| 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) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2131094
Кавітаційна ТЕПЛОВОЇ ГЕНЕРАТОР
Ім'я винахідника: Пищенко Леонід Іванович (UA); Меренков Юрій Олександрович (UA)
Ім'я патентовласника: Пищенко Леонід Іванович (UA); Меренков Юрій Олександрович (UA)
Адреса для листування: 107076, Москва, ул.Строминка, д.19, корп.1, кв.24, Казанцеву Володимиру Сергійовичу
Дата початку дії патенту: 1997.04.14
Винахід відноситься до теплотехніки і може бути використано в усіх галузях народного господарства для отримання значної кількості теплової енергії, зокрема для підігріву (безпосередньо в трубопроводах) в'язких рідин типу нафти з метою зниження в'язкості і поліпшення реологічних властивостей.
Переважна область використання винаходу - опалення цивільних об'єктів і енергетичне забезпечення теплоємних технологічних виробництв.
Технічний результат полягає в тому, що інтенсифікація процесу нагріву рідини і підвищення ефективності роботи теплогенератора досягається за рахунок виконання прискорювача руху рідини у вигляді проточною камери з патрубком підведення, конфузорів і патрубком відведення обробленої рідини, всередині проточної камери встановлені суперкавітірующіе лопатки, закріплені на ступиці, при цьому згадані лопатки по зовнішній поверхні охоплені коаксіальним циліндром, на зовнішній поверхні якого розташована інша група суперкавітірующіх лопаток з протилежним напрямком закручування потоку, при цьому внутрішня група суперкавітірующіх лопаток закріплена на ступиці, а гальмівний пристрій виконано у вигляді переривника потоку з приводом, розташованим за робочим елементом по ходу потоку, патрубок відводу з'єднаний з акумулятором тепла, вихід якого з'єднаний з споживачами тепла і мережевим насосом, вихід якого з'єднаний через корпус з патрубком підведення.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до теплотехніки і може бути використано в усіх галузях народного господарства, де необхідно отримання значної кількості теплової енергії, зокрема винахід можна використовувати для підігріву (безпосередньо в трубопроводах) в'язких рідин типу нафти з метою зниження в'язкості і поліпшення її реологічних властивостей. Переважна область використання винаходу - опалення і енергетичне забезпечення теплоємних технологічних виробництв.
З рівня техніки відомі конструкції теплогенераторів великої потужності, які застосовуються, наприклад, при централізованої формі постачання теплоємних промислових технологій і цивільних будівель і споруд.
В даний час в якості теплогенераторів все ширше застосовуються теплові насоси (з м., Наприклад, ac СРСР N 458691, 1972 г. [1] і pоссійскій патент N 2045715, 1993 [2]). При роботі в цих пристроях здійснюється зворотний цикл, тобто відбувається поглинання теплоти з навколишнього середовища з подальшою передачею її тілу з більш високою температурою. Конструктивно тепловий насос містить замкнутий контур по робочому тілу, що включає пристрій, що забезпечує циркуляцію робочого тіла, теплообмінники, пристрої, що забезпечують циркуляцію в контурах низькотемпературного теплоносія з навколишнього середовища і високотемпературного теплоносія, приводний двигун і прилади контролю та управління. Теплота, забране у довкілля, підвищує загальний ККД теплотехнічної установки, підсумовується теплотою, отриманої від перетворення електроенергії. Використання теплових насосів з метою теплопостачання перспективним напрямком в теплотехніці. Однак ККД цих установок порівняно невисокий, внаслідок чого вони не знайшли широкого застосування.
Відомі пристрої теплових насосів, що використовують зміни фізико-механічних властивостей середовища, зокрема тиску і обсягу, для отримання теплової енергії (див., Наприклад, ac СРСР N 458691, 1972 г. [1] і pоссійскій патент N 2045715, 1993 р [ 2]).
У відомих пристроях як середовище може бути використана, наприклад, паровоздушная суміш або рідина. У цих пристроях шляхом зміни тиску і швидкості середовища генерується теплова енергія, що дозволяє знизити витрати електроенергії для отримання тепла.
Тепловий насос [1], що виконує функцію теплогенератора, робочим середовищем якого є рідина - вода, містить корпус у вигляді герметичного сферичного судини, наповненого робочим середовищем з розташованим в ньому теплообмінником, мережевий насос, що забезпечує стиснення середовища всередині корпусу, що подає і зворотні тепломагістралі, оснащені запірними вентилями, і споживач тепла.
Основний недолік цього теплового насоса - дуже високий робочий тиск, що розвивається в корпусі, яке сягає 1000 атм. Такі робочі параметри установки пред'являють підвищені вимоги до міцності корпусних деталей, запірних вентилів і трубопроводів, що призводить до збільшення собівартості установки.
Крім того, використання установки для опалення житлових приміщень небезпечно з огляду на високий робочого тиску.
За прототип винаходу авторами обраний теплової генератор [2], що включає корпус з циліндричною частиною, прискорювач руху рідини, виконаний у вигляді циклону, торцева сторона якого з'єднана з циліндричною частиною корпусу. У підставі циліндричної частини, противолежащей циклону, змонтовано гальмівний пристрій.
Завдяки тому що корпус теплогенератора в нижній частині оснащений циклоном, робоча рідина під тиском, тангенциально вступаючи в нього, проходить по спіралі, і рухається у вигляді вихрового потоку, швидкість якого зростає; далі вона потрапляє в циліндричну частину корпуса, діаметр якої в кілька разів перевищує діаметр инжекционного отвори, а потім в гальмівний пристрій. Таке конструктивне виконання корпусу дозволяє знизити швидкість і тиск середовища, при цьому відповідно до відомими законами термодинаміки, змінюється механічна енергія рідини, спрямована на зростання її температури.
Підвищенню ефективності нагріву рідини сприяє додаткове гальмівне пристрій, встановлений в перепускному патрубку. Перепад тиску на виході з гальмівного пристрою у верхній частині корпусу за рахунок співвідношення випускного отвору корпусу і перепускного патрубка забезпечує превалювання гарячого потоку рідини над холодним.
У відомому пристрої [2] використовуються зміни фізико-механічних властивостей середовища, зокрема тиску і обсягу, для отримання теплової енергії.
Суть роботи теплогенератора по прототипу полягає в прискоренні потоку в циклоні і Постадійний спрацьовуванні отриманої кінетичної енергії на гальмівних пристроях різної конструкції. Однак ККД на кожній стадії спрацювання кінетичної енергії - невисокий, звідси випливає, що і сумарний ККД не може бути високим.
Технічною задачею, на вирішення якої спрямовано винахід, є підвищення ефективності за рахунок інтенсифікації процесу нагріву рідини і зниження енерговитрат.
Рішення поставленого завдання забезпечується тим, що в кавітаційному тепловому генераторі, що містить корпус, оснащений прискорювачем руху рідини і гальмівним пристроєм, відповідно до винаходу прискорювач руху рідини виконаний у вигляді проточною камери з патрубком підведення, конфузорів і патрубків відведення обробленої рідини, всередині проточної камери встановлено робочий елемент у вигляді суперкавітірующіх лопаток, закріплених на ступиці, які по зовнішній поверхні охоплені коаксіальним циліндром, а на зовнішній поверхні циліндра розташовані суперкавітірующіе лопатки, напрямок закручування потоку яких протилежно напрямку закручування потоку внутрішніми суперкавітірующімі лопатками, закріпленими на ступиці, при цьому гальмівний пристрій виконано у вигляді переривника потоку з приводом, розташованим за робочим елементом по ходу потоку, патрубок відводу з'єднаний з акумулятором тепла, вихід якого з'єднаний з комерційним споживачем тепла та мережевим насосом, вихід якого з'єднаний через корпус з патрубком підведення. Між робочим елементом і переривачем потоку встановлено пристрій відбору витрати рідини, поєднане з додатковою проточною камерою всередині якої встановлений робочий елемент, що забезпечує суперкавітаційного режим течії, за яким по ходу потоку встановлений додатковий переривник потоку з приводом, вихід проточної камери з'єднаний через корпус з маточиною, виконаної порожнистої, і колектором, що охоплює зовнішню поверхню проточною камери, що має перфорацію в зоні розміщення робочого елемента, причому в корпусі перед робочим елементом встановлений Турбулізатор, виконаний у вигляді переривника потоку з приводом, сполученим з приводом додаткового переривника потоку, який з'єднаний з приводом основного переривника потоку . Між мережевим насосом і корпусом розміщений попередньо включений кавітаційний активатор, виконаний у вигляді конфузора, проточною камери, тангенциально з'єднаної з корпусом, всередині якої на порожнистої маточини встановлений робочий елемент; порожниста маточина сполучена з акумулятором тепла переважно у верхній точці. У проточній камері за робочим елементом по ходу потоку встановлені сопла, переважно перпендикулярно напрямку потоку, входи яких з'єднані з виходом мережевого насоса. Осі сопел розташовані під кутом один до одного. Виконавчий механізм приводів переривників з'єднаний через регулятор з датчиком температури, причому один з входів регулятора з'єднаний з датчиком звуку за робочим елементом. Турбулізатор, виконаний у вигляді прериватeля потоку, оснащений додатковими напрямними потоку, виконаними, наприклад, у вигляді пластин, встановленими на рухомої частини переривника під кутом до набігаючого потоку. Переривник і додатковий переривник з'єднані таким чином, щоб забезпечити зміщення моменту початку імпульсів в переривнику. Передня кромка коаксіальних циліндрів, на яких встановлені суперкавітірующіе лопатки, спрямована назустріч потоку рідини, виконана гострою, зі скошеною внутрішньою поверхнею, виконаної у вигляді плавного увігнутого профілю, а передня кромка маточини, спрямована назустріч потоку рідини, виконана гострою, зі скошеною зовнішньою поверхнею, виконаної у вигляді плавного увігнутого профілю. На виході теплового генератора, перед акумулятором тепла, встановлений регулятор тиску. Всі вузли, що контактують з рідиною, виконані з кремнийорганическим покриттям.
Теоретичні основи пропонують Кавітаційна ТЕПЛОВОГО ГЕНЕРАТОРА НАСТУПНІ
Як відомо хімія, крім речовин та їх взаємодій, вивчає і взаємодія енергії та речовини. Як правило, джерела енергії обмежують можливість впливу дослідників на реакційну здатність речовин. Взаємодія електроструму з речовиною протікає за короткі проміжки часу і характеризується високою енергією, тоді як теплові взаємодії протікають за великі проміжки часу і при менших енергіях. Взаємодія звукових хвиль з речовиною робить доступним для вивчення хіміками таких діапазонів енергій і тимчасових шкал, які недосяжні в інших випадках. Необхідна для проведення хімічної реакції тиск в рідині, отримують за допомогою генерування в ній інтенсивних звукових хвиль. Такі хвилі створюють чергуються області стиснення (ущільнення) і розрідження, в яких можуть утворюватися бульбашки діаметром близько 100 мкм. При схлопуванні бульбашок (менш ніж за 1 мкс) міститься в них газ може нагрітися до 5500 o C - ця температура близька до температури поверхні Сонця. Вперше незвичайне дію інтенсивних звукових хвиль при поширенні в рідини - область явищ, що відносяться до ультразвукової хімії (звукохіміі), виявив в 1927 р. А.Луміс. Активізація звукохіміческіх досліджень почалася в 80-х роках незабаром після створення недорогих і надійних джерел ультразвукових коливань високої інтенсивності (з частотою більше 16 кГц, що вище рівня слухового сприйняття людини), сьогодні ультразвук застосовують в медичній практиці, в промисловості для зварювання пластмасових деталей та очищення матеріалів і навіть в побуті в пристроях сигналізації (застережливий про пограбування) і т.д.
Ці застосування, однак, не пов'язані з хімічною дією ультразвуку, який може, наприклад, підвищити реакційну здатність металевого порошку більш ніж в 10 5 разів. Він може давати настільки швидке відносне рух металевих частинок, що вони будуть плавитися при зіткненні. Ультразвук може створювати і мікроскопічні "осередки полум'я" в холодній рідини. Ці хімічні ефекти ультразвуку обумовлені фізичними процесами, завдяки яким в рідини виникають, ростуть і схлопиваются газові і парові бульбашки. Ультразвукові хвилі, як і всі звукові хвилі, включають цикли стиснення і розрідження. Під час циклів стиснення виникають локальні підвищення тиску в рідині, що призводить до зближення її молекул один з одним; під час циклів розрідження виникають локальні зниження тиску, в результаті чого молекули отдaляются один від одного. Під час циклу розрідження звукова хвиля достатньої інтенсивності може генерувати утворення бульбашок. Частинки рідини утримуються разом силами тяжіння, які визначають її міцність на розрив. Для того щоб утворився пухирець, величина, на яку зменшується локальне тиск в циклі розрідження, повинна перевищити міцність рідини на розрив. Необхідна величина падіння тиску залежить від типу рідини і її чистоти. Міцність на розрив абсолютно чистій рідині настільки велика, що наявні ультразвукові джерела не можуть створювати падіння тиску, достатнього для утворення бульбашок. Для абсолютно чистої води, наприклад, треба було б падіння тиску більше ніж на 1000 атм, в той час як найпотужніші ультразвукові генератори створюють тиск приблизно до 50 атм. Однак міцність рідин на розрив зменшується за рахунок газу "захоплюваного" тріщинами на мікроскопічних твердих частинках, присутніх в рідині. Цей ефект аналогічний зниження міцності, зумовленого тріщинами в твердих матеріалах. В області зниженого тиску захоплений газ починає виходити з тріщин, утворюючи маленький пухирець, що переходить в розчин. У більшості випадків рідини бувають досить сильно забруднені пилом та іншими твердими домішками. У водопровідній воді, наприклад, бульбашки утворюються при тиску всього на кілька атмосфер.
Бульбашка в рідини нестабільний: якщо він великий, то буде спливати на поверхню і лопатися; якщо він малий, то буде здавлювати рідиною і зникати. Однак при взаємодії з ультразвуковою хвилею бульбашка буде безперервно поглинати енергію протягом чергуються циклів стиснення і розрідження. Ця взаємодія призводить до зростання і стисненню пухирців, порушуючи динамічна рівновага між парою всередині них і рідиною зовні. В одних випадках ультразвукові хвилі будуть підтримувати існування бульбашок, викликаючи лише коливання його розміру. В інших випадках середній розмір бульбашок буде збільшуватися. Зростання бульбашки визначається інтенсивністю ультразвуку. Ультразвук високої інтенсивності може призвести до настільки швидкого розширення бульбашки в циклі розрідження, що він вже не стиснеться в циклі стиснення. Отже, в такому процесі бульбашки можуть швидко вирости за один період ультразвукової хвилі.
У разі ультразвуку низької інтенсивності розмір бульбашки коливається в фазі з тиском протягом циклів розрідження і стиснення. Поверхня такого бульбашки під час циклу розрідження дещо збільшується в порівнянні з циклом стиснення. Оскільки кількість газу, що дифундує в пляшечку або з нього, залежить від площі поверхні бульбашки, дифузія в пляшечку під час циклів розрідження буде дещо більшою, ніж дифузія з нього протягом циклів стиснення. Отже, за кожен період ультразвукової хвилі бульбашка розширюється дещо більше, ніж стискається, і з плином часу бульбашки будуть повільно зростати. Зростаючий пухирець може поступово досягти критичного розміру, при якому він найбільш ефективно поглинає енергію ультразвуку. Цей розмір залежить від частоти ультразвукової хвилі. При 20 кГц, наприклад, критичний розмір (діаметр) бульбашки становить приблизно 170 мкм. Такий бульбашка може швидко вирости за один період хвилі. Після того як розмір бульбашки швидко збільшився, він вже не може ефективно поглинати енергію ультразвуку. Без підведення енергії ззовні бульбашка не може бути. Рідина здавлює його, і він схлопивается. При схлопуванні бульбашок утворюються умови для протікання незвичайних хімічних реакцій. Гази і пари усередині бульбашки стискаються, інтенсивно виділяючи тепло, за рахунок якого підвищується температура рідини в безпосередній близькості від пляшечки, і, таким чином, створюється гаряча мікрообластей. Незважаючи на те що температура цієї області надзвичайно висока, сама область настільки мала, що тепло швидко розсіюється. Згідно з оцінками Іллінойського університету в Ерба-Шампо швидкості нагріву і охолодження рідини перевищують 10 9o C / с. Це відповідає швидкості охолодження розплавленого металу при його вихлюпування на поверхню, охолоджену до температури поблизу абсолютного нуля. Таким чином, в будь-який момент часу основна маса рідини має температуру навколишнього середовища. Точні значення температур і тисків, достігаемиe при схлопуванні бульбашки, важко визначити як теоретично, так і експериментально. Однак ці величини мають фундаментальне значення при описі звукохіміческіх явищ. Для наближеного опису динаміки схлопування бульбашки були запропоновані різні теоретичні моделі, які характеризуються різним ступенем точності. Недолік всіх цих моделей - неможливість точного опису динаміки бульбашки на заключних стадіях схлопування. Hаиболее складні моделі дають значення температур близько 10 3o C, тисків 10 2 - 10 3 атм і часу нагріву менше 1 мкс. Температуру схлопивается бульбашки неможливо виміряти термометром, оскільки розсіювання тепла відбувається занадто швидко. Один із шляхів вимірювання температури - визначення швидкості відомих хімічних реакцій, оскільки температура пов'язана з негативним зворотним логарифмом швидкості реакції. Якщо виміряти швидкості декількох різних реакцій, що протікають в створеній ультразвукової середовищі, то можна розрахувати температуру, що досягається після схлопування бульбашки. При визначенні відносних швидкостей ряду звукохіміческіх реакцій Д. Хаммертон встановив наявність двох різних температурних областей, пов'язаних зі спаданням бульбашки. Газ, що міститься в бульбашці, досягає температури близько 5500 o C, тоді як рідина в безпосередній близькості від пляшечки - 2100 o C. Для порівняння - температура полум'я ацетиленового пальника становить близько 2400 o C. Хоча тиск, що досягається при схлопуванні бульбашки, важче визначити експериментально, ніж температуру, між цими двома величинами існує кореляція. Таким чином, для максимального тиску можна отримати оцінку 500 атм, що становить половину величини тиску в глибокому місці Світового океану - Маріанської западини. Незважаючи на те що локальні значення температури і тиску, що досягаються при схлопуванні бульбашки екстремальні, можна успішно контролювати перебіг звукохіміческіх реакцій. На інтенсивність схлопування бульбашок і, отже, на характер реакції впливають такі фактори, як частота ультразвукової хвилі, її амплітуда, температура навколишнього середовища, статистичне тиск, природа рідини і газу, розчиненого в ній.
Звукохіміческіе процеси в рідинах залежать головним чином від фізичних ефектів при швидкому нагріванні і охолодженні, що викликаються спаданням бульбашки. Наприклад, доведено, що при опроміненні води ультразвуком під дією енергії ультразвукових хвиль вода (H 2 O) розщеплюється на високореакціонноспособние атоми водню (H 2) і радикали гідроксилу (OH). На швидкій стадії охолодження атоми водню і радикали Гідросила рекомбинируют з утворенням перекису водню (H 2 O 2) і молекулярного водню H 2. Якщо до води, опроміненої ультразвуком, додати інші сполуки, то в ній можуть відбуватися багато вторинні реакції. Органічні сполуки інтенсивно розкладаються в такому середовищі, а неорганічні можуть окислюватися або відновлюватися.
У деяких органічних рідинах при опроміненні ультразвуком протікають фізико-хімічні реакції. Так, алкани - основні компоненти сирої нафти - можуть розщеплюватися на менші фрагменти (наприклад, бензин), зазвичай для цього сиру нафту піддають крекінгу при нагріванні до температури вище 500 o C. Однак обробка алканів ультразвуком викликає їх розщеплення при кімнатній температурі, причому продуктом цього процесу є ацетилен, який не можна отримати в достатній кількості простим нагріванням. Можливо, найбільш дивовижне хімічне явище, пов'язане з ультразвуком, полягає в його здатності створювати мікроскопічні "осередки полум'я" в холодних рідинах, в результаті так званої звуколюмінесценціі. Це відбувається, коли при схлопуванні бульбашки в рідині виникає мікрообластей з підвищеною температурою; молекули в цій області можуть порушуватися з переходом в високоенергетичні стану. При поверненні молекул в основний стан вони випромінюють світло. Е. Флінт в 1987 р, виявив, що опромінення ультразвуком вуглеводнів дає дивовижний результат: колір випромінюваного світла такий же, як у полум'ї газового пальника. Дія ультразвуку на рідини використовувалося і для прискорення хімічних реакцій в розчинах. Приклад металоорганічних сполук, що містять зв'язку метал-вуглець, особливо показовий. Цей широкий клас речовин грає важливу роль при отриманні пластмас у виробництві мікроелектронних схем і синтезі лікарських препаратів, гербіцидів і пестицидів.
У 1998 р П.Шуберт вперше досліджував дію ультразвуку на металоорганічні сполуки, зокрема на пентакaрбоніл заліза Fe (CO) 5. Отримані результати при порівнянні з даними за дією світла і нагрівання на Fe (CO) 5 свідчать про своєрідність хімічних процесів, що викликаються ультразвуком. Коли Fe (CO) 5 піддається нагріванню, він розкладається на монооксид вуглецю (CO) і тонкий порошок заліза, який мимовільно запалюється на повітрі. Коли на Fe (CO) 5 впливає ультразвукове випромінювання, він спочатку розпадається на Fe (CO) 4 і вільні фрагменти CO. Молекули Fe (CO) 4 можуть потім рекомбинировать з утворенням сполуки Fe (CO) 9. Схлопування бульбашки призводить до іншого результату. Воно супроводжується виділенням такої кількості тепла, якого достатньо для відщеплення декількох груп CO, але в результаті подальшого швидкого охолодження ця реакція припиняється до її завершення. Таким чином, коли на Fe (CO) 5 діє ультразвук, утворюється незвичайне кластерне з'єднання Fe 3 (CO) 12. Звукохімія двох змішуються рідин, наприклад масла і води, визначається здатністю ультразвуку емульгувати масло в рідини, в результаті якої мікрокраплі однієї рідини утворюють емульсію в інший. Ультразвукові стискання і розрідження речовини викликають накопичення енергії молекулами на поверхні рідини, які в подальшому долають сили зчеплення, що утримують їх в великій краплі, потім відбувається дроблення краплі на більш дрібні фрагменти, і поступово рідина емульгується. Емульгування може прискорити хімічні реакції між несмешивающимися рідинами завдяки сильному збільшення поверхні їх контакту. Велика поверхня контакту полегшує проникнення молекул з однієї рідини в іншу - ефекту, в результаті якого деякі реакції прискорюються. Наприклад, емульгування ртуті в різних рідинах призводить до особливо цікавим реакцій; по А. Фраю з університету Уеслі, який виявив, що багато реакції ртуті з бромоорганіческімі сполуками представляють проміжні стадії утворення нових вуглець-вуглецевих зв'язків. Такі реакції відіграють вирішальну роль в синтезі складних органічних речовин. Екстремальні умови, створювані поблизу твердих поверхонь, можуть бути використані і для додання хімічної активності "нереакционноспособниє" металам. Наприклад, Р.Джонсон вивчав реакції монооксиду вуглецю з молібденом і танталом, а й з іншими металами, близькими до них по реакційної здатності. Для освіти карбонилов металів звичайними методами потрібно тиск 100-300 атм і температури від 200 до 300 o C. Однак при опроміненні ультразвуком їх утворення може відбуватися при кімнатній температурі і атмосферному тиску. Схлопування бульбашки на додаток до всіх описаним вище ефектів може супроводжуватися виходом ударної хвилі в рідину. Звукохіміческіе процеси на твердих частинках у рідині у великій мірі визначаються такими ударними хвилями, під дією яких відбувається взаємне зближення мікроскопічних часток металевого порошку зі швидкістю перевищує 500 км / год.
Подібні зіткнення настільки інтенсивні, що викликають плавлення частинок в місці удару. Це плавлення підвищує реакційну здатність металу, оскільки призводить до видалення металооксидних покриття (плівки). Такі захисні оксидні покриття виявляються на більшості металів і є причиною появи патини на мідних виробах і бронзових скульптурах. Оскільки ультразвукова обробка підвищує реакційну здатність металевих порошків, вона збільшує і їх каталітичну активність. Для багатьох реакцій необхідний каталізатор, щоб вони протікали з необхідною або хоча б помітною швидкістю. Каталізатор не витрачається в реакції, а тільки прискорює реакцію інших речовин. Вплив ультразвуку на морфологію частинок, склад поверхні і каталітичну активність досліджувалося Д.Касадонте і С.Доктічем. Вони виявили, що під дією ультразвуку відбувається різка зміна морфології поверхні у таких каталізаторів, як порошки нікелю, міді і цинку. Поверхні окремих частинок згладжуються і частки об'єднуються в великі агрегати. Експеримент по визначенню складу поверхні нікелю показав, що оксидне покриття видаляється, внаслідок чого сильно збільшується каталітична активність нікелевого порошку. В цілому опромінення ультразвуком підвищує ефективність нікелевого порошку як каталізатора більш ніж в 10 5 разів. В таких умовах нікелевий порошок і активний як деякі спеціальні каталізатори, які використовують в даний час, проте він не запалюється і коштує дешевше.
Ультразвук виявляється корисний майже в кожному випадку, коли повинні реагувати рідина і тверде речовина. Крім того, він може проникати через великий обсяг рідини і тому добре підходить для промислових застосувань. У майбутньому використання ультразвуку в хімічних процесах має бути дуже різноманітним. Що стосується синтезу лікарських препаратів, то ультразвук дозволяє збільшити вихід продуктів у порівнянні з традиційними методами.
Однак найбільш високі досягнення в звукохіміі можуть бути пов'язані з отриманням нових матеріалів, що володіють незвичайними властивостями. Наприклад, дуже високі температура і тиск, що досягаються під час реакції, можуть привести до синтезу вогнетривких матеріалів (таких як карборунд, карбід вольфраму і навіть алмаз). Вогнетривкі матеріали мають високу термостійкість і величезною структурної міцністю. Вони знаходять важливе застосування в промисловості як абразиви і вставні різці з підвищеною твердістю.
Надзвичайно швидке охолодження, що супроводжується спаданням бульбашки, може бути використано для створення металевих стекол. Такі аморфні метали мають надзвичайно високі корозійну стійкість і міцність.
Хоча хімічні застосування ультразвуку знаходяться ще на початкових стадіях розробки, в найближчі роки слід очікувати швидкого прогресу в області звукохіміі. Використання ультразвуку в лабораторних реакціях широко поширюється, і перенесення наявних технологій на реакції промислового масштабу, мабуть, не за горами. В основі розроблюваних технологій лежать останні досягнення в дослідженнях хімічних ефектів ультразвуку.
Ефекти, наведені вище (в т.ч. і кавітація), викликаються дією на рідку середу ультразвуку, достатнього для виникнення цих ефектів інтенсивності. При всій пишноті гами досягаються фізико-хімічних ефектів ультразвукової кавітації (або ультразвукового кавітаційного обробці) притаманні і такі недоліки.
Всі результати досягаються поблизу ультразвукового випромінювача, і в міру віддалення від випромінювача енергія обробки різко знижується, що перешкоджає її широкому застосуванню в промислових обсягах. Гідродинамічна кавітація аналогічна ультразвукової кавітації за умовами зародження кавітаційних порожнин, їх розвитку та подальшого схлопування, по впливу, що чиниться на середовища, що знаходяться в зоні її дії, і відрізняється тільки природою виникнення, тобто видом "випромінювача". Однако это вроде бы незначительное отличие является существенным, поскольку гидродинамическая кавитация характеризуется тем, что вся масса жидкости участвует в процессах образования (развития и схлопывания) кавитационных полостей. Далее используется термин "кавитационный режим течения жидкости", который (по мнению авторов) наиболее полно характеризует происходящие явления, а именно - создаются условия генерирования кавитационных пузырьков, близких по величине диаметра и не зависящих от положения относительно "излучателя"; возможны условия, когда вся жидкость будет превращена в кавитационные пузырьки. Очевидно, что это граничное условие больше необходимого. Реально достаточно, чтобы в паровую фазу (кавитационные пузырьки) переходило около или немного больше половины объема жидкости, тогда при схлопывании кавитационных пузырьков будет что обрабатывать. Количество генерируемых пузырьков можно определить объемом каверны, где собираются кавитационные пузырьки. Экспериментально установлено, что диаметр пузырьков приблизительно одинаков, что приводит к существенно большей (чем при ультразвуковой кавитации) величине выделяемой суммарной энергии. То, что количество кавитационных пузырьков при гидродинамической кавитации во много раз больше, делает последний вывод неоспоримым.
Ефективність кавітаційної обробки (будь-якої природи) визначається величиною питомої енергії кумулятивних мікроструй, що утворюються при схлопуванні кавітаційних бульбашок, що виникають внаслідок розпаду каверни за кавітатором ( "випромінювачем"), помноженої на кількість кавітаційних бульбашок.
Вважається, що питома енергія кумулятивних струменів пропорційна квадрату їх швидкості, а швидкість прямим чином залежить від кореня квадратного з тиску в проточній камері. Таким чином, енергія диспергирования пропорційна першого ступеня тиску в камері диспергирования, тобто
Для підвищення енергії диспергування в кавітаційних системах передбачено розширення потоку за допомогою дифузора. Максимальне збільшення тиску при цьому навіть при необмежено нескінченне розширення потоку буде прагнути до величини швидкісного напору до розширення
і при швидкості потоку в проточній частині, наприклад v = 2 м / с, складе P = 0,02 атм, а при v = 10 м / с P = 0,5 атм максимум.
Більш строго з точки зору що відбуваються фізико-механічних процесів питома енергія кавитационного впливу одиничного кавітаційного пухирця може бути представлена залежністю
Аналіз наведеної залежності, з точки зору досягнення найвищої інтенсивності виділення енергії, доводить необхідність досягнення максимальних величин максимального радіуса утворився і готується до хляпанню кавітаційного пухирця і зростання тиску в зоні схлопування. Однак це взаємовиключні умови. При зростанні тиску в зоні схлопування розмір бульбашок зменшується. При зниженні тиску бульбашки утворюються досить великими, однак через невеликої різниці тисків всередині і поза бульбашки схлопування відбувається недостатньо енергійно.
Для збільшення виділеної "випромінювачем" гідродинамічної кавітації енергії використовується генератор пульсацій тиску, виконаний у вигляді переривника потоку, що складається з нерухомого диска і диска, що обертається з радіальними вікнами. Установка переривника потоку за "випромінювачем" (кавітатором) по ходу потоку дозволяє забезпечити (при великому прохідному перерізі переривника) умови зростання мікропухирців більшого розміру - при відкритому переривнику (і хляпанню їх) - при перекритті переривника (істотно підвищений тиск). Це може бути досягнуто тільки при установці переривника за кавітатором по ходу потоку і властиво тільки кавітаційного змішувача. Це є однією з відмінних рис справжнього технічного рішення. Створення пульсацій при розташуванні кошти для створення пульсацій до кавітатора призводить до зміни швидкості потоку рідини, натекает на кавітатор. Це призводить до зміни розмірів каверни, що утворюється за лопатками за рахунок зміни кількості кавітаційних мікропухирців, що і забезпечує деяку інтенсифікацію процесу змішування. Зміни тиску за кавітатором в Каверні при цьому не відбувається, так як тиск за кавітатором в Каверні при кавітаційному режимі течії постійно і дорівнює тиску насичених парів рідини, яка не залежить від швидкості обтікання кавітатора. Отже, питома енергія, що генерується при кавітаційному режимі течії повинна бути представлена залежністю
Очевидно, що енергія, що генерується кавітаційним плином, прямо пропорційно залежить від тиску в зоні схлопування. Особливо ця залежність проявляється при кавитационной обробці рідин, що знаходяться при температурі, що наближається до температури кипіння. У цьому випадку різниця (P - P нп) наближається до нуля, а отже, ніякі зміни швидкості, пульсації швидкості до лопаток, зміна профілю лопаток і т.д. не можуть забезпечити умови змішування, тобто бульбашки будуть утворюватися хоч і великих розмірів, але вони або не схлопнуться, або енергія буде мінімальною (фізичний смисл аналогічний кипіння води в чайнику). Дане питання до сих пір майже не досліджувався, однак надзвичайно актуальне, оскільки відкриває нові можливості різкої інтенсифікації процесу кавітаційної обробки. При миттєвому перекритті переривника генерується ударна хвиля, що розповсюджується проти руху диспергованій середовища приблизно зі швидкістю звуку в даному середовищі. Тиск на фронті ударної хвилі визначається за формулою М. Є. Жуковського: P 2 = C
v, де C - швидкість поширення ударних хвиль в середовищі, 
- Щільність середовища; v - швидкість руху середовища.
Навіть при невеликій швидкості потоку на виході v = 2 м / с тиск на фронті ударної хвилі складе: P = 1550 · 100 · 2 = 31 атм.
Таким чином, якщо замість застосовується розширення каналу і дифузора встановити генератор ударних хвиль на виході, то питома енергія диспергирования збільшиться в
Рух ударної хвилі з таким високим тиском на її фронті назустріч потоку викликає далеко не останнє локальне його стиснення. Це явище використовується при гідродинамічної кавітації обробці рідин (будь-якої природи і походження), які перебувають при температурі кипіння.
У світлі вищезазначеного, слід пояснити, що в запропонованому пристрої, гальмівний пристрій виконує нову функцію - генератор підсилювач енергії схлопування кавітаційних бульбашок. У разі відомих методів досягнення кавітації (в тому числі ультразвукової) - це шлях підвищення енергії, що підводиться до "випромінювача". Гідродинамічної кавітації властива "підступна" особливість, що дозволяє використовувати умови обтікання кавітаторів для створення умов генерування великої кількості кавітаційних бульбашок великого діаметру. Зупинимося на деяких процесах генерування кавітаційних бульбашок. В процесі гідродинамічної кавітації розрізняють кілька стадій: наявність зародка кавітаційного пухирця (центр освіти); зародження кавітаційного пухирця; зростання розмірів кавітаційного пухирця за рахунок різниці тисків всередині і поза бульбашки; зростання розмірів кавітаційного пухирця за рахунок сил інерції - інертний стан; схлопування кавітаційних бульбашок. Кожна стадія характеризується негативним часом реалізації або, що найбільш наочно, довжиною пробігу каверни. Очевидно, що довжина каверни повинна бути достатньою для завершення всіх стадій процесу.
Далі завданням є збільшення повені каверни, тобто досягнення необхідної величини міделю каверни. Це може бути досягнуто збільшенням кількості випромінювачів, решіток випромінювачів і т.д. Гідродинамічна кавітація і тут відкриває нові можливості її використання. Установка по осі потоку лопаток клиноподібної форми, що забезпечують закручування потоку, що генерує освіту мікровіхрей, а значить і утворення додаткової їх кількості. За рахунок охоплення центральних лопаток по зовнішньому діаметру периферійними лопатками забезпечується закручування потоку рідини в протилежному напрямку, і генеруються нові зони мікровіхрей, взаємодія яких з мікровіхрямі, що генеруються за лопатками, встановленими на осі, подвоюють відносні швидкості мікропотоків, що сприяє їх взаємопроникнення один в одного і забезпечує повне по міделю заповнення кавітаційними бульбашками каверни. При зниженні швидкості потоку інтенсивність утворення мікробульбашок знижується аж до зникнення кавітації. Створення стабільного режиму кавітації в її розвинутій стадії при зміні продуктивності дозволяє знизити питомі енерговитрати. Встановлено, що кремнійорганічні покриття КНН-121 сприяє часткового змочування поверхні. Це забезпечує прослизання рідини уздовж поверхні лопатей кавітатора. Виникнення цих умов обтікання позволілo різко, на 30-40%, збільшити довжину каверни і кількість кавітаційних мікропухирців, що забезпечило значне підвищення інтенсивності процесу, повністю виключило ерозію елементів змішувача.
Найкращі результати досягнуті при товщині покриття 0,1 мм для кремнийорганического покриття КНН-121. Випробування показали стійкість покриття КНН-121 в різних середовищах і змінних температурах. Інтенсивність ерозії прямо пропорційно залежить від довжини каверни (зазвичай використовується безрозмірний параметр - відносна довжина каверни, що є відношенням довжини каверни до діаметру корпусу). Величина ерозії оцінюється по зміні маси кавітатора за певний період часу.
Фіг. 1 показаний загальний вид кавитационного теплогенератора
 Фіг. 2 - переривник потоку |
 Фіг. 3 - вид А на фіг. 2 |
Кавітаційний генератор, містить корпус 1, оснащений прискорювачем руху рідини і гальмівним пристроєм; прискорювач руху рідини виконаний у вигляді проточною камери 2 з патрубком підведення 3, конфузорів 4 і патрубком 5 відведення обробленої рідини. Усередині проточною камери 2 встановлений робочий елемент у вигляді внутрішніх суперкавітірующіх лопаток 6, закріплених на ступиці 7, які по зовнішній поверхні охоплені коаксіальним циліндром 8, на зовнішній поверхні якого розташовані суперкавітірующіе лопатки 9, напрямок закручування потоку яких протилежно напрямку закручування потоку внутрішніми суперкавітірующімі лопатками 6, закріпленими на ступиці 7, а гальмівний пристрій виконано у вигляді переривника потоку з приводом, розташованим за робочим елементом по ходу потоку. Патрубок відводу 5 з'єднаний з акумулятором тепла 10, вихід якого з'єднаний з комерційним споживачем тепла 11 і мережевим насосом 12, вихід якого з'єднаний з патрубком підведення 3. Проточная камера 2 з'єднана з патрубком 5 відведення обробленої рідини через дифузор 13. Мережевий насос 12 з'єднаний з патрубком 3 через конфузор 14. Переривник потоку виконаний у вигляді дисків 15 і 16 з радіальними вікнами 17 і 18. Диск 15 встановлений нерухомо, а диск 16 встановлений на приводі 19, який з'єднаний з виконавчим механізмом (двигуном) 20. Між дифузором 13 і диском 15 встановлюються діафрагми 21. Між робочим елементом і переривачем потоку встановлено пристрій 22 відбору витрати рідини, поєднане з додатковою проточною камерою 23, всередині якої встановлений робочий елемент, що забезпечує суперкавітаційного режим течії у вигляді суперкавітірующіх лопаток 24, закріплених на ступиці 25, які по зовнішній поверхні охоплені коаксіальним циліндром 26. На зовнішній поверхні циліндра 26 розташовані суперкавітірующіе лопатки 27. У проточній камері 23 маточина 25 закріплена профілями 28, за проточною камерою по ходу потоку встановлений додатковий переривник потоку, забезпечений приводом. Згаданий переривник, складається з дисків 29 і 30 з радіальними вікнами 31 і 32. Диск 29 встановлений нерухомо, а диск 30 встановлений на приводі 33. Між диском 25 і проточною камерою 23 виконано звуження 34. Вихід проточною камери 23 з'єднаний магістраллю 35 через корпус 1 з маточиною 7, виконаної порожнистої, і колектором 36, що охоплює зовнішню поверхню проточною камери 2, що має перфорацію в зоні розміщення робочого елемента, причому в корпусі 1 перед робочим елементом встановлений Турбулізатор, виконаний у вигляді переривника потоку з приводом 37, сполученим з приводом 33 додаткового переривника потоку, який з'єднаний з приводом 19 переривника потоку.
Турбулізатор виконаний у вигляді дисків 38 і 39 з радіальними вікнами 40 і 41. Диск 38 встановлений нерухомо, і диск 39 встановлений на приводі 37.
Між мережевим насосом 12 і корпусом 1 розміщений попередньо включений кавітаційний активатор, виконаний у вигляді конфузора 14 проточною камери 42, тангенциально з'єднаної з корпусом 1, всередині якої на порожнистої маточини встановлений робочий елемент, порожниста маточина 43 з'єднана з акумулятором тепла 10, переважно у верхній точці. Робочий елемент виконаний у вигляді суперкавітірующіх лопаток 44, закріплених на порожнистої маточини 43, які по зовнішній поверхні охоплені коаксіальним циліндром 45, на зовнішній поверхні циліндра 45 розташовані суперкавітірующіе лопатки 46.
У проточній камері 42 за робочим елементом по ходу потоку встановлені сопла 47 і 43 переважно перпендикулярно напрямку потоку, входи яких з'єднані з виходом мережевого насоса 12 через вентилі 49 і 50.
Осі сопел 47 і 48 розташовані під кутом один до одного. Виконавчий механізм 20 приводів переривників з'єднаний через регулятор 51 з датчиком температури 52, причому один з входів регулятора 51 з'єднаний з датчиком звуку 53 за робочим елементом.
Турбулізатор, виконаний у вигляді переривника потоку, оснащений додатковими напрямними потоку, виконаними, наприклад, у вигляді пластин 54 (фіг. 3), встановленими на рухомої частини переривника під кутом до набігаючого потоку.
Переривник і додатковий переривник з'єднані таким чином, щоб забезпечити зміщення моменту початку імпульсів в переривнику.
Передня кромка коаксіальних циліндрів 8, 26, 45, на яких встановлені суперкавітірующіе лопатки 9, 27, 46, спрямована назустріч потоку рідини, виконана гострою, зі скошеною внутрішньою поверхнею, виконаної у вигляді плавного увігнутого профілю, а передня кромка маточини 7, 25, 43 , спрямована назустріч потоку рідини, виконана гострою, зі скошеною зовнішньою поверхнею, виконаної у вигляді плавного увігнутого профілю.
На виході теплового генератора встановлений регулятор тиску 55, вихід якого з'єднаний з виконавчим механізмом 56.
Всі вузли, що контактують з рідиною, виконані з кремній-органічних покриттям, наприклад наступного складу: Al 2 O 3 - 10-40 мас.%, Азбест - 10-30 мас.%, Слюда-мусковіт 1-10 мас.%, Сполучна - інше.
При включенні в роботу насоса 12, рідина через дифузор 14 потрапляє в проточну камеру 42 під тиском 4-8 атм, де відбувається поділ потоку. Одна частина потоку надходить на лопатки 44, де за рахунок звуження прохідного перерізу і закручування потоку швидкість потоку рідини зростає, а тиск знижується. При досягненні величини тиску насичених парів після лопаток 44 утворюється кавитационная каверна, в хвостовій частині якої утворюється поле мікропухирців. В результаті схлопування кавітаційних бульбашок виникають поля кумулятивних мікроструй зі швидкістю близько 10 5 м / с і ударними тисками до 10 5 атм.
Крім того, за рахунок закручування потоку відбувається утворення мікровіхрей, що сприяють утворенню кавітаційних бульбашок. Інша частина потоку надходить на суперкавітірующіе лопатки 46, за якими і виникають каверни, причому останні взаємодіють з каверною, утвореної лопатками 44. Через різноспрямованого закручування потоків відбувається взаємний вплив і проникнення мікровіхрей і утворилися кумулятивних мікроструй і їх ударна взаємодія. Сумарна каверна характеризується високою інтенсивністю освіти кавітаційних бульбашок, мікроструек і мікровіхрей. Частина потоку рідини після насоса 12 потрапляє в сопла 47 і 43, направленниe зустрічно. Взаємодіючи, струменя рідини утворюють каверну (кавітація по методу академіка Л. Сєдова), яка вносить додаткову нестационарность в основну каверну і інтенсифікує процес. У разі коли осі сопел 47 і 43 спрямовані під кутом один до одного, відбувається додаткове закручування потоку і як наслідок збільшується нестационарность каверни, що забезпечує зростання кількості мікропухирців. Сумарна каверна через патрубок 3 потрапляє в корпус 1, де закінчується схлопування кавітаційних бульбашок.
Гази і пари з акумулятора тепла 10 ежектірующее в порожнисту маточину 43 і потрапляють в каверну. Ці гази є центрами освіти додаткових кавітаційних бульбашок і, крім того, деаерують гарячу воду, що подається комерційному споживачеві тепла 11, що знижує корозію металоконструкцій.
Встановлено, що найбільша інтенсивність генерування кавітаційних бульбашок досягається при накладенні на кавітаційний режим течії пульсационного впливу, який забезпечується переривачем потоку рідини. При обертанні диска 35 з радіальними вікнами 41 відбувається почергове перекриття радіальних вікон 40 диска 38, що призводить до пульсації тиску потоку. Найбільший ефект проявляється при збігу частот пульсацій каверни за робочим елементом в проточній камері 42 і пульсацій тиску, викликаним переривачем потоку, тобто при резонансі частот. У цій ділянці теплогенератора відбувається генерування тепла і рідина розігрівається. Додатковим несподіваним ефектом, стало те, що на ділянці між проточною камерою 42 і проточною камерою 2 не всі бульбашки повністю схлопнулись, частина газу не встигла розчинитися в рідині, тобто перед проточною камерою 2 утворилася активована рідина, причому активація рідини проявляється двояко; нагріта рідина легше переходить в режим кавітації течії, але більш важливим є те, що вся рідина насичена активними центрами-зародками кавітаційних бульбашок. Потік рідини через конфузор 4, розганяючись, надходить на лопатки, де за рахунок звуження прохідного перерізу і закручування швидкість потоку зростає, а тиск знижується. При досягненні величини тиску насичених парів після лопаток 6 утворюється кавитационная каверна, в хвостовій частині якої утворюється поле мікропухирців. В результаті схлопування кавітаційних бульбашок виникають поля кумулятивних мікроструй зі швидкостями близько 10 5 м / с і ударними тисками до 10 5 атм. Крім того, за рахунок закручування потоку відбувається утворення мікровіхрей, що сприяють утворенню кавітаційних бульбашок (слід зазначити нестаціонарний характер хвостовій частині каверни).
Інша частина потоку рідини надходить на суперкавітірующіе лопатки 2, за якими і виникає каверна, причому остання взаємодіє з каверною, утвореної лопатками 6. З огляду на різноспрямованого закручування потоків відбувається взаємне проникнення кавітаційних мікроструек і їх ударна взаємодія. Крім того, спостерігається взаємодія мікровіхрей. Сумарна каверна характеризується високою інтенсивністю освіти кавітаційних бульбашок, мікроструек і мікровіхрей. Хвостова частина сумарної каверни і має нестаціонарний характер. Встановлено, що найбільша інтенсивність генерування тепла досягається при накладенні на кавітаційний режим течії пульсационного режиму, який забезпечується переривачем потоку. При обертанні диска 16 з вікнами відбувається почергове перекриття радіальних вікон 17 диска 15, що призводить до пульсації потоку. Найбільший ефект проявляється при збігу частот пульсацій хвостовій частині каверни і пульсацій витрати, тобто при резонансі. В этом случае значительно повышается интенсивность кавитационных шумов, которые передаются корпусу смесителя и воспринимаются первичным преобразователем 53 (например, пьезоэлектрический гидрофон). Аналоговый выходной сигнал первичного преобразователя 53 поступает на вход вторичного показывающего и регистрирующего прибора 51, имеющего блок регулирования напряжения. В качестве двигателя 20 выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с включенными в сеть статора дросселями насыщения. Интенсивность шума, измеряемого блоком 53, преобразуется в напряжение и с помощью регулятора 51 управляют частотой вращения двигателя 20 за счет изменения частоты вращения пульсатора (следовательно, и частотой генерируемых пульсаций).
У табл. 1 приводятся сравнительные ( с ac СССР N 1083782 ) данные испытаний.
Зону схлопывания кавитационных микропузырьков определяют непосредственным измерением по уровню кавитационных шумов. В зоне схлопывания интенсивность шумов наивысшая, и, перемещая датчик шумомера вдоль проточного участка, определяют местоположение зоны схлопывания. С другой стороны, схлопывание кавитационных пузырьков происходит в области изменения сечения потока, а именно в области диффузора 13. В этом месте происходит уменьшение кинетической энергии потока с увеличением потенциальной энергии. Скорость потока снижается, а давление увеличивается, что и определяет энергию и место схлопывания кавитационных пузырьков.
Использование прерывателя приводит к пульсации как расхода, так и давления потока и, что очень важно, после рабочего элемента по ходу потока. Кавитатор и поток несжимаемой жидкости до кавитатора служат демпфером. После кавитатора по ходу потока образуется жидкогазовая среда, которая сжимается. Таким образом, пульсации воздействуют на каверну, вызывая увеличение нестационарности каверны, и интенсифицируют схлопывание пузырьков, и за счет сжимаемости почти не сказываются во всем сечении потока (каверны).
Измеритель температуры 52 корректирует управляющий сигнал регулятора 51, корректируя частоту вращения двигателя 20 при изменении температуры в патрубке 5.
Пульсации давления жидкости, генерируемые на диске 15, воздействуют на каверну образованную за рабочим элементом в проточной камере 2 через диафрагму 21. Диафрагма 21 играет двоякую роль: она служит и для создания повышенного давления за проточной камерой 2, и при воздействии пульсаций давления диском 15 перед диафрагмой генерируются вторичные пульсации давления. Таким образом, между проточной камерой 2 и диском 15 образуется два объема жидкости, где происходят ударные пульсации давления, что значительно интенсифицирует процесс схлопывания кавитационных пузырьков, а значит и процесс генерирования тепла. Нагретая жидкость через патрубок 5 отводится в аккумулятор тепла 10, откуда подается коммерческим потребителям тепла 11. На выходе патрубка 5 установлен исполнительный механизм 56, регулирующий величину давления в патрубке 5, Управляющий вход исполнительного механизма 56 соединен с регулятором давления 55, управляющий величиной давления в патрубке 5. Таким образом, поддерживается общее избыточное давление в теплогенераторе, что на всех стадиях интенсифицирует процесс.
Между диафрагмой 21 и диском 15 установлено устройство 22 отбора жидкости, соединенное с проточной камерой 23. Жидкость через устройство 22 поступает в проточную камеру 23, где происходит разделение потока жидкости. Одна часть потока жидкости поступает на лопатки 24, где за счет сужения проходного сечения и закручивания потока скорость жидкости возрастает, а давление понижается. При достижении величин давления насыщенных паров после лопатки 24 образуется кавитационная каверна, в хвостовой части которой образуется поле микропузырьков. В результате схлопывания кавитационных пузырьков возникают поля кумулятивных микроструй со скоростями порядка 10 5 м/с и ударными давлениями до 10 5 атм . Кроме того, за счет закручивания потока происходит образование микровихрей, способствующих образованию кавитационных пузырьков. Другая часть потока жидкости поступает на суперкавитирующие лопатки 27, за которыми и возникает каверна, причем последняя взаимодействует с каверной, образованной за лопатками 24. Ввиду разнонаправленного закручивания потоков происходит взаимное проникновение кавитационных микроструек и их ударное взаимодействие. Кроме того, происходит взаимодействие микровихрей. Суммарная каверна характеризуется высокой интенсивностью образования кавитационных пузырьков, микроструек и микровихрей.
Установлено, что наибольшая интенсивность генерирования тепла достигается при наложении на кавитационный режим течения пульсационного режима, который обеспечивается прерывателем потока. При вращении диска 30 с окнами 32 происходит поочередное перекрытие радиальных окон 31 диска 29, что приводит к пульсации давления потока жидкости. Наибольший эффект происходит при совпадении частот пульсаций хвостовой части каверны и пульсаций давления жидкости, т.е. при резонансе частот. Разогретая жидкость из проточной камеры 23 через магистраль 35 поступает через полую ступицу 7 в каверну за рабочим элементом в проточной камере 2. Из магистрали 35 через кольцевой коллектор 36 жидкость поступает в область каверны снаружи ее в зону интенсивного генерирования тепла. Разогрев жидкости в проточной камере 23, наличие несхлопнувшихся пузырьков и нерастворившихся газов активируют жидкость, с которой они попадают по оси внутрь каверны и через кольцевой коллектор 36 снаружи каверны и создают условия для дальнейшего увеличения количества генерируемых пузырьков.
Таким образом, на рабочий элемент, расположенный в проточной камере 2, активированная разогретая жидкость подается в три области: на суперкавитирующие лопатки 6 и 9; полую ступицу 7; снаружи каверны через кольцевой коллектор 36, что создает условия генерирования максимально возможного количества кавитационных пузырьков и как следствие генерирования максимального количества тепла.
Розміщення пластин 54 на диску 39 під кутом до набігаючого потоку забезпечує додаткову турбулізацію потоку за диском 39, чим досягається рівномірність розподілу нерастворившихся газів в рідині і сприяє підвищенню її однорідності. Крім того, розташування пластин 54 під кутом дозволяє використовувати для обертання рідини частина енергії потоку.
Зсув моменту початку імпульсів в переривнику дозволяє подавати максимальну кількість активованої рідини в проточну камеру 2 в момент перекриття вікон 17 і 18, збільшуючи цим амплітуду пульсацій.
Виконання внутрішньої поверхні коаксіальних циліндрів 45, 26, 8 у вигляді плавного увігнутого профілю дозволяє знизити гідравлічний опір циліндрів, плавно стиснути потік до осі, знизивши тертя об стінки циліндра. На додаток до цього виконання маточин 43, 25, 7 з зовнішньою поверхнею у вигляді плавного увігнутого профілю формує потік, направляючи його на лопатки 44, 24, 6 - відповідно.
Установка на виході теплового генератора за патрубком 5 регулятора тиску дозволяє при інших рівних умовах підтримувати надлишковий тиск, необхідне для інтенсивного генерування тепла.
Використання для покриття внутрішніх поверхонь кремнійорганічних покриттів дозволяє знизити енерговитрати теплового генератора, підвищити ресурс його роботи. Дані випробувань зведені в табл. 2. У табл. 3 наведені склади КОП (кремнийорганического покриття).
У табл. 4 наведені параметри, що визначають отримання позитивного ефекту, в залежності від складу покриття. Слід зазначити, що початкова ерозія, навіть незначна, призводить до ланцюгової реакції руйнування кавітатора.
Випробування пропонованого покриття показали його надійність і ефективність.
Необхідно відзначити, що відомі покриття нестійкі до впливу змочуючих речовин, що призводить до інтенсивного зносу покриття, і, крім того, поверхня цих покриттів характеризується такою шорсткістю, яка негативно впливає на ефективність роботи кавітатора.
У той же час пропонується покриття при надзвичайно високій стійкості до механічного зносу і високу термостійкість і хімічну стійкість відрізняється підвищеною гладкістю. Це підвищує ефективність роботи за рахунок збільшення довжини каверни при незмінній витраті.
Наведений склад покриття, дозволив отримати найкращі умови роботи (т. Е. Досягти максимальної довжини каверни при стабільному витраті) кавитационного теплогенератора при підвищенні механічної міцності і термохімічної стійкості.
Промислова придатність запропонованого винаходу гарантується, оскільки при його використанні значно підвищується ефективність теплогенерації, особливо в технологічних виробництвах зі змінною продуктивністю.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Кавітаційний теплової генератор, що містить корпус, оснащений прискорювачем руху рідини і гальмівним пристроєм, який відрізняється тим, що прискорювач руху рідини виконаний у вигляді проточною камери з патрубком підведення, конфузорів і патрубком відведення обробленої рідини, всередині проточної камери встановлено робочий елемент у вигляді суперкавітірующіх лопаток, закріплених на ступиці, які по зовнішній поверхні охоплені коаксіальним циліндром, на зовнішній поверхні циліндра розташовані суперкавітірующіе лопатки, напрямок закручування потоку яких протилежно напрямку закручування потоку внутрішніми суперкавітірующімі лопатками, закріпленими на ступиці, а гальмівний пристрій виконано у вигляді переривання потоку з приводом, розташованим за робочим елементом по ходу потоку, патрубок відводу з'єднаний з акумулятором тепла, вихід якого з'єднаний з комерційним споживачем тепла та мережевим насосом, вихід якого з'єднаний через корпус з патрубком підведення.
Генератор по п. 1, який відрізняється тим, що між робочим елементом і переривачем потоку встановлено пристрій відбору витрати рідини, поєднане з додатковою проточною камерою, всередині якої встановлений робочий елемент, що забезпечує суперкавітаційного режим, за яким по ходу потоку встановлений додатковий переривник потоку з приводом, вихід проточної камери з'єднаний через корпус з маточиною, виконаної порожнистої, і колектором, що охоплює зовнішню поверхню проточною камери, забезпечену перфорацією в зоні розміщення робочого елемента, причому в корпусі перед робочим елементом встановлений Турбулізатор, виконаний у вигляді переривника потоку з приводом, при цьому всі приводи переривників відповідних потоків пов'язані між собою.
Генератор по п.1 і 2, що відрізняється тим, що між мережним насосом і корпусом розміщений попередньо включений кавітаційний активатор, виконаний у вигляді конфузора, проточною камери, тангенциально з'єднаний з корпусом, всередині якої на порожнистої маточини встановлений робочий елемент, порожниста маточина сполучена з акумулятором тепла переважно у верхній точці.
Генератор по п.3, що відрізняється тим, що в проточній камері за робочим елементом по ходу потоку встановлені сопла переважно перпендикулярно напрямку потоку, входи яких з'єднані з виходом мережевого насоса.
Генератор по п.4, що відрізняється тим, що осі сопел розташовані під кутом один до одного.
Генератор по п.1 - 5, що відрізняється тим, що виконавчий механізм приводу переривників з'єднаний через регулятор з датчиком температури, причому один з входів регулятора з'єднаний з датчиком звуку за робочим елементом.
Генератор по п.2, що відрізняється тим, що Турбулізатор, виконаний у вигляді переривника потоку, оснащений додатковими напрямними потоку, виконаними, наприклад, у вигляді пластин, встановленими на рухомої частини переривника під кутом до набігаючого потоку.
Генератор по п.2, що відрізняється тим, що переривник і додатковий переривник з'єднані із забезпеченням зміщення моменту початку імпульсів в переривнику.
Генератор по пп.1 - 8, який відрізняється тим, що передня кромка коаксіальних циліндрів, спрямована назустріч потоку рідини, виконана гострою, зі скошеною внутрішньою поверхнею, виконаної у вигляді плавного увігнутого профілю, а передня кромка маточини, спрямована назустріч потоку рідини, виконана гострою, зі скошеною зовнішньою поверхнею, виконаної у вигляді плавного увігнутого профілю
Генератор по пп. 1 - 9, який відрізняється тим, що на виході теплового генератора встановлений регулятор тиску.
Генератор по пп.1 - 9, який відрізняється тим, що всі вузли, що контактують з рідиною, виконані з кремнийорганическим покриттям.
Версія для друку
Дата публікації 08.11.2006гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.