CC BY
43
УДК 621.1:621.313.1
Щ ЭФФЕКТ НАГРЕВАНИЯ ЖИДКОСТИ ПУТЕМ КОНТРОЛИРУЕМОЙ КАВИТАЦИИ
||| К.М. Дюсенов, М.М. Кабдуалиева, И.А. Касымов,
Н.К. Кенжекеев • Ц Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Мацолада жылу физикасында, жылу внд\р1стерЫщ кавитациялык, IШ тэс 'шнщ Keiioip аспект i.iepi царастырылад. Сонымен к,атар dipneiue физикалык, а н ы цтамала рга шолу жасалган, кавитацияныц термодынамикалык, ace pi не квзцарастары баяндалгак Термодинамика жоне |||| жылу айырбасгпау квзцарасымен 6ак,ыланатын кавитиция бойынгиа |||| алгаищы тож'хрибелерге талдау жасалган.
В статье рассматриваются некоторые аспекты развития ШШ кавитационного способа производства тепла в тепловой физике. Также сделан обзор нескольких физических справочников, в которых изложены точки зрения на термодинамический эффект кавитации. Проведён анализ первоначальных экспериментов по контролируемой кавитации с точки зрения термодинамики и теплового обмена.
In article considered some thermal physics and power aspects of development the cavitation way of heat generation. The review is given also of some references with physical treatments and views on thermodynamic effect of cavitation. Some data analyzed of initial experiments controlled cavitation from the point of view of hydrodynamics and heat exchange.
Контролируемый способ - это искусственно созданный навигационный эффект, который позволяет добиться высоких параметров преобразования электрической энергии на приводе насоса в тепловую энергию для нагревания воды. Проанализированы выводы и гипотезы о физических механизмах репродукции данного эффекта. Искусственно созданная кавитация в тепловом генераторе позволяет начать распределение энергии до адекватного внутреннего теплообразования из воды пара. Для производства (генерации) кавитационного эффекта была применена комбинация суженных и расширяющихся насадок, включая закрученные лопатки. Размер суженной вставки подающего патрубка, углы выявляющего диффузора и конфузора (с\-жающегося патрубка), а также конфи-
32
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
глрация и параметрические характеристики закроенных лопаток были отобраны экспериментальным путём и методом вычислений с использованием инженерных уравнений. Эксперименты проводились в широком диапазоне нагрузок и давления воды в контуре при измеряемой электрической мощности на приводе трёх усовершенствованных центробежных насосов.
В настоящее время гидродинамические генераторы тепла находят всё более широкое применение. Промышленные компании, известные на Украине ("Тек-маш") и в США ("Hydro Dynamics. Inc."). продуктивно реализовали это использование эффекта кавитации на базе патентов [1.2]. включая самостоятельные нагревательные системы. Реальные результаты по промышленному использованию кавитации показывают, что стало возможным использовать тепловой потенциал энергии кавитации, который позволяет преобразовывать механическую энергию в тепловую. Эффективное смешивание с использованием гидродинамической кавитации нашло применение, например, в организации сжигания тяжёлых минеральных масел при частичной их смеси с водой [3].
Один из основателей гидродинамики и теории подобия, хорошо известный английский учёный Осборн Рейнольде, в 19 веке [4] описал экспериментально полученный эффект "холодного кипения" как часто называемое явление кавитации. Эффект закипания воды при числах Re более 1900 сопровождался характерным звуком начинающей закипать воды, а различие температур в ёмкости, где конец стеклянной пробирки был перемещён, достигал 260 К при начальном давлении в пробирке около 10 5 Ра.
В нескольких докладах Степанофф [5,6,7] после тщательного анализа влияния термодинамического эффекта доказывает прямую взаимосвязь между процессами теплового обмена и фазы разрушения или "микроколлапсовых" полостей. Распределение количества тепла, включая потенциал внутреннего теплообразования из воды пара (внутренняя энергия парообразования), сопровождается резким ростом температуры и эффектов разрушающего действия кавитации. В работах [8.9] ярко проявленная тенденция прямой передачи действия термодинамического эффекта на разрушающее действие кавитации отражается при достаточно низких температурах различных исследуемых жидкостей.
В насосах для исследований криогенных жидкостей [10, 11], где местонахождение и влияние градиента температур на физические параметры жидкостей экспериментально подтверждено, посвящено изучению влияния теплового или термодинамического эффекта. Местонахождение кавитационных микрополостей возле стенок лопаток насосов сопровождается у величением разницы температур жидкости, а нагретые жидкости увеличиваются при интенсификации эффекта кавитации. .
Эта иску сственно созданная кавитация в тепловом генераторе [12], схематически изображённая на Рисунке 1, позволила начать распределение энергии до адекватного внутреннего теплообразования из воды пара. Эта комбинация была применена к созданию эффекта кавитации суженающимся и расширяющимся соплом. Размеры суженной вставки подающего патрубка, утлы выявляющего диффузора и конфузора (сужающегося патрубка), а также конфигурация и параметрические характеристики закрученных лопастей были отобраны экспериментально.
"Схлопывание" полостей происходило в контролиру емой части "медленного взрыва" в центре диффузионной части генератора. Поверхности были защищены от разрушения слоем воды на стенках трубы. Вероятно, что основной вклад в производство тепла вносится скрытой теплотой парообразования, теплотой фазового перехода а также энергией разрушения внутриядерных связей, которые имеют величину. как известно, 400-600 кДж/моль. В начале диффузионной части генератора кавитации был источник объёмного выделения теплоты, так как территория сосредоточила микрополости, которые "схлопывашсь" под воздействием увеличения давления. распределяя таким образом определённое количество тепла.
Рисунок 1. Разрез кавитациоиного генератора тепла
1-конфузор. 2 - переходная точка с закрученными лопатками, 3 - диффузор.
Тепло, переданное жидкости при «схлопывании» полостей, нагрело стенки генератора тепла и воды в ёмкостях резерву ара. На созданной экспериментальной установке стало возможным полу чение некоторых данных на преобразовании энергии фазы «схлопывания» в тепловую энергию. На Рису нке 2 представлена общая схема (цепь) экспериментальной установки. Подача воды под давлением осу ществлялась при помощи насоса 1 через регулирующий вход 2. Массовый расход воды регистрировался через счётчик воды 3, а разница давления фиксировалась манометрами 4. Вода, будучи нагреваемой в кавитационном генераторе тепла 5, действовала в трубопроводе 6 в резервуарной ёмкости 7.
Применялись резервуары, объём которых равнялся 0.08 м3, 0.15 мЗ и 0.5 м\ таким образом, массовый расход воды составил от 0.4 до 19.7 м7час. Итоговый
34
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
тепловой поток или тепловая ёмкость была определена по известным измеренным расходам воды и различия температур в ходе каждого эксперимента. Время
эксперимента составляло 1 час для каждого режима расхода и скорости.
[ ^
^ о
• • . . I • М< -
Рисунок 2. Цепь экспериментальной установки.
1 - насос, 2 - задвижка, 3 - счётчик воды, 4 - манометры, 5 - кавитационный генератор тепла, 6 - трубопровод, 7 - резервуар.
/
Как известно, число кавитации, выведенное из уравнения Берноулли, определяется следующей формулой:
0,5 рУ02
где: с - кавитадионное число; (Р0 -Ру) - разница давления жидкости и насыщенного пара; У0 - скорость потока.
Для сравнения экспериментальных данных, полученных авторами по термодинамическому эффекту кавитации, были выбраны результаты работы [13, 14], в связи с тем, что геометрия канала, как структура трубы Вентуры и область высокоскоростных режимов на некотором участке были соизмеримы. Как видно из Рису нка 3, сравнение данных экспериментов с числами Рейнольдса и ка-витационным числом <т показывает удовлетворительное схождение.
0.08
0.06 0.04
0.02
Рисунок 3. Зависимость числа Яе от кавитационного числа су
1.2 - экспериментальные данные доклада [13], 3 - данные автора.
Эксперименты проводились при широкой шкале нагрузок и давления воды в
контуре при измеряемой электрической мощности на приводе трёх усовершенствованных центробежных насосов. В нашем случае был создан закрытый гидравлический контур с постоянным объёмом циркулирующей жидкости. Ёмкость резервуара одновременно играла роль аккумулятора тешта. Разница температур в резервуаре перед осуществлением эксперимента менялась от 20 К до 95 К и выше в течении несколько минут или часов, в зависимости от расхода и давления воды.
Производительность тепла или количество энергии при нагревании воды в контуре было определено из передаточного числа:
й-ср-У- Дг
где () - производительность тепла; ср - тепловая ёмкость воды: V - объём воды в контуре: Д^ - разница температур.
Важным фактором, влияющим на интенсивность и характер теплового обмена при сужении и последующем расширении потока жидкости, является его скорость. Массовая скорость потока была определена по известному передаточному числу:
где Р0 - участок сужающегося у стройства: у - 0.75 - фактор загру зки; р -плотность; (Рл-Р^) - разница давления.
о О 9 / ✓ ✓ 1 2 3
• О 4 Р ' * 1
• •
4 6 8 1 06
кДж
30
20 10
Рисунок 4. Зависимость количества тепла О, кДж, от числа Рейнольдса Яе и электрических мощностей на привод насосов: 1 - N = 1.5 кВт, 2 - N = 3.2 кВт,
3 - N = 9.5 кВт.
Расход воды в был измерен счётчиком воды и уравнением: скорость потока на входе в конфу зорную часть генератора тепла была определена - и. Дальнейшие числа Рейнольдса были определены:
, где - диаметр входного патрубка, соответству ющего внутреннему диаметру трубопровода. V - вязкость кинематическая. Зависимость числа Яе от производительности тепла показано на Рису нке 4.
Как видно из рисунка, ярко выраженная зависимость скорости потока от интенсивности выделения теплоты подтверждается. На входе в конфузор происходит рост скоростного у величения внутреннего выделения теплоты и выработки тепла. Происходящее в диффу зоре отделяет резкое падение скорости, сопровождающееся значительным повышением даатения. результатов и. как известно, разру шением парогазовых микрополостей. Этот процесс, протекающий не только на поверхности стенок диффу зора. но и в центре потока, также является причиной выделения теплоты. Пробные эксперименты без закрученных лопаток привели к образованию эрозивного повреждения стенок диффузора, зафиксированного при помощи металлографики. Зависимость имеет практически линейный характер, что заметно сказывалось и на влиянии оценок давления на входе в конфу зор.
Наиболее вероятно, что при такой организации процесса происходит распределение нескольких основных видов внутренней энергии воды: внутреннее тепло парообразования при «схлопывании» паровой полости, энергии расщепления внутримолекулярных связей, энергия рассеивания турбулентных вращающихся вихрей и эффекта сдавливания (сжимания).
д- 1 •- 2 •- 3
.V •
• 9 •^'"Ч *
А *
V } 2: <10* Яе
ЛИТЕМТУРА
1. Осипенко С. Устройство для воздействия на поток текучей среды. Международный Патент ПКТ/УА97/00003,1997.
2. Генератор мощности на ударной взрывной волне, США, Патент № 5188090,1993.
3. Булгаков A.B., Преснов Г.В., Крестов В.Б., Романенко А Н., Булкин Ю.П.. Доброногов В.Г., Булгаков Б.Б. Улучшение свойств жидкого топлива путём гидромеханической отработки в навигационном поле. Энергетик.-2002-том 7,-С. 29-34.
4. Рейнольде Осборн. Эксперименты, показывающие кипение воды в открытой пробирке при обычных температурах. Собрание документов по механическим и физическим предметам, Кэмбридж, стр.578-587, 1901.
5. Стахл Х.А. и Степанофф А.Ж.: Термодинамические аспекты кавитацион-ных насосов, том 78. стр. 1691-1693.
6. Степанофф А.Ж.: Кавитация в центробежных насосах с различными жидкостями. кроме воды, том 83. стр. 79-90, 1961.
7. Степанофф А.Ж.: Кавитационные свойства жидкостей, том 86, стр.195-200.1964.
8. Хаммит Ф.Г. : Предсказуемая способность к кавитационному повреждению, 6-8 сентября 1977, Университет Стирлинга, Шотландия, также в наличии в Университете Мичигана, ноябрь. 1976.
9. Персалл И.С. Эффект температуры на кавитацию в насосе. М В Монография, Лондон, 1995. стр. 45-53.
10. Кабрера Е., Эсперт В. и Мартинез. Влияние парообразования и полостной динамики на оценку теплового эффекта в кавитации. Симпозиум по гидравлическому оборудованию и кавитации, том 1, стр. 584-593.
11. Лекоффр Ивес е. Кавитационные пузыри. A.A. Балкема/Роттердам/Брук-филд, стр. 34-364.1999.
12. Кавитационный тепловой насос, К.Дюсенов, Е.Сергиевский. Российский Патент полезной модели № 37548,2004.
13. Боннин Ж.Р.: Термодинамический эффект в кавитации. Кавитационная Международная конференция, для Института Механической Инженерии. Лондон и Нью Иорк. стр. 355-362, 1974.
14. Бэйли А.Б., Патрик Уайкс: Термодинамические аспекты кавитации: научно-исследовательский проект, для Института Механической Инженерии.
Лондон и Нью Йорк.С. 321-328,1974.
