СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ КАВИТАЦИИ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ Российский патент 2006 года по МПК F24J3/00 B06B1/20 

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°С 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.

Известен способ создания кавитации, предназначенный для получения энергии. Процесс создания кавитации состоит в том, что в жидкой 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 (RU 2054604 С1, 20.02.1996, F 24 J 3/00).

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 с 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.

Однако об эффективности этого способа можно судить лишь по конечному результату и не представляется возможным варьировать качество технологического процесса, потому что отсутствует возможность изменять параметры кавитации, а следовательно, и энергонасыщенность кавитационного поля. Среди других недостатков следует отметить следующее:

- 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.

Более совершенным способом получения кавитации в сравнении с вышеописанным аналогом является способ ультразвукового возбуждения кавитации или акустическая кавитация (Справочник "Физические эффекты в машиностроении", М.: Машиностроение, 1993, с.118-120). 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. Напряжение растяжения, необходимое для разрыва жидкости и образования кавитационных пузырьков, зависит от количества примесей различного рода (газ, твердые включения и т.п.). 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, преимуществом 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 (Журнал "В мире науки", статья "Химические эффекты ультразвука", №4, 1989, с.54-61), то при средней длине волны в 76 мм на частоте 20 кГц насыщенность жидкости кавитационными пузырьками достигает 3,3×10⁵ 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 приводят к непропорциональному увеличению энергозатрат. Кроме того, практическая эффективность описанного способа является низкой из-за

- 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.

Способ, выбранный в качестве прототипа предлагаемому изобретению, состоит в том, что возбуждение кавитации осуществляют изменением объема жидкой среды в режиме циклической нагрузки, в результате чего в среде создаются чередующиеся растягивающие и сжимающие напряжения. Если учесть, что нагрузка создается в вибрационном режиме, то в целом появляется возможность получить устойчивое и регулируемое кавитационное поле, которое равномерно охватывает весь объем (RU 22004762 С2, 20.05.2003, F 23 К 5/08). Регулирование интенсивности кавитационного воздействия осуществляется изменением частоты и амплитуды изменения нагрузки. Качество кавитационного поля, его энергонасыщенность в несколько раз больше, чем у вышеописанных 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. 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 описываемом способе значительно ниже, чем у всех известных аналогов, за счет применения виброрезонансного 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 кавитационному 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. 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. Как показали расчеты, по предлагаемому способу число кавитационных пузырьков увеличится почти на порядок и составит 2,5×10⁶ 1/см³.

Обладая несомненными преимуществами перед аналогами, способ-прототип тем не менее не реализует в полной мере возможности по повышению плотности кавитационного поля, которое определяется количеством кавитационных пузырьков в единице объема. Именно этот фактор определяет эффективность любой технологии, использующей кавитацию, в любой отрасли промышленного производства, будь то химия, машиностроение, энергетика и т.п. Как указывалось выше, «напряжение растяжения, необходимое для разрыва жидкости и образования кавитационных пузырьков, зависит от количества примесей различного рода, среди которых можно особо выделить газ как фазу, которой насыщены практически все жидкие среды и, особенно, вода. Количество растворенного газа в жидкости зависит от многих факторов, основным из которых является температура. С повышением последней растворимость газов значительно уменьшается, как уменьшается и насыщенность газом жидкости. Процесс кавитации сопровождается значительным выделением тепла, а следовательно, и подъемом температуры жидкой среды, что ведет к общему уменьшению количества газов, которое предназначается для формирования зародышей, перерастающих в кавитационные пузырьки. Во всех известных процессах возбуждения кавитации, включая и прототип, не предусматривается обогащение жидкой среды фазой, служащей основой кавитационных пузырьков. Другими словами, не применяются какие-либо технико-технологические средства интенсификации кавитационного процесса, стимулирующие увеличение количества кавитационных пузырьков.

Таким образом, задачей изобретения является повышение технологической эффективности кавитационного процесса за счет активного (принудительного) стимулирования роста количества кавитационных пузырьков в единице объема.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе возбуждения кавитации в жидкой среде, заключенной в замкнутый объем, путем создания чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в режиме циклической нагрузки, создаваемой путем изменения объема, через жидкость пропускают переменный электрический ток, частота которого больше частоты приложения циклической нагрузки, по меньшей мере, в четыре раза. Кроме того, электрический ток подают импульсно во время цикла сжатия на стадии уменьшения величины последнего.

Техническая сущность изобретения состоит в том, что при пропускании переменного электрического тока через жидкость в рабочем кавитационном процессе происходит электролиз воды с образованием мелких газовых пузырьков, наполненных атомами водорода и кислорода, которые являются зародышами кавитационных пузырьков. Согласование особым образом частот приложения циклической нагрузки и электрического переменного тока, а также то, что последний подают импульсно во время цикла сжатия на стадии его уменьшения, позволяет оптимизировать процесс электролиза и исключить его возможное негативное влияние на кавитационный процесс в целом.

На прилагаемых к описанию чертежах изображены:

на фиг.1 - упрощенный вариант конструкции установки для возбуждения кавитации в объеме жидкой среды;

на фиг.2 - совместное графическое изображение согласованных циклов нагружения жидкой среды растягивающими и сжимающими напряжениями и циклов переменного электрического тока, пропускаемого через эту среду.

Для реализации предлагаемого способа жидкую среду 1 помещают в замкнутую герметичную полость 2 (см. фиг.1), 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. Поршень 3 электрически изолирован от емкости 2 с помощью нанесенного на его цилиндрическую образующую поверхность слоя 6 из специального материала. На внешней стороне поршня смонтирован клапан 7, 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 цилиндрической части. Как конструктивный вариант 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. Емкость 2 и поршень 3, выполненные из электропроводного материала и разделенные между собой изолирующим слоем 6, связаны с источником 8 переменного электрического тока, который в свою очередь соединен с блоком 9, управляющим и согласующим работу двигателя 5 и источника 8. Реализуется предлагаемый способ следующим образом. По мере заполнения жидкой средой 1 емкости 2 включают в работу силовой привод 5 и поршню 3 придают возвратно-поступательные перемещения. Во время сжатия жидкой среды в течение первых нескольких - циклов из емкости 2 через клапан 7 удаляется свободный воздух или пар. После этого внутренняя поверхность поршня 3 по всей его площади входит в соприкосновение с жидкой средой и на фазе растяжения начинается 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 оказывается 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. 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.

В процессе движения поршня через жидкую среду подают переменный электрический ток с источника 8. В электрическую цепь, таким образом, включены, кроме последнего, еще емкость 2, поршень 3 и жидкая среда 1. На графике а) фиг.2 дано схематическое изображение характера нагрузки, которую посредством поршня 3 прикладывают к жидкой среде, где +У и -У обозначают величину амплитуды колебания поршня 3, при этом +У обозначает деформацию растяжения, а -У обозначает деформацию сжатия. Следует еще раз отметить, что растяжение жидкой среды способствует зарождению кавитационных пузырьков, а сжатие - их схлопыванию. Обе фазы являются важными в развитии кавитационного процесса, так как растяжение жидкой среды, не сопровождаемое сжатием, ведет к бесконтрольному росту размера пузырьков и потере их технологической эффективности. Процесс сжатия, чередующийся с растяжением, ограничивает этот рост и дает возможность удерживать пузырьки в оптимальном, с точки зрения технологии, размерном диапазоне 100-150 мкм. Кроме того, сжатие стимулирует процесс схлопывания пузырька, повышая его силовую гидродинамическую составляющую, играющую значительную роль в технологической эффективности кавитации. Как указывалось выше, на кавитацию оказывают большое влияние растворенные в жидкой среде газы, являющиеся зародышами для кавитационных пузырьков. При пропускании электрического переменного тока в жидкой среде 1 от источника 8 в частотном режиме, не согласованном с частотой возвратно-поступательного движения поршня 3, характер изменения параметров тока (сила тока) будет подобен зависимости, изображенной на графике б) фиг.2. Причиной волнообразной формы изменения силы тока является то, что в период сжатия плотность среды возрастает и электрическое сопротивление ее падает, что и приводит к возрастанию силы тока. В период разрежения при уменьшении плотности среды сила тока падает. Важным обстоятельством, сопровождающим пропускание электрического переменного тока, является попеременное изменение полярности на поршне 3 и емкости 2, которые в этих условиях поочередно становятся катодом или анодом, что сопровождается явлением электролиза, т.е. разложением воды на водород и кислород. Последние поступают в жидкую среду, обогащая ее газовую фазу и способствуя тем самым увеличению количества зародышей для кавитационных пузырьков. Однако характер электролитического процесса, изображенный на графике б), является беспорядочным и хаотическим и выделение водорода и кислорода, сопровождающее стадию растяжения среды, способствует неконтролируемому росту пузырьков за счет их насыщения газами, что приводит к потере ими оптимальных технологических свойств. С другой стороны, если электрический переменный ток подается импульсно только во время цикла сжатия, а точнее на стадии уменьшения величины последнего (см. график в)), то газовыделение носит оптимальный характер, т.е. оно происходит в период подготовки цикла разрежения и прекращается во время него, избегая, таким образом, неконтролируемого роста кавитационных пузырьков. Обстоятельством, в значительной степени повышающим эффективность процесса электролиза и в целом кавитационного процесса, является то, что частота изменения тока должна быть, по меньшей мере, в четыре раза больше частоты приложения нагрузки. Это гарантирует, что во время цикла сжатия на стадии уменьшения его величины произойдет, по меньшей мере, однократное изменение полярности на электродах, что в конечном итоге обеспечит перемешивание в жидкой среде генерируемых водорода и кислорода и исключит застойные явления на поверхности электродов, т.е. поршня 3 и емкости 2. Повышению качества кавитационного процесса будет способствовать неоднократное изменение полярности, как это показано на графике г). Существенным последствием от использования предлагаемого способа возбуждения кавитации в жидкой среде является то, что в процессе схлопывания пузырьков, содержащих атомы и молекулы водорода и кислорода, взаимодействие последних в условиях нарастающего давления позволяет усилить гидродинамический эффект схлопывания за счет резкого уменьшения давления газов в пузырьке, вызванного процессом образования воды. Другими словами, происходит почти мгновенный процесс ее конденсации, уменьшающий в конечном итоге сопротивление перемещающейся к центру пузырька его жидкостной стенки, повышая таким образом кинетическую энергию охлопывающегося пузырька в целом, реализующуюся в ударной волне. Согласование между собой в необходимом соотношении частот возвратно-поступательного перемещения поршня 3 и подаваемого переменного электрического тока осуществляется блоком 9 управления.

Изобретение относится к области создания и развития универсальных технологий, к которым относится и процесс кавитации, возбуждаемой 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. В способе возбуждения кавитации в жидкой среде, заключенной в замкнутый объем, путем создания растягивающих и сжимающих напряжений в режиме циклической нагрузки, генерируемой изменением объема, через жидкость пропускают переменный электрический ток, частота которого больше частоты приложения циклической нагрузки, по меньшей мере, в четыре раза. Кроме того, электрический ток подают импульсно во время цикла сжатия на стадии уменьшения величины последнего. Повышается технологическая эффективность кавитационного процесса за счет активного стимулирования роста количества кавитационных пузырьков в единице объема. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ возбуждения кавитации в жидкой среде, заключенной в замкнутый объем, путем создания чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в режиме циклической нагрузки, создаваемой изменением этого объема, отличающийся тем, что через жидкость пропускают переменный электрический ток, частота которого больше частоты приложения циклической нагрузки, по меньшей мере, в четыре раза.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрический ток подают импульсно во время цикла сжатия на стадии уменьшения величины последнего.