Патент на изобретение №2204762

(54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ КАВИТАЦИИ В ОБЪЕМЕ ЖИДКОЙ СРЕДЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к созданию и развитию универсальных технологий, к которым относится и процесс кавитации, возбуждаемый в жидкой среде, может применяться в областях машиностроения, энергетики, химии и т.п. и позволяет повысить технологические возможности кавитации с одновременным увеличением ее энергетического потенциала. В способе возбуждения кавитации в объеме жидкой среды путем создания в ней растягивающих напряжений указанный технический результат достигается тем, что среду растягивают, увеличивая ее объем от первоначального не менее чем на 2%, сочетая при этом растяжение со сжатием в режиме циклической нагрузки, причем используют режим циклической нагрузки с отрицательным коэффициентом асимметрии цикла и частотой от 1 до 400 Гц. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области создания и развития универсальных технологий, к которым относится и процесс кавитации, возбуждаемый в жидкой среде. Сфера применения кавитации как технологического средства, отличающегося высокой энергонасыщенностью, весьма широка. Она может эффективно применяться в областях машиностроения, энергетики, химии и т.п.

Традиционно кавитацию вызывают генерированием интенсивных звуковых волн в жидкости. Такие волны создают чередующиеся области сжатия (уплотнения) и разрежения, в которых образуются пузырьки диаметром 30-300 мкм. Пузырьки имеют свойство резко схлопываться менее чем за одну микросекунду, так, что содержащаяся в них парогазовая смесь нагревается до 5500^oC и выше. Кроме того, схлопывание сопровождается ударной волной, на фронте которой развивается давление до 1000 атм и выше. Тепловой и динамический факторы, сопровождающие кавитацию, нашли широкое применение в различных отраслях производства.

Наиболее бурно развиваемой областью применения кавитации является теплоэнергетика. Известен способ возбуждения кавитации в жидкой среде для целей теплогенерации, который состоит в том, что воду подают на вход вихревой трубы теплогенератора, аналогичной по конструкции вихревой трубе Ранке, развивая давление на входе до 6 атм. В улитке вихревой трубы поток воды закручивается в вихревой столб, который вращаясь, перемещается вдоль стенок трубы к так называемому горячему концу, перед выходным отверстием которого установлено тормозное устройство, представляющее собой соосную вихревой трубе втулку с рядом ребер, ориентированных радиально оси трубы [1]. При торможении вращения вихревого потока воды на ребрах тормозного устройства возникает кавитация. Сопровождающие ее звуковые колебания резонансно усиливаются на частотах, совпадающих с собственными частотами звуковых колебаний столба воды в цилиндрической части вихревой трубы.

В описанном аналоге коэффициент преобразования энергии достигает значений от 1,3 до 2,0, однако работа устройства не отличается стабильностью, так как весьма сложно настроить на резонанс генерируемые на тормозном устройстве звуковые колебания с собственными частотами колебаний столба воды, формирующегося в вихревой трубе. Незначительные колебания давления воды на входе в трубу ведут к разбалансировке по частоте акустических колебаний и даже малое рассогласование резко снижает уровень кавитационного процесса или приводит к его полному прекращению. Как всякий гидродинамический процесс, особенно связанный с необходимостью совмещения частотных характеристик, способ-аналог требует тонкой настройки, высокой точности конструктивного оформления: даже положение втулки на вихревой трубе, ориентация ее ребер может повлиять на частоту вынужденных колебаний, увеличив или уменьшив их относительно собственной частоты колебаний столба воды в трубе. Кавитационный износ ребер способен также повлиять на частоту вынужденных колебаний. Таким образом, описанный способ возбуждения кавитации в жидкой среде не отличается высокой стабильностью и надежностью. Кроме того, такой способ кавитации резко снижает технологические возможности этого процесса, в частности, его нельзя применять в областях: машиностроения – для поверхностной обработки изделий; химии – в процессе синтеза различных веществ – из-за нетехнологичности и малого объема создаваемого кавитационного поля. Следует отметить как недостаток и то, что энергетическая эффективность создаваемого кавитационного поля, определяемая числом пузырьков в единице объема среды (например, в одном кубическом сантиметре), не поддается аналитическому определению и может быть установлена лишь по конечному полезному результату. При этом, этот способ имеет малую эффективность преобразования подведенной энергии (мощности) в энергию кавитационного поля (см. фиг.1 “гидродинамический способ”).

Большей стабильностью и надежностью по отношению к вышеописанному аналогу отличается способ создания кавитации, предложенный в источнике [2]. В последнем решается задача получения энергии, которая включает подачу вещества в жидкой среде и создание в этой среде кавитационных пузырьков. Процесс создания кавитации состоит в том, что в среде периодически изменяют давление, которое имеет постоянную и переменную составляющие, находящиеся между собой в определенных соотношениях. При этом, в качестве одного из параметров в этих соотношениях использована прочность на разрыв обрабатываемой среды. Технически способ реализуется с помощью ряда последовательно установленных центробежных насосов, которые выполняют функции ультразвуковых активаторов. На периферии каждого из насосов закреплены роторы в виде перфорированных колец, коаксиально которым установлены неподвижные статоры, представляющие собой такие же перфорированные кольца. В процессе вращения рабочего колеса центробежного насоса обрабатываемой среде сообщается кинетическая энергия, которая частично преобразуется в статическое давление, а частично – в переменное, что возможно при периодическом совпадении перфораций ротора и статора. В последнем случае, среда под большим давлением и высокой скоростью выбрасывается на периферию каждого центробежного насоса, образуя несколько зон кавитации. При прохождении среды через перфорации в потоке возникают ультразвуковые колебания, способствующие зарождению кавитационных пузырьков. Простота и надежность конструктивных средств реализации способа трансформируется и в стабильность получаемого кавитационного поля на выходе из каждого центробежного насоса, т.е. среда в таком кавитационном реакторе более эффективно подвергается обработке и, при этом, исключается необходимость настройки и поддержания резонансных режимов. Однако, как и в случае с первым аналогом, об эффективности этого способа можно судить лишь по конечному результату и не представляется возможным варьировать параметрами кавитационного процесса, меняя энергонасыщенность этого поля.

Этому способу присущи типичные для гидродинамических кавитаторов недостатки (см. фиг.1 “гидродинамический способ”):
– процесс сопровождается высокоскоростными турбулентными потоками, что приводит к искажению звуковых волн и потере энергии за счет противофазных микровихрей турбулентных потоков;
– подавляющая часть энергии от источника затрачивается на динамическое сопротивление жидкой среды, которое обусловлено разгоном и торможением макро- и микровихрей (так называемая реактивная энергия);
– значительные потери на тепловыделение за счет трения между потоками (внутреннее трение) и между внутренними поверхностями устройства и жидкой средой;
– малый объем кавитационного поля, что ограничивает применение этого способа только обработкой жидкой среды для получения энергии.

Как наиболее близкий по физической сущности, в качестве прототипа предлагаемому изобретению выбран способ ультразвукового возбуждения кавитации или акустическая кавитация [3]. Рост и сокращение пузырьков происходит с частотой, равной частоте изменения давления, т.е. частотой распространяющейся звуковой волны. Пузырьки возникают и растут во время периодов разрежения. Давление в положительной фазе может привести к полному исчезновению пузырьков (захлопыванию). Этот процесс порождает в жидкостях гидродинамические возмущения, интенсивное излучение аккустических волн. Напряжение растяжения, необходимое для разрыва жидкости и образования кавитациониых пузырьков, зависит от количества примесей различного рода (газ, твердые включения и т.д.). Наличие микроскопических газовых пузырьков в реальной жидкости способствует зарождению кавитационных пузырьков. Микроскопический пузырек, попадая в область разрежения, сильно расширяется в результате того, что давление содержащихся в нем пара и газа оказывается больше давления в жидкости и давления за счет поверхностного натяжения. При захлопывании пузырьков в кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде сильных импульсов сжатия (микроударных волн) и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками. Захлопывание пузырьков сопровождается локальным разогревом вещества.

Достоинством акустической кавитации является то, что в ней отсутствуют гидродинамические потери, присущие предыдущему аналогу. Кроме того, достоинством акустической кавитации является постоянство зоны ее действия, однако она невелика и эффективность ее ограничивается несколькими сантиметрами от поверхности излучателя. Увеличение эффективной зоны действия требует непропорционального увеличения мощности, концентрируемой на излучателе. Наиболее применяемым диапазоном частот для создания кавитации является диапазон от 16 до 60 кГц. Максимальная амплитуда колебаний в лучшем случае достигает 0,1 мм, т. е. можно утверждать, что в течение действия на жидкость отрицательной полуволны переменного давления собственно жидкость подвергается растяжению на 0,1 мм. Получаемое увеличение объема есть не что иное, как общий объем пустот всех кавитационных пузырьков, образующихся в жидкости. Если учесть, что оптимальным, с точки зрения технологической, является размер пузырька в 100-150 мкм [4], то при средней длине волны в 76 мм на частоте 20 кГц насыщенность жидкости кавитационными пузырьками достигает 3,310⁵ 1/см³. Именно эта цифра и определяет энергетический потенциал акустического способа получения кавитации.

Основным недостатком этого способа является то, что эта цифра является критической и любые изменения параметров акустической кавитации с целью повышения ее эффективности приводит к непропорциональному увеличению энергозатрат.

Практическая эффективность ультразвукового способа возбуждения кавитации является низкой из-за (см. фиг.1 “ультразвуковой способ”):
– дисперсного рассеивания энергии за счет внутреннего трения;
– фазового рассеивания звуковых волн (потери на реактивную мощность);
– ограниченной мощности энергетического потока через жидкую среду, обусловленную слабыми упругими свойствами последней.

Среди других недостатков следует отметить также то, что акустические волны, распространяясь по жидкой среде, имеют скорость намного выше, чем время жизни кавитационных пузырьков, что способствует увеличению их размеров больше, чем 100-150 мкм, снижая в конечном итоге эффективность от их схлопывания.

Таким образом, целью изобретения является повышение технологических возможностей кавитации, а также увеличение ее энергетического потенциала.

Цель, согласно изобретения, достигается за счет того, что в способе возбуждения кавитации в объеме жидкой среды, последнюю растягивают любым известным способом, увеличивая ее объем от первоначального не менее чем на 2% без учета упругой деформации, сочетая при этом растяжение со сжатием в режиме циклической нагрузки с отрицательным коэффициентом асимметрии цикла и частотой от 1 до 400 Гц. Нагрузку прикладывают в вибро-резонансном режиме, учитывая массу среды и ее упругость в собственной частоте колебаний вибрирующей системы, которую образуют из объема собственно среды, ограниченного замкнутой емкостью, имеющей часть внутренней поверхности подвижной и связанной с силовым приводом. При этом, внутренние поверхности замкнутой емкости выполнены из материала с повышенным Ван-дер-Ваальсовским взаимодействием. Интенсивность кавитации регулируют величиной амплитуды изменения объема.

Принципиальным в предлагаемом способе является то, что возбуждение кавитации изменением объема жидкой среды в виброрезонансном режиме позволяет получить устойчивое и регулируемое кавитационное поле, которое охватывает равномерно весь объем. Этому способствует и то, что связь между молекулами среды и материала поверхности стенки емкости выше прочности среды на разрыв или растяжение. Качество кавитационного поля, его энергонасыщенность будет в несколько раз больше, чем у аналогов. Гарантирует такое положение увеличение объема среды не менее чем на 2% от первоначального, что в конечном итоге позволяет иметь амплитуду изменения этого объема более 0,1 мм и зависит от величины самого объема среды. Так при определенных условиях, амплитуда может достигать значений 2-5 мм, что недостижимо никакими другими методами возбуждения кавитации. Следует отметить, что, для упрощения, под амплитудой изменения объема понимается амплитуда колебательного движения части подвижной внутренней поверхности емкости, имеющей постоянную площадь, в силу чего изменение объема может быть охарактеризовано его переменным геометрическим параметром, т.е. амплитудой колебательного движения подвижной части емкости. Энергоемкость процесса растяжения среды в предлагаемом способе значительно ниже, чем у всех известных аналогов, за счет применения вибро-резонансного режима, в создании которого учитываются масса среды и ее упругие свойства. При этом, исключаются потери энергии на гидродинамику и передача энергии от источника возбуждения к навигационному пузырьку осуществляется через весь объем жидкости одновременно, что исключает практически все реактивные силы (инерционные) и минимизирует активные (трение) – при переходе приложенной энергии в энергию кавитационного поля (см. фиг.1 “предлагаемый способ”). Как указывалось выше, амплитуда изменения объема характеризует суммарный объем пустот кавитационных пузырьков и изменением этой амплитуды в сочетании со сжатием среды в циклическом режиме можно гибко и в широких пределах регулировать технологические возможности кавитационного процесса.

На прилагаемых к описанию чертежах изображены:
– на фиг. 1 – сравнительная схема преобразования энергии при различных способах возбуждения кавитации;
– на фиг. 2 – графическое изображение предпочтительного цикла силового воздействия на объем жидкой среды для возбуждения кавитации по предлагаемому способу;
– на фиг.3 – вариант конструкции вибрирующей системы для возбуждения кавитации в объеме жидкой среды.

Для реализации предлагаемого способа жидкую среду 1 помещают в замкнутую герметичную емкость 2 (см. фиг.3), причем таким образом, чтобы в последней отсутствовали воздушные полости или каверны над поверхностью среды. Это достигается тем, что часть внутренней поверхности выполняют подвижной, в частности, в виде поршня 3, который посредством штока 4 связан с вибро-резонансным электрическим двигателем 5. В поршне 3 смонтирован клапан 6, через который воздух и/или пары из емкости 2 стравливаются наружу при сжатии среды 1. Для конструктивного упрощения емкость 2 содержит цилиндрическую полость, а поршень 3 установлен в ней с возможностью возвратно-поступательного перемещения с полной герметизацией его кольцевой части. Поршень 3 может быть выполнен в виде мембраны. Таким образом, изменение объема жидкой среды осуществляется перемещением поршня и в количественном отношении изменение объема может быть охарактеризовано амплитудой его колебаний. Для растяжения жидкой среды до момента начала образования кавитационных пузырьков, в зависимости от объема емкости, требуется значительное усилие, которое реализуется силовым приводом 5, жестко связанным с поршнем 3. Двигатель 5 совместно с поршнем 3, включая объем жидкой среды, образуют вибрирующую систему, настроенную на резонансный режим работы, т.е. в частоте свободных колебаний системы учтены масса и упругость не только электромеханической части, но и жидкой среды. Вышесказанное позволяет вывести всю вибрирующую систему в резонансный режим работы, т.е. с минимальным потреблением энергии на силовом приводе и максимальным усилием на поршне. Характер и особенности работы вибро-резонансного привода изложены в источнике [5].

Реализуется способ возбуждения кавитации следующим образом.

Емкость 2 заполняют жидкой средой 1, после чего включают силовой привод 5 в работу и поршню 3 придают возвратно-поступательные перемещения. На фазе сжатия жидкой среды в течение первых 2-3 циклов из емкости 2 будет удален через клапан 6 свободный воздух и/или пар. После чего, внутренняя поверхность поршня по всей его площади войдет в соприкосновение с жидкой средой и на фазе растяжения начнется приложение растягивающего усилия по всему объему среды. Внутренние поверхности емкости выполнены из материала, имеющего хорошую смачиваемость с жидкой средой, или, другими словами, повышенное Ван-дер-Ваальсовское взаимодействие на молекулярном уровне между молекулами жидкой среды и материалом емкости. Такое положение позволяет осуществить равномерное и надежное растяжение всего объема жидкой среды, так как сила упомянутого молекулярного взаимодействия окажется выше прочности связи молекул самой жидкой среды. Приложение растягивающей нагрузки сочетают со сжимающей нагрузкой в режиме циклической знакопеременной нагрузки, или циклической нагрузки с отрицательным коэффициентом асимметрии цикла, как это показано на фиг.2, т.е. имеет место асимметричная нагрузочная циклограмма, где V_o – первоначальный объем жидкой среды при атмосферном давлении, а V – увеличение объема при растяжении не менее чем на 2%. Сочетание растяжения и сжатия является необходимым условием надежного возбуждения кавитации, так как в соответствии с законом Баушингера предварительное сжатие структурированного объекта (а к таким относятся жидкие среды, в частности, вода) на 20-30% снижает его прочность при последующем растяжении. Кроме того, сжатие в циклическом режиме влияет на энергетику кавитационного процесса в целом. Интенсивность кавитации может регулироваться амплитудой изменения объема жидкой среды, что практически осуществляется воздействием на силовой привод в плане изменения амплитуды возвратно-поступательного движения поршня. Независимо от площади поршня, его вытесняющая способность должна обеспечивать изменение объема жидкой среды в заданных пределах, т.е. не менее 2% первоначального объема жидкой среды.

Об эффективности предлагаемого способа можно судить по расчету количества кавитационных пузырьков в сравнении с наиболее эффективным режимом ультразвукового метода возбуждения кавитации, который характеризуется частотой 20 кГц при длине полуволны разрежения – 3,8 см и амплитуде – 0,1 мм.

Так, первоначальный изолированный объем жидкости в пределах полуволны разрежения определяется выражением:
V_oy=S_yL_y,
где S_y – единица площади, равная 1 см²;
L_y – длина полуволны, равная 3,8 см.

В процессе волнового воздействия на жидкую среду под действием излучателя первоначальный объем среды изменится на величину:
V_y=S_yA_y,
где А_y – амплитуда колебаний излучателя в см.

Определим общее количество кавитационных пузырьков, составляющих объем V_y:
N_y = V_y/V_к.п.,
где V_к.п. – объем единичного кавитационного пузырька со средним диаметром 150 мкм, равный 810^-9 см³.

Далее, определяется число кавитационных пузырьков в удельном объеме:
N_уд=N_y/V_oy=3,30⁵ 1/см³.

Таким образом, в лучшем случае, при ультразвуковом способе возбуждения кавитации, интенсивность последней будет характеризоваться вышеприведенным числом пузырьков.

Если осуществить возбуждение кавитации в том же объеме, но по предлагаемому способу число кавитационных пузырьков увеличится почти на порядок и составит – 2,510⁶ 1/см³, что способно резко повысить энергетическую составляющую кавитационного процесса, а значит и его технологические возможности.

В ООО НПП “ВРТ” были проведены в лабораторных условиях сравнительные испытания предложенного способа и ультразвукового на процессе получения гидротоплива. Энергетика и плотность кавитационного поля по предлагаемому способу дали ранее недостижимые технологические результаты: химическими анализами не устанавливалось наличие свободной воды и отсутствовало расслоение со временем даже при нагреве до 80^oС. В то время как гидротопливо, полученное с помощью ультразвука, содержало свободную воду и имело тенденцию к расслоению со временем без нагрева.

Источники информации
1. Патент РФ 2165054, кл. F 24 J 3/00, опубликован 2001.04.10.

2. Патент РФ 2054604, кл. F 24 J 3/00, опубликован 1996.02.20.

3. Справочник “Физические эффекты в машиностроении”, Москва, Машиностроение, 1993, с.118-120 – прототип.

4. Журнал “В мире науки”, статья “Химические эффекты ультразвука”, 4, 1989 г., с.6.

5. Авторское свидетельство 828932, кл. Н 02 К 33/12, опубликован 1981.01.07.

Формула изобретения

1. Способ возбуждения кавитации в объеме жидкой среды путем создания в ней растягивающих напряжений, отличающийся тем, что среду растягивают, увеличивая ее объем от первоначального не менее чем на 2%, сочетая при этом растяжение со сжатием в режиме циклической нагрузки, причем используют режим циклической нагрузки с отрицательным коэффициентом асимметрии цикла и частотой от 1 до 400 Гц.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрузку прикладывают в вибро-резонансном режиме, учитывая массу среды и ее упругость в собственной частоте колебаний вибрирующей системы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивность кавитации регулируют величиной амплитуды изменения объема среды.

4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что вибрирующую систему образуют из объема среды, ограниченной замкнутой емкостью, имеющей часть внутренней поверхности, выполненной подвижной и связанной с силовым приводом.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что внутренние поверхности замкнутой емкости выполнены из материала с повышенным Ван-дер-Ваальсовским взаимодействием.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.07.2006

Извещение опубликовано: 10.06.2007 БИ: 16/2007

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.12.2008

Извещение опубликовано: 27.12.2008 БИ: 36/2008