початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

Про Теплотворна здатність гідродинамічної кавітації

Залиште коментар

У повідомленні представлені деякі енергетичні аспекти, які супроводжують роботу кавітаційних теплогенераторів, широко рекламованих в якості високоефективних джерел теплової енергії. Показано, зокрема, що виникнення надвисоких градієнтів температур і тисків можливо тільки в спеціально підготовлених «чистих» гомогенних рідинах. В умовах «технічної», використовуваної в системах опалення, заявляються авторами проектів ефекти принципово неможливі.

Останнім часом в науково-технічних виданнях популярної та інформаційної спрямованості, включаючи Internet, широко рекламуються гідродинамічні пристрої, призначені, зокрема, для використання в локальних системах опалення. Принцип дії таких апаратів на перший погляд здається досить простим.
Характерною особливістю численних описів таких унікальних нагрівачів є практично повна відсутність їх теоретичного обґрунтування, що не дозволяє, на жаль, кількісно оцінити об'єктивність заявляються параметрів.

Мал. 1. Принципова схема малої котельні [1]

На рис. 1 , як приклад, представлена принципова схема котельні, активним елементом якої є роторний кавітаційний теплогенератор, який представляється як нове покоління теплових машин, що перетворюють механічне, електричне та акустичне впливу на рідину в тепло.

Збільшення температури теплоносія відбувається, на думку авторів, за рахунок наступних ефектів: перетворення механічної енергії за рахунок внутрішнього тертя, виникає при русі теплоносія; перетворення електричної енергії в теплову енергію за рахунок електрогідравлічного ефекту і нагріву теплових елементів; гідроакустичної енергії в теплову енергію за рахунок кавітаційних і вихрових ефектів. На схемі рис.2 авторами [1] прийнято такі позначення: 1 - електродвигун, 2 - кавітаційний теплогенератор, 3 - манометр, 4 - бойлер, 5 - повітряний кран, 6 - трубопровід подачі нагрітого теплоносія, 7 - термодатчик, 8 - блок автоматичного управління, 9 - теплообмінник, 10 - радіатор топлення, 11 - розширювальний бачок, 12 - фільтр для очищення теплоносія, 13 - циркуляційний насос.

Таким чином, основним елементом схеми є кавітаційний теплогенератор 2, що представляє собою в даному випадку апарат роторного типу, які широко застосовуються в хімічній промисловості (наприклад, роторні пристрої класу ГАРТ [2]). Крім роторних апаратів в даний час активно рекламуються і ведуться спроби наукового обґрунтування високих енергетичних показників вихрових пристроїв, що конструюються на основі труби Ранка [3].

Системи кавітаційних теплогенераторів, незважаючи на найрізноманітніші назви (про термінологію втори проектів, судячи з усього, ще не встигли домовитися) складається з чотирьох основних елементів ( Рис. 2 ): приводного електродвигуна 1, насоса 2, власне кавитационного теплогенератора 3 за допомогою якого здійснюється перетворення механічної енергії в теплову енергію і споживач теплової енергії 4.

Мал. 2.Тіпічная структурна схема кавітаційного теплогенератора

Елементи спрощеної структурної схеми 2 є стандартними, практично, для будь-якої гідравлічної системи призначеної для транспортування рідини або газу.

Принцип дії таких трансформаторів енергії можна спостерігати на прикладі загальнодоступного насоса для поливу грядок і газонів на дачних ділянках. Необхідно наповнити водою звичайну трилітрову банку і змусити насос забирати з банки воду і туди ж її скидати. Вже через 5 - 10 хвилин можна переконатися в повній правоті Джемса Прескотта Джоуля (1818 - 1889) про можливість перетворення механічної роботи в тепло. Вода в банку нагріється. Ще яскравіше ефект проявляється при «замиканні» входу і виходу домашнього пилососа. Але це ризикована демонстрація, температура наростає настільки стрімко, що можна не встигнути роз'єднати «вхід» і «вихід», що призведе до псування пристрою.

Нагрівач, схема якого наведена на рис. 2 працює приблизно так, як система охолодження автомобільного двигуна, тільки вирішується зворотна задача, що не зниження температури, а її збільшення. При пуску установки робоча рідина з виходу гідродинамічного кавітаційного перетворювача енергії 3 посредствам насоса 2 подається по короткому шляху на вхід теплогенератора. Після декількох циркуляцій по малому (допоміжному) контуру, при досягненні водою заданої температури, підключається другий (робочий) контур. Температура робочої рідини падає, але потім, при вдало обраних параметрах системи, відновлюється до необхідної величини.

Численні конструкції активаторів, рекламованих виробниками, по суті, представляються пристроями, що повідомляють робочої рідини кінетичну енергію. Як стверджують автори проектів, їм вдається шляхом використання «спеціальних» конструктивних особливостей теплогенераторів і «нетрадиційних» фізичних ефектів досягати високих значень коефіцієнта корисної дії h> 0,9. У ряді інтригуючих випадків h, за результатами випробувань, перевищує одиницю. Пояснюючи такі незвичайні характеристики досить вивчених гідродинамічних пристроїв і процесів, дослідники наполягають на тому, що їм вдається використовувати невідомі властивості кавітаційних явищ (аж до «холодного» термоядерного синтезу) або торсіонних полів, що виникають при обертальному русі рідини.

Як правило, термодинамічні системи з кавітаційними теплогенераторами в якості вихідного джерела механічної енергії мають рідше один, а частіше - два електродвигуни, що забезпечують циркуляцію теплоносія по системі і створення умов для підтримки гідродинамічної кавітації. Іншими словами, електрична енергія Е1 з відповідними втратами k1 перетвориться в механічну енергію

, (2)

де k ₂ - коефіцієнт перетворення (за термінологією авторів - трансформації) механічної енергії потоку теплоносія в його внутрішню енергію, причому величина коливається, в більшості своїй від 0,9 до 4. Якщо величина k ₂@ 0,9 при певних теоретичних спрощення може розглядатися як висока, але в деякій мірі реальна, то значення k ₂ ≥ 1 вимагають серйозних теоретичних обгрунтувань. Енергетичний феномен пояснюється авторами проектів, тим, що в їх конструкціях використовується унікальний спосіб перетворення електричної енергії в теплову енергію за рахунок використання «флуктуирующими вакууму в умовах жорсткої кавітації» і «енергії молекул води».

Не торкаючись далі, з цілком очевидних причин, торсионную і термоядерну проблематику, як і енергетику фізичного вакууму, розглянемо деякі особливості використання енергетичних ефектів гідродинамічної кавітації в тіло і масообмінних процесах. Процеси кипіння, акустичної та гідродинамічної кавітації можуть бути представлені як явище освіти в суцільний рідини конкурентної фази у вигляді порожнин заповнених паром робочої рідини і розчиненими газами.

Відзначимо, що явище гідродинамічної та акустичної кавітації, незважаючи на більш ніж віковий період вивчення не представляється описаним в повній мірі. Всі дослідники, які займалися кавітаційними процесами, сходяться на думці, що явище в деяких своїх проявах ще не передбачувано. Параметри інженерних споруд і пристроїв, робота яких пов'язана з виникненням і протіканням кавітації (гідротурбіни, суднові рушії, насоси, перемішують пристрої, технологічні установки), поряд з результатами теоретичних досліджень доповнюються експериментальними даними, основу яких складає моделювання кавітаційних явищ на спеціальних стендах [4- 7]. Разом з тим, про кавітації вже багато відомо. По крайней мере, до теперішнього часу встановлено основні закономірності, пов'язані з її виникненням і протіканням. Вчені й інженери навчилися досить успішно запобігати руйнівні прояви (наприклад, суперкавітірующіе суднові гвинти) і використовувати їх в технологічних процесах, коли потрібно щось зруйнувати, наприклад частинки нерозчинних рідин, або організувати не протікають в звичайних умовах хімічні реакції.

На енергетичні ефекти, що супроводжують появу в рідини конкурентної фази в умовах тиску, сумірних з тиском насичених парів робочої рідини дослідники звернули увагу давно. У 1917 р лордом Релея була вирішена задача про тиск, що розвивається в рідині при схлопуванні «порожній» сферичної каверни [4]. Для випадку сферичної симетрії при безвихрових радіальному перебігу рідини, що оточує порожнину було отримано рівняння кінетичної енергії K _L

, (3)

де _p L - щільність рідини, u - радіальна швидкість на якій відстані r> R від центру порожнини, _v r - радіальна швидкість стінки порожнини. Відповідно до теореми, зміна кінетичної енергії рідини має дорівнювати роботі, яку здійснюють масою рідини при замиканні порожнини

(4)

де - Тиск в рідині на відстані , _R max - радіус порожнини в момент початку її колапсу, R ₀ - кінцевий радіус порожнини. Прирівнюючи (3) і (4), можна прийти до рівняння швидкості руху поверхні сферичної порожнини

. (5)

Так, наприклад, для випадку _R max = 10 ^-3 м і R ₀ = 10 ^-6 м при = 105 Па, _p L = 103 кг / м ³ швидкість стінки порожнини виходить рівною _v r @ 1, 4 × 10 ⁴ м / с, що на порядок перевищує швидкість звуку у воді. Величина кінетичної енергії рідини, що заповнює кавитационную порожнину, складе у відповідність з рівнянням (3) величину

, (6)

Якщо припустити, що тільки 10% кінетичної енергії рідини перетворюється в тепло, то максимальне локальне зміна температури в області колапсу порожнини приблизно складе

, (7)

де з @ 4200 Дж / кг × К - питома теплоємність води. Природно припустити, що при таких високих температурах можливі процеси на молекулярному і атомному рівні. Треба думати, що саме подібні результати обчислень привели конструкторів кавітаційних теплогенераторів до припущень про можливість реакцій «холодного» термоядерного синтезу.

Дані М. Корнфельда отримані для випадку виникнення конкурентної парової фази одночасно у всьому об'ємі рідини, чого на практиці ніколи не спостерігається. Якби вода мала зазначеної міцністю, то отримати кавітацію в умовах обговорюваних пристроїв було б неможливо. На практиці в умовах спеціально підготовлених порцій рідин, що не містять неоднорідностей, парові ядра, можуть виникати внаслідок теплових флуктуацій. Збільшення обсягу парових ядер можливо в разі перевищення тиску насичених парів рідини зовнішнього тиску, тобто

, (9)

де _p sp - тиск насичених парів рідини, _s L _{/ sp} - коефіцієнт поверхневого натягу на межі рідина - пар. Число ядер, здатних втрачати стійкість в одиницю часу в одиниці об'єму рідини визначається рівнянням Я.Б. Зельдовича [5]

, (10)

де n ₀ - Число утворилися ядер, F - постійний множник, _k B @ 1,4 × 10 ^-23 Дж / К - постійна Больцмана, Т - абсолютна температура, A (R ₀₎ - робота освіти ядра

, (11)

перший доданок характеризує величину енергії, витраченої на створення вільної поверхні, другий доданок (11) - робота утворення нової порожнини радіусом R _0, третє - робота необхідна для заповнення порожнини паром.
Таким чином, для створення в однорідної рідини микронеоднородностей зовнішніми силами повинна бути виконана певна робота. Іншими словами, зміна стану рідини, включаючи освіту кавітаційних ядер, відбувається внаслідок підведення енергії від зовнішніх джерел. Утворене кавітаційне ядро може збільшувати або зменшувати свій об'єм залежно від співвідношення зовнішнього тиску і тиску пари всередині ядра. Умова зростання ядра можна отримати, поєднуючи рівняння (11) і (10), тобто з рівняння (11) визначити величину R ₀ і підставити це значення в умову (9)

, (12)

де 1 / t = dn ₀ / dt, t - час очікування розриву суцільності одиничного об'єму рідини. Вважаючи, що одиничне кавітаційне ядро в обсязі 1 см ³ утворюється протягом однієї секунди і приймаючи по Корнфельд А @ 10 ^{3 1} с ^{- 1} м ³ виходить

В цьому випадку

. (12)

У відповідність з (12) величина міцності на розрив для води виходить рівною z @ 1,6 × 10 ⁸ Па, майже в два рази менше теоретичного значення Корнфельда і в три рази менше молекулярного рівняння (8).

Як встановлено експериментально [4 - 7], кавитационная міцність рідин на кілька порядків нижче теоретичних значень. Так, наприклад, М.Г. Сиротюком [7] і Г. Флінн [6] були опубліковані дані про виміри кавітаційної міцності дистильованої очищеної і водопровідної води. При вимірах порогових значень акустичного тиску на різних частотах, при яких фіксувалося виникнення конкурентної фази, були отримані мінімальні значення тиску для водопровідної необробленої води _p c r @ 5 × 10 ⁴ Па, а для дистильованої підготовленої води - _p c r @ 4 × 10 ⁷ па.

Рис.3. Експериментальні пороги виникнення кавітації в воді [6,7]

Основною причиною такого значного розкиду кавітаційної міцності води є її неоднорідність, тобто присутність в ній кавітаційних ядер, заповнених газом і парами рідини, іншими словами, виникнення конкурентної фази відбувається на вже присутніх в рідині ядрах критичного радіуса _R c r при їх попаданні в зони зниженого тиску.

Якщо прийняти, що процес розширення ядра протікає по адіабатичній схемою, то взаємозв'язок початкового _P G ₍₀₎ і поточного _P G тиску газу в збільшує обсяг ядрі можна представити на підставі рівняння Пуассона можна представити в такий спосіб

, (13)

де g - показник адіабати. В цьому випадку кінематичні параметри прилеглих до зраджує свій обсяг ядру можна виразити таким диференціальним рівнянням [5]

. (14)

Для максимального значення радіальної складової швидкості, замість рівняння (5) необхідно записати наступне співвідношення, що є першим інтегралом рівняння (14)

. (15)

беручи = 105 Па, р _G(0) @ 1 × 10 ³ Па, максимальне значення швидкості складе _v r _(max)@ 534 м / с, що в 26 разів менше, гіпотетичний градієнт температури у відповідність з рівнянням (7) складе

, (16)

що незрівнянно менше «термоядерних» температур, про яких згадується в публікаціях, присвячених кавітаційним теплогенератора. Слід також мати на увазі, що в системах опалення використовується звичайна водопровідна вода з високим рівнем газосодержания, в якій явно присутні відносно великі Кавітаційні газонаповнені ядра. При попаданні таких ядер в зони зниженого тиску ядра будуть збільшувати свій обсяг до деякого максимального значення, а потім їх обсяг буде періодично змінюватися на власній частоті

. (18)

Енергія, запасена кавітаційної порожниною, буде частково генеруватися в формі акустичних коливань, з коефіцієнтом трансформації в теплову енергію не перевищує 1% від загальної енергії порожнини.

Слід мати на увазі, гідродинамічні системи кавітаційних теплогенераторів являють-ся замкнутими ( Рис. 2 ), що передбачає наявність циркуляційного контуру. Рідина, що пройшла зону знижених тисків в теплогенераторі через нетривалий час знову потрапляє туди. Така циркуляція рідини через кавитационную зону характеризується гістерезисними явищами [8], коли кількість і розподіл за розмірами кавітаційних ядер змінюється. Кавітаційна міцність рідини падає, в системі циркулюють газонаповнені бульбашки, з розмірами, що не дозволяють їм досягати водної поверхні в розширювальному бачку ( Рис.1 ).

Таким чином, на підставі проведеного аналізу можна прийти до висновку, що в умовах теплогенераторів гідродинамічну кавітацію не можна розглядати як джерело додаткової енергії. Ансамбль розширюються, схлопивающіхся і пульсуючих кавітаційних каверн представляється як своєрідний енергетичний трансформатор енергії, коефіцієнт корисної дії якого в принципі, як і будь-якого трансформатора не може перевершувати одиницю.

література

1. http://www.tstu.ru/structure/kafedra/doc/maxp/eito6.doc
2. Фрідман В.М. Ультразвукова хімічна апаратура. - М .: Машинобудування, 1967. - 211 с.
3. Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиций теории движения. - Кишинев – Черкассы: ОКО-Плюс. ,2000. - 387 с.
4. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974. - 678 с.
5. Перник А.Д. Проблемы кавитации. - Л.: Судостроение, 1966. - 435 с.
6. Флин Г. Физика акустической кавитации в жидкостях. В кн. Физическая акустика, // под ред. У. Мэзона, Т 1, - М.: Мир, 1967, С. 7 - 128.
7. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации. В кн. Мощные ультразвуковые поля, // под ред. Л.Д. Розенберга, 1968. С. 168 - 220.
8. Васильцов Е.А., Исаков А.Я. Гистерезисные свойства кавитации // Прикладная акустика. Вип. 6. -Таганрог: ТРТИ, 1974. -С.169-175.

Версія для друку
Автор: Ісаков Олександр Якович
Поштова адреса: Г. Петропавловськ-Камчатський, вул. Ключевська 35, КамчатГТУ,
Телефон: першому проректору, сл. телефон 423 501, будинок. тел. 426 990
Дата публікації 05.10.2006гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів