Закон сохранения энергии не позволяет создавать «вечные двигатели». Парижская академия наук более двухсот лет назад приняла решение не рассматривать заявки на патентование «вечных двигателей» из-за очевидной невозможности их создания. Однако, и в наши дни еще находятся «горячие» головы, готовые не только сами «заражаться» идеей создания таких устройств, но и пытаться вводить в заблуждение людей.

В настоящей статье речь пойдет о так называемых «вихревых теплогенераторах», потребляющих из сети электроэнергию и производящих теплоту. Отношение научного сообщества к «вихревым теплогенераторам» было высказано в публикации академика Е.Б.Александрова [1], вышедшей в нашем бюллетене совсем недавно. Тем не менее, появление ряда новых публикаций на эту тему (см., например, [2, 3]) заставляет вновь обратиться к тематике «вихревых теплогенераторов».

Из материала статьи [2], следует, что на ряде малых предприятий Ижевска производятся такие устройства и что «показатель качества», равный отношению полученной теплоты к затраченной электроэнергии, производимых изделий равен 1,14 или 114%. На вопрос, откуда все-таки берется дополнительная энергия, генеральный директор одного из малых предприятий В.Л.Щинов отвечает: «Знаете, для меня, производственника, это праздный вопрос. У нас в стране есть мощные физики. Их дело разобраться, в чем тут хитрость: вакуум ли дает энергетическую добавку, разрыв ли молекулы воды высвобождает энергию или во всем повинен резонанс». Далее он утверждает, что «прирост энергии при раскрутке воды – объективный факт, тысячекратно проверенный и потому неоспоримый».

Зачастую пропагандисты внедрения «вихревых теплогенераторов» для бóльшей убедительности их эффективности проводят сравнение их КПД с эффективностью устройств совсем другого назначения, а, именно установок, преобразующих внутреннюю энергию органических топлив в тепловую, механическую, а только затем в электрическую энергию. КПД современных паротурбинных, газотурбинных и парогазовых установок большой энергетики лежит в диапазоне 30-60%. Такое сравнение представляется совсем неуместным, так как «вихревые теплогенераторы» призваны решать намного более простую задачу преобразования электрической энергии в тепловую. Более того, использование так дорого достающейся людям электроэнергии для отопления производственных помещений большой площади (для чего в основном и предназначены «вихревые теплогенераторы») представляется малоразумным. КПД (или «показатель качества») устройств, служащих, как и «вихревой теплогенератор» для преобразования электрической энергии в теплоту (ТЭНы, бытовые электрочайники и т.п.), близок к 100%, поэтому их совершенствование малоактуально.

«Вихревые теплогенераторы» преобразуют электроэнергию в теплоту не путем прямого (резистивного) нагрева. В них используются электродвигатели, которые приводят во вращение водяной насос, транспортирующий рабочую среду (как правило, воду) по контуру, содержащему вихревую трубу, в которой и происходит нагрев воды. Вторым вариантом реализации «вихревого теплогенератора» является использование электродвигателя, нагруженного на «активатор», представляющий собой систему вращающихся и неподвижных дисков с отверстиями. При заполнении «активатора» водой, последняя нагревается. При ознакомлении с конструкциями различных «вихревых теплогенераторов» возникает логичный вопрос, а зачем все это городить, когда намного проще нагреть воду обыкновенным кипятильником. Оказывается, ради получения существенного (до 2-х раз и более) превышения полученной энергии над затраченной.

Рассмотренные выше конструктивные реализации «вихревых теплогенераторов» предполагают введение дополнительного преобразовательного звена, а именно, первоначальное превращение потребляемой электрической энергии в механическую энергию на валу приводного электродвигателя. Удлинение преобразовательной «цепочки» неминуемо ведет к потерям, которые несколько компенсируются тем, что их часть (например, теплота от работающего электродвигателя) также идет на обогрев помещения. Вследствие этого КПД самых совершенных «вихревых теплогенераторов» (в них используют погружные электродвигатели, помещаемые в нагреваемую рабочую среду) может только приближаться к КПД тех же ТЭНов.

Остановимся кратко на сравнении достоинств и недостатков «вихревых теплогенераторов» и обычных ТЭНов. Основными достоинствами «вихревых теплогенераторов» являются отсутствие нагревательных элементов и относительная долговечность, определяемая, правда, не только сроком службы электродвигателя и подшипниковых узлов, а также и кавитационным износом металла. Все остальное – сплошные недостатки. Во-первых, обслуживание, которое заключается в периодической замене торцевых уплотнений и подшипников. Износ уплотнений, особенно интенсивный при большом содержании солей и щелочи в воде, приводит к выбросу теплоносителя наружу, что значительно повышает опасность эксплуатации установки. Во-вторых, высокий (до 100 дБ) уровень шума, определяемый работающим электродвигателем. И, в-третьих, долгий срок окупаемости вследствие высокой первоначальной стоимости «вихревых теплогенераторов», более низкой эффективности и постоянных эксплуатационных расходов на обслуживание и сервисную замену узлов.

Какие же характеристики заявляют и чем «заманивают» поставщики этих самых теплогенераторов? Так на сайте компании ПСС (ООО «Веста») http://generator.izhzavod.ru/vtg.htm из г.Ижевска можно почерпнуть следующую информацию о поставляемых ею «вихревых теплогенераторах». Модельный ряд генераторов составляет 12 устройств. Модели ВТГ-2 (потребляемая электрическая мощность 2,2 кВт) и ВТГ-3 (потребляемая мощность 7,5 кВт) характеризуются КПД (рассчитаны с использованием приведенных на сайте данных по количеству производимой теплоты) равными 105% и 123% соответственно. С ростом мощности приводного электродвигателя КПД растет как на дрожжах, достигая 185% для самого мощного генератора ВТПГ-13 (потребляемая мощность 500 кВт).

До указанных показателей сильно «не дотягивает» эффективность устройств, поставляемых руководимым В.Л.Щиновым ООО «Вихревые теплогенераторы». Генераторы малой мощности (модели ВТГ-2,2 и ВТГ-5,5) имеют «показатель качества» равный лишь 100%, правда, с ростом мощности (модели ВТГ-7,5 и вплоть до ВТГ-250 и ВТГ-315) он «подрастает» до 110-114%. Эти «невысокие» цифры (уже фигурировавшие выше) можно считать достаточно обидным обстоятельством для ООО «Вихревые теплогенераторы», учитывая абсолютную идентичность конструкции распространяемой обеими компаниями «продукции».

Противоречивые данные различных поставщиков относительно КПД «вихревых теплогенераторов» наводят на вопрос, а проводились ли измерения этого ключевого параметра вообще? Вероятнее всего, представители коммерческих кругов легко идут на этакое «подкручивание» паспортных характеристик в угоду скорейшему сбыту «продукции» и получению сиюминутной прибыли.

На заре развития «вихревых теплогенераторов» предпринимались попытки проведения независимой экспертизы. Так, известная модель ЮСМАР изобретателя Ю.С.Потапова из Молдовы тестировалась американской компанией Earth Tech International (г.Остин, штат Техас), специализирующейся на экспериментальной верификации новых направлений в современной физике. В 1995 г. были проведены пять серий экспериментов по измерению соотношения между генерируемой тепловой и потребляемой электрической энергией. Заметим, что все многочисленные модификации испытуемого устройства, предназначенные для разных серий экспериментов, лично согласовывались с Ю.С.Потаповым в ходе визита одного из сотрудников компании в Молдову. Подробнейшее описание конструкции испытуемого теплогенератора с вихревой трубой, режимные параметры, методики проведения измерений и результаты приводятся на сайте компании www.earthtech.org/experiments/.

Для привода водяного насоса использовался электродвигатель с КПД=85%, тепловые потери которого на нагрев окружающего воздуха не принимались при расчете теплопроизводительности «вихревого теплогенератора». Отметим, что не измерялись и тепловые потери на нагрев окружающего воздуха, что, безусловно, несколько снижало получаемый КПД теплогенератора.

Результаты исследований, проведенных при варьировании основных режимных параметров (давление, расход теплоносителя, начальная температура воды и др.) в широком диапазоне продемонстрировали, что эффективность теплогенератора изменяется в диапазоне от 33 до 81%, что сильно не «дотягивает» до 300%, заявленных изобретателем перед проведением экспериментов.

Статья [3], вышедшая относительно недавно в журнале «Энергия: экономика, техника, экология» посвящена вопросам методики теплотехнических испытаний тепловых гидродинамических насосов («вихревых теплогенераторов»). Автором статьи является С.В.Козлов, генеральный директор ООО «Тепло XXI века», специализирующегося на производстве «вихревых теплогенераторов».

Автор утверждает, что термин коэффициент полезного действия (КПД) вообще не применим к «вихревым теплогенераторам». С этим нельзя согласиться, так как эффективность таких устройств, определяемая отношением производимой (а не переносимой, как это имеет место в хорошо известных тепловых насосах) теплоты к потребляемой на их привод электроэнергии, - есть не что иное, как КПД. Хотя в статье не приводятся данные о КПД «вихревых теплогенераторов», но уже в самом начале говорится об их более высокой эффективности по сравнению с широко распространенными электронагревателями, КПД которых, действительно, близок к 100%.

В статье совершенно справедливо отмечается, что при определении теплопроизводительности тепловых насосов «возникают большие технические и методологические сложности», вследствие того, что из «активатора» выходит не вода, а газо-водяная смесь, а также с явлением «донагрева» теплоносителя после отключения электроэнергии. Однако, далее описывается совсем непонятное различие (определяемое как «два принципиально отличающихся друг от друга подхода») между измерением «номинальной (паспортной) теплопроизводительности для конкретного типа конструкции» и «подтверждением работоспособности конкретного изделия». Отмечается, что поставленная задача (первая или вторая из описанных выше) будет оказывать влияние, как на методику проведения измерений, так и на оборудование испытательного стенда. Автор констатирует, что методика подтверждения работоспособности конкретного изделия проста, в то время как «общепринятой методики испытаний для расчета номинальной (паспортной) теплопроизводительности» в настоящее время не существует». Однако, существуют многочисленные паспорта на различные типы «вихревых теплогенераторов», отражающие их «сверхэффективность» и «рекордные» КПД!

Дальше – больше. В статье перечисляются многочисленные факторы (скорость прокачки теплоносителя, его объем, протяженность и разветвленность трубопроводов и т.д.), якобы оказывающие влияние на процесс тепловыделения, и делается вывод о том, что «неверно подобранные режимы могут не только уменьшить теплопроизводительность «вихревого теплогенератора», но и полностью остановить процесс тепловыделения». Вероятно, это политически грамотное «лавирование» делается в целях некоторой подстраховки – потребители должны быть готовы ко всему!

Далее автор отмечает, что работоспособность каждого серийного теплового гидродинамического насоса («вихревого теплогенератора») на заводе-изготовителе определяется на испытательном стенде. И далее - «конструкция заводского стенда и применяемая методика испытаний не позволяют провести расчет теплопроизводительности». Возникает вопрос, а зачем тогда нужен такой стенд, который не способен определять самую главную техническую характеристику производимого устройства – количество генерируемой теплоты (тем не менее, оно все равно фигурирует в большинстве технических паспортов, вводя в заблуждение потенциальных покупателей).

Как уже отмечалось, автор не приводит значения КПД «вихревых теплогенераторов». Однако, фраза о том, что расходы на теплоснабжение при их использовании (на основе шестилетнего опыта эксплуатации!) ниже в 3-5 раз по сравнению с ТЭНовыми и электродными котлами, означает, что эффективность (КПД) «вихревых теплогенераторов» близка к 300-500%!

Приводимые многочисленными изобретателями и инженерами термины и механизмы в обоснование якобы повышенной теплопроизводительности «вихревых теплогенератров» типа «темная энергии», «энергия физического вакуума», «торсионные поля», «эфиродинамика» и т.п. не имеют содержательного наполнения. В мировой теплофизической и гидродинамической литературе (статьи в профильных журналах, монографии, выступления на конференциях, семинарах и т.п.) полностью отсутствуют работы, посвященные такой тематике и оперирующие указанной терминологией. На сегодняшний день в РФ имеется ряд патентов, так или иначе связанных с обсуждаемой тематикой, однако, при этом необходимо отметить, что процедура получения патентов не предусматривает проверки и подтверждения практической реализуемости и полезности патентуемых изобретений.

Когда при помощи Интернета начинаешь знакомство с компаниями-производителями и поставщиками «вихревых теплогенераторов», то возникает иллюзия повсеместного их распространения и больших объемов продаж. Однако, очень быстро становится понятно, что большинство источников оказывается «мертвыми» ссылками на некогда существовавшие фирмы-однодневки, которые уже давно сменили свои названия и направления деятельности. Однако, надо отдать должное, на сайте ООО «Вихревые теплогенераторы» (www.ooo-vtg.ru), можно найти информацию об имевших место поставках в 9 городов России и 5 стран (Англия, Болгария, Канада, Словакия, Тайвань), правда, всего 20-ти теплогенераторов.

Тем не менее, многочисленные попытки сотрудников двух институтов Российской академии наук (ОИВТ РАН, ИТ СО РАН) приобрести «вихревые теплогенераторы» «сверхъединичных» параметров не увенчались успехом. Так, например, на телефонный звонок в компанию ООО «Альтернативная энергия» (г.Ижевск) по поводу приобретения «вихревых теплогенераторов» последовал ответ, что в настоящее время, они их не поставляют, так как «очень сильно шумит электродвигатель». Взамен было предложено приобрести «не имеющие аналогов в мире» ВИНы - вихревые индукционные нагреватели различной мощности. Из присланного затем на электронную почту паспорта на указанные устройства следовало, что их КПД равен 98% и не зависит от мощности нагревателя.

Теперь несколько замечаний, касающихся физики процессов, протекающих в «вихревых теплогенераторах». Тот факт, что трение потока жидкости приводит к превращению части механической энергии ее движения в тепловую энергию – известно всем, кто когда-нибудь изучал основы классической гидродинамики. Таким образом, для нагрева жидкости нужно просто осуществить ее прокачку через местное гидравлическое сопротивление без всякой там кавитации. Что касается вихревых (или закрученных течений), то в них действительно реализуются области пониженного давления, которые зачастую ведут к нарушению сплошности среды и появлению пузырьков, т.е. к кавитации. В основе принципа нагрева воды в «вихревом теплогенераторе» лежит генерация тепла при исчезновении (схлопывании) пузырьков пара воды. Схлопывание пузырьков ведет к выделению энергии и локальному нагреву жидкости. И если этот принцип использовать в замкнутом циркуляционном контуре, по которому с помощью насоса прокачивается вода, то через некоторое время она нагреется. Никаких нарушений закона сохранения энергии тут нет. При исчезновении (а, иначе говоря, конденсации) парового пузырька происходит выделение тепла, но для этого необходимо, чтобы этот пузырек сначала вырос, то есть произошло испарение жидкости, а это энергозатратный процесс. В описанных процессах закон сохранения энергии сохраняется, вследствие чего все рассуждения о дополнительном приросте энергии («даровой» энергии) при кавитации теряют всяческий смысл.

Несколько слов относительно методики измерений Подавляющее большинство течений в самых различных технических устройствах являются турбулентными. В турбулентном потоке распределение температуры по сечению трубы отличается неоднородностью, проще говоря, существуют области, где температура выше средней и области, где она ниже. Эти данные не входят в программу физики средней школы, но они являются базовыми сведениями хорошо развитой на сегодняшний день теории турбулентных течений. Указанное обстоятельство требует особенно осторожного отношения при проведении измерений температуры рабочей жидкости, необходимой для последующих расчетов тепловой энергии.

Хорошо известный эффект вспенивания жидкости при кавитации приводит к кажущемуся увеличению ее расхода при использовании в измерениях стандартных средств диагностики однофазных сред. Теплоемкость вспененной двухфазной среды отличается от теплоемкости воды, что при использовании последней в соотношениях для определения произведенного количества теплоты значительно завышает получаемый результат. Измерения температуры жидкости в случае двухфазного течения (наличия пузырьков) сопряжены с намного более высокими погрешностями даже при использовании современных методов оптической диагностики.

Попытка нагрева воды путем преобразования механической энергии вращающихся дисков «активатора» в теплоту путем их трения о неподвижные диски приводит к возникновению пузырькового кипения, также осложняющим проведение корректных измерений температуры.

Приведенные выше факты хорошо известны специалистам. Вся аргументация и приводимые изобретателями доводы не могут приниматься во внимание, так как основаны на неверном представлении о физике, теплофизических и гидрогазодинамических процессах, протекающих в «вихревых теплогенераторах» различных конструкций.

Российская академия наук была с первых дней своего основания и остается до сих пор одной из самых демократических организаций. Авторам настоящих строк известны, по крайней мере, несколько академических лабораторий, оснащенных самым современным диагностическим оборудованием. Данное оборудование позволяет определять поля мгновенных скоростей и температур двухфазных сред, чтобы затем получать осредненные (по времени и пространству) их значения, которые и использовать для корректных расчетов. Лаборатории имеют в своем штате научный и инженерно-технический персонал высочайшей квалификации и готовы к проведению объективной независимой (а иначе и не бывает в стенах РАН) экспертизы любых новаторских предложений, ведущих как к совершенствованию имеющихся, так и к созданию принципиально новых методов преобразования энергии.

Как уже отмечалось выше, проигрыш эффективности рекламируемых «вихревых теплогенераторов» несмотря на всю изощренность и замысловатость конструктивных решений будет составлять, по сравнению с тем же электрическим чайником, лишь единицы процентов, что едва ли заметят большинство потенциальных потребителей. Однако, авторы стремятся быть честными по отношению к гражданам нашей страны в части их прав на получение максимально достоверной информации, касающейся рассматриваемых устройств. В случае же организации массового производства и, соответственно, массовых продаж продвижение такого рода «продуктов» на отечественном рынке может привести к ощутимому снижению эффективности реального сектора экономики России.

Литература

1.Александров Е.Б. Чудо-миксер, или новое пришествие вечного двигателя / В защиту науки (отв. ред. Э.П.Кругляков); Комиссия по борьбе с лженаукой и фальсификацией науч. исслед. РАН. М.: Наука. 2009. Бюл. №6. С.80-88.

2.Кашницкий С. Доходное завихрение. Способна ли вода заменить в энергетике газ? / Аргументы и факты. №5. 03.02.2010 г.

3.Козлов С.В. Теплотехнические испытания тепловых гидродинамических насосов // Энергия: экономика, техника, экология. 2009. №2. С.29-35.