды. Дальше проводили настройку системы, включали подогрев воды и добивались требуемой температуры путём набора или сброса давления пара в системе.Небольшой объём воды быстро вскипал, превращался в пар, пар подымался, конденсировался на стенке трубы и за счёт наклона трубы скатывался в район тенов. Температуру нагрева трубы можно менять, изменяя давление в трубе. При двух атм., это 120 градусов, а при 10 атм. уже 180 градусов. Вот такой простой, но очень эффективный нагреватель конденсаторного типа с КПД больше 100%!