Джоулева мешалка своими руками

Конструктивный синхронизм

Если насчёт глобального потепления, вызванного человеческой деятельностью, у многих имеются сомнения, то факт погодных аномалий уже никто не отрицает. Буквально каждый месяц синоптики за рубежом и в России фиксируют те или иные рекорды – по температуре, количеству осадков или атмосферному давлению. Скачки среднесуточной температуры воздуха на 10–15 градусов в течение дня уже становятся привычным явлением, хотя не понятно, почему они стали столь частыми.

Традиционно перед постройкой солнечных и ветровых электростанций проводят исследование инсоляции местности и ветровой мониторинг. До сих пор считалось, что ветровой мониторинг должен длиться год, но в условиях постоянных перемен погоды может оказаться, что этот срок нужно увеличить.

Объяснить погодные аномалии влиянием на природу человеческой деятельности, которое нарастает очень плавно, невозможно. А может, дело в том, что просто мы проходим пик 11-летнего цикла солнечной активности (цикла Швабе-Вольфа). Если так, то в ближайшие годы аномалии пойдут на спад, жить и работать станет легче.

Дважды в сутки

Учёные три века шли к действенной теории приливов и отливов. Загвоздка в том, что Луна, тяготение которой считается причиной приливов и отливов, поднимается над горизонтом раз в сутки, а приливы и отливы происходят дважды в сутки (причём в разных морях подъём разный), а в некоторых местах – то два, то один раз.

Согласно статической модели приливов Ньютона, приливная волна движется с востока на запад по поверхности океанов с ошеломительной скоростью 1600 км/ч, огибая земной шар за 24 часа. Слишком прямолинейное понимание механизма образования приливных волн, предложенное сэром Ньютоном, приводит нас к тому, что они должны заливать только восточные берега континентов. Опыт, однако, этому противоречит: приливы и отливы наблюдаются на всех побережьях материков, в том числе северных и южных.

Лаплас пытался откорректировать модель Ньютона, предложив учесть трение воды о дно океанов и другие эффекты. Динамическая модель Лапласа допускала замедление скорости движения приливного горба до 800 км/ч и его повороты у берегов континентов. Для расчёта величины отставания горба учёный ввёл прикладные часы (от 0 до 12). Увы, модель Лапласа вызвала больше новых вопросов, чем дала ответов.

Позже в теории приливов были допущены трансформации приливной волны в приливное течение, которое способно разворачиваться на 180 градусов. Один из подобных потоков течёт из Атлантики в Белое море. Однако намётки более стройной теории, лучше объясняющей результаты наблюдений, появляются лишь сегодня. И они связаны с водоворотами.

Поясним, что воды озёр, морей и океанов в северном полушарии вращаются против часовой стрелки, а водоёмов в южном полушарии – по часовой стрелке, образуя гигантские водовороты. Скорости невелики: в Балтийском и Чёрном морях – 0,5 км/ч, Охотском, Баренцевом и Белом – 2 км/ч. Отмечена строгая закономерность: чем быстрее водовороты, тем выше средняя амплитуда приливной волны (для перечисленных морей, соответственно, 5 и 20 см).

Водоворот обладает свойствами гироскопа, то есть стремится сохранять своё положение в пространстве. А поскольку Земля вращается вокруг своей оси, она постоянно «переворачивает» водовороты озёр, морей и океанов. Результат – прецессия водоворотов, которая как раз и создаёт периодические приливы и отливы. И коль скоро потоки соседних водоворотов могут гасить или усиливать друг друга, на Земле встречаются места и с необычайно большими приливными волнами (5 м на западном побережье Гудзонова залива), и с полным отсутствием приливов.

Подобные открытия крайне важны для развития приливной энергетики, которая пока ещё находится в младенческом возрасте.

Суточный ритм

Колебания температуры, несомненно, влияют на работу предприятий электроэнергетической отрасли. Ночью электроэнергия стоит дешевле не только потому, что в сети падает нагрузка, но и благодаря хорошим условиям для работы конденсаторов паровых турбин. Чем ниже температура наружного воздуха, тем эффективнее охлаждение в градирнях всех видов – сухих и «мокрых». Недаром американское агентство ARPA-E недавно заказало нескольким университетам и научно-производственным компаниям НИОКР по созданию накопителя тепла для ТЭС, который будет набирать излишнее тепло днём, чтобы выдавать его ночью, когда тепло можно рассеять в пространство с минимальными затратами электрической энергии и воды.

Годовой ритм

В 1970-е годы в нашей стране в крупных больницах запасали лёд, необходимый для различных медицинских процедур и операций, на весь тёплый сезон. Гора льда благополучно сохранялась под слоем сена или опилок до конца осени. В наше время летом и даже зимой медики берут лёд из холодильников, что удобно, но не слишком рачительно с точки зрения энергозатрат.

Мы неоднократно публиковали в «Энерговекторе» статьи изобретателя Геннадия Осадчего из Омска, который прорабатывает концепцию применения соляного пруда как приёмника и одновременно накопителя солнечного тепла (см., например, «Энерговектор» № 3/2013 г., с. 8). Пруд располагается с южной стороны здания, а с северной в некоторых проектах Геннадий Борисович предлагает расположить котлован со льдом/талой водой. Имея разность температур в двух бассейнах, можно эффективно применять тепловые машины: зимой – для обогрева помещений, летом – для охлаждения. Один из вариантов таких машин – хладомёт (тепловой двигатель Стирлинга с компрессором). По сути, это тепловой насос, работающий не на электрической, а на тепловой энергии. Хладомёт предоставляет возможность хозяину дома обеспечить себе кондиционирование без затрат электроэнергии. Помимо этого отметим, что солнечный соляной пруд летом даёт достаточно тепла для бани, сушилки или биореактора, вырабатывающего горючий газ из отходов сельхозпроизводства.

Накопители иллюзий

Много надежд возлагают на «прорывные» технологии накопления энергии, которые сегодня нужны всем. Потребители хотели бы с помощью накопителей стать менее зависимыми от производителей и экономить благодаря покупке электроэнергии в часы минимума нагрузок. Сетевые компании не прочь с помощью накопителей оптимизировать сети и повысить надёжность энергоснабжения без строительства дублирующих линий. Производители энергии хотели бы выровнять графики нагрузки на свои энергоблоки, чтобы эксплуатировать генераторы в наиболее эффективных режимах. Энергосбытовые компании, думаю, тоже не откажутся использовать новые технологии для своих целей, если регуляторы позволят.

По нашему мнению, эти надежды обманчивы, причём для всех участников рынка. Дело в том, что в случае широкого внедрения эффективных накопителей электрической энергии суточные пики и спады потребления неизбежно сгладятся, цикличность станет не столь остро выраженной, как раньше. Как следствие – сократится разница между дневными и ночными тарифами, снизится внутрисуточная болтанка цен на РСВ. Ожидания генераторов и потребителей оправдаются только поначалу.

А сетевые компании, возможно, столкнутся с большей избирательностью мелких потребителей, у которых появится возможность «альтернативной» транспортировки электроэнергии – попросту возить или даже носить аккумуляторы с собой.

Плясать от тепла

Надо сказать, что накопитель накопителю рознь. Вместо электрической энергии проще накапливать тепловую, получая совершенно иной эффект. В малой возобновляемой энергетике перспективен именно такой подход, например, с применением джоулевых мешалок. Что это такое? Это эффективный преобразователь механической энергии вращения в тепловую.

Схема установки Джоуля, на которой он исследовал
превращение механической энергии в тепловую

В ветреных местах такой преобразователь в связке с небольшим ветроколесом легко обеспечивает отопление дома. Для этого на крышу выносится ветровая турбина (с вертикальной осью) любого подходящего вида (см. «Энерговектор», № 12/2014, с. 6). Её вал сквозь крышу проходит на чердак. Там устанавливается джоулева мешалка, которая одновременно работает как нагреватель и насос.

Джоулева мешалка – это бак цилиндрической формы с наваренными на его стенках изнутри горизонтальными рёбрами (полосами металла шириной несколько сантиметров). В бак сверху по центру опущен вал с аналогичными рёбрами. Важно, чтобы зазоры между рёбрами на оси и внутренней стенке бака были узкими. В баке предусмотрены отверстия для входного и выходного штуцеров. В районе выходного отверстия полосы должны быть приварены наклонно, чтобы возникал нагнетающий эффект. К штуцерам присоединены отопительные трубы, которые проложены по дому.

Современная джоулева мешалка

Чем сильнее дует ветер, тем сильнее греется масло и тем быстрее оно идёт по отопительным трубам. Конечно же, мешалку и трубы на чердаке необходимо утеплить тем или иным способом. В принципе, в качестве теплоносителя можно использовать воду, но масло удобнее – оно не замерзает, выдерживает температуры свыше 100 градусов Цельсия и не вызывает коррозии металла.

Имея такой источник первичной тепловой энергии, как джоулева мешалка или упомянутый выше солнечный соляной пруд, можно получать от него механическую работу или электрическую энергию с помощью двигателя Стирлинга (цикл Стирлинга, по сути, обратен циклу холодильной машины).

Эта статья изначально была опубликована в газете «Энерговектор» здесь.

Источник

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Сергей Н » 27 июл 2012, 12:21

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Игорь_01 » 27 июл 2012, 12:25

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Бибикин Иван » 27 июл 2012, 12:28

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Бибикин Иван » 21 авг 2012, 15:39

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Сергей Н » 21 авг 2012, 15:41

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Игорь_01 » 21 авг 2012, 15:48

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Игорь_01 » 21 авг 2012, 15:56

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Бибикин Иван » 21 авг 2012, 16:07

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Игорь_01 » 21 авг 2012, 16:11

Как вариант накапливать большое количество безопасной тепловой энергии в виде например большого бака с водой или емкой металлической пластины больших размеров и от нее уже отапливать. По типу большой русской печи. Тепловая энергия безопасна, ее можно накопить сколько угодно, при этом затраты на такие «аккумуляторы тепла» очень не высокие. Нужна только качественная термоизоляция с боков и система приема-отъема энергии.

ИМХО это очень перспективно.

Мешалка Джоуля — серьезная экономия.

Бибикин Иван » 27 авг 2012, 17:32

Источник

Обогреться ветром

Когда говорят о возобновляемых источниках энергии, под энергией почти всегда понимают электричество. Однако человечество потребляет заметно больше энергии тепловой, чем электрической. Преобразование же последней в тепло экономически неэффективно.

Солнечные тепловые коллекторы и пруды обеспечивают нас тепловой энергией напрямую, минуя выработку электроэнергии, откуда их высокая эффективность. Но немногие знают, что то же самое могут делать ветровые колёса. Оснастив такое колесо «тормозной системой» в виде джоулевой мешалки, можно получать тепловую энергию непосредственно из энергии вращения, используя эффект гидродинамического нагрева жидкости.

Не воюйте с мельницами

Всем известная старая добрая ветряная мельница служит людям как минимум две тысячи лет. Она передаёт энергию вращения лопастей непосредственно на вал, приводящий мельничные жернова. Такая конструкция остаётся актуальной и сегодня, поскольку оказывается более эффективной, чем преобразование энергии вращения в электричество с последующим обратным преобразованием его в кинетическую энергию (например, электропривод тех же мельничных жерновов).

Но ветряная мельница может вырабатывать не только механическую, но и тепловую энергию. Для этого ветряк соединяют с так называемой джоулевой мешалкой, или водяным тормозом. Она представляет собой погружённую в теплоизолированный сосуд с жидкостью мешалку, или крыльчатку, приводимую во вращение валом ветряка. За счёт гидродинамического взаимодействия, возникающего между потоками воды в мешалке, механическая энергия преобразуется в тепловую. Получаемая таким образом горячая вода может подаваться в отопительную систему дома, использоваться для мытья и других целей. Возможно её применение в технологических процессах, не требующих высоких температур.

Джеймс Джоуль построил свою мешалку с ручным приводом в 1840 гг. для знаменитого эксперимента по измерению механического эквивалента тепла. Самое удивительное, что подобные ветряки гипотетически могли быть созданы сотни, если не тысячи лет назад. Для них не требуется никаких экзотических материалов — достаточно дерева и/или металла. И хотя нельзя с уверенностью сказать, что их никогда не использовали в доиндустриальные времена, первое упоминание о тепловых ветряках датируется 1970-ми годами, когда грянул нефтяной кризис и датчане начали строить их из-за нехватки нефтепродуктов.

Тогда Дания практически полностью зависела от импорта нефти, поэтому из-за перерывов в её поставках многие дома оставались без отопления. К тому времени датчане уже неплохо освоили постройку своими руками небольших ветровых турбин, вырабатывающих электроэнергию для ферм. Некоторые просто использовали для отопления генерируемое ими электричество, другие же стали строить отдельные ветряки, вырабатывающие тепло.

Дешевле и эффективнее

Во-первых, механические тепловые ветряки значительно проще по конструкции, чем классические ВЭУ, а, следовательно, доступнее и требуют меньше материалов для изготовления. Благодаря простоте конструкции у них больше время безотказной работы. Им не нужны тяжеленные редуктор, генератор, трансформатор и преобразователь частоты. Благодаря значительно меньшему весу такой ветряк не нуждается в столь основательной башне и фундаменте под неё. Джоулева мешалка легче, меньше по размерам и дешевле, чем электрический генератор. Немаловажно и то, что удельная стоимость накопителя тепловой энергии на 60-70% ниже, чем электрохимической батареи.

Во-вторых, преобразование ветровой или солнечной энергии непосредственно в тепло или механическую энергию более энергоэффективно, чем через промежуточное преобразование в электричество. Это значит, что для выработки того же количества тепла понадобится меньше земельных площадей и других ресурсов.

Наконец, прямая генерация тепла значительно улучшает экономические показатели и загрузку небольших ветряков. Многие исследования показали, что небольшие ВЭУ за весь срок службы могут произвести меньше энергии, чем было затрачено на их изготовление. Используя же ветряки аналогичного класса для выработки тепла, можно снизить энергетические и финансовые затраты, нарастить время безотказной работы и эффективность оборудования.

Какая мощность?

Датские ветряки с джоулевой мешалкой в 1970-х были сравнительно небольшими, с диаметром ротора около 6 м и высотой башни около 12 м. В 1980-х были построены более крупные машины. В большинстве случаев в них использовались простые деревянные лопасти. В литературе описано как минимум 12 различных моделей — как самодельных, так и коммерческих. Многие из них строились из деталей от списанных в утиль автомобилей и другой техники со свалок.

Один из ранних датских небольших тепловых ветряков прошёл официальные испытания. Агрегат Calorius type 37 с ротором диаметром 5 м и башней высотой 9 м вырабатывал 3,5 кВт тепла при скорости ветра 11 м/с. Это сравнимо с теплопроизводительностью малых электрических отопительных котлов. С 1993 по 2000 гг. датская компания Westrup построила 34 основанных на этой конструкции тепловых ветряка, и к 2012 г. 17 из них продолжали работать.

Позднее, в 1980-х, Кнуд Бертоу построил наиболее сложный на тот момент тепловой ветряк — модель LO-FA. В других моделях тепло генерировалось в нижней части башни — от ротора через всю башню шёл вал, который вращал мешалку. Но в LO-FA мешалка и все остальные механические части размещались в верхней части башни. Нижние 10 метров 20-метровой башни были заполнены примерно 15 тоннами воды, заключённой в теплоизолированном резервуаре.

LO-FA также считается самым большим из известных тепловых ветряков — его ротор имел диаметр 12 м. Теплопроизводительность машины оценивалась в 90 кВт при скорости ветра 14 м/с. Этот показатель кажется завышенным в сравнении с другими моделями, но стоит отметить, что выработка растёт быстрее, чем увеличиваются диаметр ротора и скорость ветра. В качестве «тормозной жидкости» использовалась не вода, а гидравлическое масло, которое можно нагревать до значительно более высоких температур. Масло передавало своё тепло воде в нижнем резервуаре.

Наконец-то вспомнили

Несколько лет назад интерес к тепловым ветрякам начал возрождаться, хотя пока количество научных исследований на эту тему можно пересчитать по пальцам. В статье 2011 г. немецкие и британские учёные отметили, что «небольшим и территориально удалённым домовладениям в северных районах необходима скорее тепловая энергия, чем электричество, так что ветровые турбины в таких местах должны вырабатывать тепло, а не электроэнергию».

Исследователи объяснили и иллюстрировали работу джоулевой мешалки и рассчитали её оптимальные характеристики. Они обнаружили, что скорость вращения и крутящий момент ротора и перемешивающей крыльчатки должны быть тщательно согласованы. Так, для очень небольшого ветряка Савониуса (с вертикальной осью вращения), который учёные использовали в качестве модели (ротор диаметром 0,5 м на башне высотой 2 м), расчётный диаметр крыльчатки — 0,388 м.

Затем учёные провели 50-часовое тестирование, чтобы определить теплопроизводительность ветряка. Хотя ротор Савониуса низкоскоростной и плохо подходит для выработки электроэнергии, оказалось, что он очень недурной производитель тепла: крошечная машина вырабатывала до 1 кВт тепла при скорости ветра 15 м/с.

Понятно, что штормовая погода бывает не часто, поэтому не меньшее значение имеет средняя скорость ветра в конкретной местности. В 2015 г. было проведено исследование возможности генерировать тепло ветряками в Литве, прибалтийской стране с довольно холодным климатом, зависимой от дорогого импортного топлива. Учёные подсчитали, что при средней местной скорости ветра 4 м/с (3 балла по шкале Бофорта) для выработки одного киловатта тепла потребуется ветряк с диаметром ротора 8,2 м.

Сохранение тепла

Ветер достигает даже своей средней скорости далеко не всегда, а это значит, что необходим какой-либо накопитель тепла — иначе дом будет отапливаться только в хороший ветер. Один кубометр (1 т) горячей воды может хранить до 90 кВт·ч тепловой энергии, чего достаточно примерно на один-два дня отопления дома на четыре человека.

Чтобы обеспечить отопление в течение безветренной недели, потребуются 7 м 3 воды плюс теплоизоляция здания. Учитывая потери энергии, вы поймёте, почему в датских тепловых ветряках устанавливались резервуары на 10 и даже 20 т воды.

Тепловой ветряк можно объединить с солнечным нагревателем, чтобы водяной резервуар наполнялся энергией и солнца, и ветра. В этом случае появляется возможность создать достаточно надёжную отопительную систему с резервуаром меньшего размера.

По некоторым подсчётам, переход на прямую выработку тепловой энергии из ветра позволит экономить в три раза больше ископаемого топлива при том же количестве ветряков, которые к тому же выйдут дешевле в производстве и эксплуатации. Будем надеяться, что эту технологию вскоре оценят по заслугам, по крайней мере — в странах с холодным и умеренным климатом.

Источник