Кавитационный тепловой генератор

Кавитационный тепловой генератор

Реферат

 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для получения значительного количества тепловой энергии, в частности для подогрева (непосредственно в трубопроводах) вязких жидкостей типа нефти с целью снижения вязкости и улучшения реологических свойств. Преимущественная область использования изобретения - отопление гражданских объектов и энергетическое обеспечение теплоемких технологических производств. Технический результат заключается в том, что интенсификация процесса нагрева жидкости и повышение эффективности работы теплогенератора достигается за счет выполнения ускорителя движения жидкости в виде проточной камеры с патрубком подвода, конфузором и патрубком отвода обработанной жидкости, внутри проточной камеры установлены суперкавитирующие лопатки, закрепленные на ступице, при этом упомянутые лопатки по наружной поверхности охвачены коаксиальным цилиндром, на наружной поверхности которого расположена другая группа суперкавитирующих лопаток с противоположным направлением закручивания потока, при этом внутренняя группа суперкавитирующих лопаток закреплена на ступице, а тормозное устройство выполнено в виде прерывателя потока с приводом, расположенным за рабочим элементом по ходу потока, патрубок отвода соединен с аккумулятором тепла, выход которого соединен с потребителями тепла и сетевым насосом, выход которого соединен через корпус с патрубком подвода. 10 з.п. ф-лы, 4 табл., 3 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где необходимо получение значительного количества тепловой энергии, в частности изобретение можно использовать для подогрева (непосредственно в трубопроводах) вязких жидкостей типа нефти с целью снижения вязкости и улучшения ее реологических свойств. Преимущественная область использования изобретения - отопление и энергетическое обеспечение теплоемких технологических производств.

Из уровня техники известны конструкции теплогенераторов большой мощности, применяемых, например, при централизированной форме снабжения теплоемких промышленных технологий и гражданских зданий и сооружений.

В настоящее время в качестве теплогенераторов все шире применяются тепловые насосы (см. , например, a.c. СССР N 458691, 1972 г. [1] и pоссийский патент N 2045715, 1993 г. [2]). При работе в этих устройствах осуществляется обратный цикл, т.е. происходит поглощение теплоты из окружающей среды с последующей передачей ее телу с более высокой температурой. Конструктивно тепловой насос содержит замкнутый контур по рабочему телу, включающий устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела, теплообменники, устройства, обеспечивающие циркуляцию в контурах низкотемпературного теплоносителя из окружающей среды и высокотемпературного теплоносителя, приводной двигатель и приборы контроля и управления. Теплота, отнятая у окружающей среды, повышает общий КПД теплотехнической установки, суммируется теплотой, полученной от преобразования электроэнергии. Использование тепловых насосов в целях теплоснабжения перспективным направлением в теплотехнике. Однако КПД этих установок сравнительно невысок, вследствие чего они не нашли широкого применения.

Известны устройства тепловых насосов, использующих изменения физико-механических параметров среды, в частности давления и объема, для получения тепловой энергии (см., например, a.c. СССР N 458691, 1972 г. [1] и pоссийский патент N 2045715, 1993 г. [2]).

В известных устройствах в качестве среды может быть использована, например, паровоздушная смесь или жидкость. В этих устройствах путем изменения давления и скорости среды генерируется тепловая энергия, что позволяет снизить затраты электроэнергии для получения тепла.

Тепловой насос [1], выполняющий функцию теплогенератора, рабочей средой которого является жидкость - вода, содержит корпус в виде герметичного сферического сосуда, наполненного рабочей средой с расположенным в нем теплообменником, сетевой насос, обеспечивающий сжатие среды внутри корпуса, подающую и обратные тепломагистрали, оснащенные запорными вентилями, и потребитель тепла.

Основной недостаток этого теплового насоса - очень высокое рабочее давление, развиваемое в корпусе, которое достигает 1000 атм. Такие рабочие параметры установки предъявляют повышенные требования к прочности корпусных деталей, запорных вентилей и трубопроводов, что приводит к увеличению себестоимости установки.

Кроме того, использование установки для отопления жилых помещений опасно ввиду высокого рабочего давления.

За прототип изобретения авторами выбран тепловой генератор [2], включающий корпус с цилиндрической частью, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с цилиндрической частью корпуса. В основании цилиндрической части, противолежащей циклону, смонтировано тормозное устройство.

Благодаря тому что корпус теплогенератора в нижней части оснащен циклоном, рабочая жидкость под давлением, тангенциально поступая в него, проходит по спирали, и движется в виде вихревого потока, скорость которого возрастает; далее она попадает в цилиндрическую часть корпуса, диаметр которой в несколько раз превышает диаметр инжекционного отверстия, а затем в тормозное устройство. Такое конструктивное выполнение корпуса позволяет снизить скорость и давление среды, при этом в соответствии с известными законами термодинамики, изменяется механическая энергия жидкости, направленная на возрастание ее температуры.

Повышению эффективности нагрева жидкости способствует дополнительное тормозное устройство, установленное в перепускном патрубке. Перепад давления на выходе из тормозного устройства в верхней части корпуса за счет соотношения выпускного отверстия корпуса и перепускного патрубка обеспечивает превалирование горячего потока жидкости над холодным.

В известном устройстве [2] используются изменения физико-механических параметров среды, в частности давления и объема, для получения тепловой энергии.

Сущность работы теплогенератора по прототипу заключается в ускорении потока в циклоне и постадийном срабатывании полученной кинетической энергии на тормозных устройствах различной конструкции. Однако КПД на каждой стадии срабатывания кинетической энергии - невысок, отсюда следует, что и суммарный КПД не может быть высоким.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности за счет интенсификации процесса нагрева жидкости и снижение энергозатрат.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в кавитационном тепловом генераторе, содержащем корпус, оснащенный ускорителем движения жидкости и тормозным устройством, согласно изобретению ускоритель движения жидкости выполнен в виде проточной камеры с патрубком подвода, конфузором и патрубкам отвода обработанной жидкости, внутри проточной камеры установлен рабочий элемент в виде суперкавитирующих лопаток, закрепленных на ступице, которые по наружной поверхности охвачены коаксиальным цилиндром, а на наружной поверхности цилиндра расположены суперкавитирующие лопатки, направление закручивания потока которых противоположно направлению закручивания потока внутренними суперкавитирующими лопатками, закрепленными на ступице, при этом тормозное устройство выполнено в виде прерывателя потока с приводом, расположенным за рабочим элементом по ходу потока, патрубок отвода соединен с аккумулятором тепла, выход которого соединен с коммерческим потребителем тепла и сетевым насосом, выход которого соединен через корпус с патрубком подвода. Между рабочим элементом и прерывателем потока установлено устройство отбора расхода жидкости, соединенное с дополнительной проточной камерой внутри которой установлен рабочий элемент, обеспечивающий суперкавитационный режим течения, за которым по ходу потока установлен дополнительный прерыватель потока с приводом, выход проточной камеры соединен через корпус со ступицей, выполненной полой, и коллектором, охватывающим наружную поверхность проточной камеры, имеющей перфорацию в зоне размещения рабочего элемента, причем в корпусе перед рабочим элементом установлен турбулизатор, выполненный в виде прерывателя потока с приводом, соединенным с приводом дополнительного прерывателя потока, который соединен с приводом основного прерывателя потока. Между сетевым насосом и корпусом размещен предвключенный кавитационный активатор, выполненный в виде конфузора, проточной камеры, тангенциально соединенной с корпусом, внутри которой на полой ступице установлен рабочий элемент; полая ступица соединена с аккумулятором тепла преимущественно в верхней точке. В проточной камере за рабочим элементом по ходу потока установлены сопла, преимущественно перпендикулярно направлению потока, входы которых соединены с выходом сетевого насоса. Оси сопл расположены под углом друг к другу. Исполнительный механизм приводов прерывателей соединен через регулятор с датчиком температуры, причем один из входов регулятора соединен с датчиком шума за рабочим элементом. Турбулизатор, выполненный в виде прерыватeля потока, оснащен дополнительными направляющими потока, выполненными, например, в виде пластин, установленными на подвижной части прерывателя под углом к набегающему потоку. Прерыватель и дополнительный прерыватель соединены таким образом, чтобы обеспечить смещение момента начала импульсов в прерывателях. Передняя кромка коаксиальных цилиндров, на которых установлены суперкавитирующие лопатки, направленная навстречу потоку жидкости, выполнена острой, со скошенной внутренней поверхностью, выполненной в виде плавного вогнутого профиля, а передняя кромка ступицы, направленная навстречу потоку жидкости, выполнена острой, со скошенной наружной поверхностью, выполненной в виде плавного вогнутого профиля. На выходе теплового генератора, перед аккумулятором тепла, установлен регулятор давления. Все узлы, контактирующие с жидкостью, выполнены с кремнийорганическим покрытием.

Теоретические основы предлагаемого кавитационного теплового генератора следующие.

Как известно химия, кроме веществ и их взаимодействий, изучает и взаимодействие энергии и вещества. Как правило, источники энергии ограничивают возможность воздействия исследователей на реакционную способность веществ. Взаимодействие электротока с веществом протекает за короткие промежутки времени и характеризуется высокой энергией, тогда как тепловые взаимодействия протекают за большие промежутки времени и при меньших энергиях. Взаимодействие звуковых волн с веществом делает доступным для изучения химиками таких диапазонов энергий и временных шкал, которые недостижимы в других случаях. Необходимое для проведения химической реакции давление в жидкости, получают посредством генерирования в ней интенсивных звуковых волн. Такие волны создают чередующиеся области сжатия (уплотнения) и разрежения, в которых могут образовываться пузырьки диаметром порядка 100 мкм. При схлопывании пузырьков (менее чем за 1 мкс) содержащийся в них газ может нагреться до 5500^oC - эта температура близка к температуре поверхности Солнца. Впервые необычное действие интенсивных звуковых волн при распространении в жидкости - область явлений, относящихся к ультразвуковой химии (звукохимии), обнаружил в 1927 г. А.Лумис. Активизация звукохимических исследований началась в 80-х годах вскоре после создания недорогих и надежных источников ультразвуковых колебаний высокой интенсивности (с частотой более 16 кГц, что выше уровня слухового восприятия человека), сегодня ультразвук применяют в медицинской практике, в промышленности для сварки пластмассовых деталей и очистки материалов и даже в быту в устройствах сигнализации (предупреждающий об ограблении) и т.д. Эти применения, однако, не связаны с химическим действием ультразвука, который может, например, повысить реакционную способность металлического порошка более чем в 10⁵ раз. Он может давать столь быстрое относительное движение металлических частиц, что они будут расплавляться при столкновении. Ультразвук может создавать также микроскопические "очаги пламени" в холодной жидкости. Эти химические эффекты ультразвука обусловлены физическими процессами, благодаря которым в жидкости возникают, растут и схлопываются газовые и паровые пузырьки. Ультразвуковые волны, как и все звуковые волны, включают циклы сжатия и разрежения. Во время циклов сжатия возникают локальные повышения давления в жидкости, что приводит к сближению ее молекул друг с другом; во время циклов разрежения возникают локальные понижения давления, в результате чего молекулы отдaляются друг от друга. Во время цикла разрежения звуковая волна достаточной интенсивности может генерировать образование пузырьков. Частицы жидкости удерживаются вместе силами притяжения, которые определяют ее прочность на разрыв. Для того чтобы образовался пузырек, величина, на которую уменьшается локальное давление в цикле разрежения, должна превысить прочность жидкости на разрыв. Необходимая величина падения давления зависит от типа жидкости и ее чистоты. Прочность на разрыв абсолютно чистой жидкости настолько велика, что имеющиеся ультразвуковые источники не могут создавать падения давления, достаточного для образования пузырьков. Для абсолютно чистой воды, например, потребовалось бы падение давления больше чем на 1000 атм, в то время как самые мощные ультразвуковые генераторы создают давление примерно до 50 атм. Однако прочность жидкостей на разрыв уменьшается за счет газа "захватываемого" трещинами на микроскопических твердых частицах, присутствующих в жидкости. Этот эффект аналогичен снижению прочности, обусловленному трещинами в твердых материалах. В области пониженного давления захваченный газ начинает выходить из трещин, образуя маленький пузырек, переходящий в раствор. В большинстве случаев жидкости бывают достаточно сильно загрязнены пылью и другими твердыми примесями. В водопроводной воде, например, пузырьки образуются при давлении всего на несколько атмосфер. Пузырек в жидкости нестабилен: если он велик, то будет всплывать на поверхность и лопаться; если он мал, то будет сдавливаться жидкостью и исчезать. Однако при взаимодействии с ультразвуковой волной пузырек будет непрерывно поглощать энергию в течение чередующихся циклов сжатия и разрежения. Это взаимодействие приводит к росту и сжатию пузырьков, нарушая динамическое равновесие между паром внутри них и жидкостью снаружи. В одних случаях ультразвуковые волны будут поддерживать существование пузырьков, вызывая лишь колебания его размера. В других случаях средний размер пузырьков будет увеличиваться. Рост пузырька определяется интенсивностью ультразвука. Ультразвук высокой интенсивности может привести к столь быстрому расширению пузырька в цикле разрежения, что он уже не сожмется в цикле сжатия. Следовательно, в таком процессе пузырьки могут быстро вырасти за один период ультразвуковой волны.

В случае ультразвука низкой интенсивности размер пузырька колеблется в фазе с давлением в течение циклов разрежения и сжатия. Поверхность такого пузырька во время цикла разрежения несколько увеличивается по сравнению с циклом сжатия. Поскольку количество газа, диффундирующего в пузырек или из него, зависит от площади поверхности пузырька, диффузия в пузырек во время циклов разрежения будет несколько большей, чем диффузия из него в течение циклов сжатия. Следовательно, за каждый период ультразвуковой волны пузырек расширяется несколько больше, чем сжимается, и с течением времени пузырьки будут медленно расти. Растущий пузырек может постепенно достичь критического размера, при котором он наиболее эффективно поглощает энергию ультразвука. Этот размер зависит от частоты ультразвуковой волны. При 20 кГц, например, критический размер (диаметр) пузырька составляет приблизительно 170 мкм. Такой пузырек может быстро вырасти за один период волны. После того как размер пузырька быстро увеличился, он уже не может эффективно поглощать энергию ультразвука. Без подвода энергии извне пузырек не может существовать. Жидкость сдавливает его, и он схлопывается. При схлопывании пузырьков образуются условия для протекания необычных химических реакций. Газы и пары внутри пузырька сжимаются, интенсивно выделяя тепло, за счет которого повышается температура жидкости в непосредственной близости от пузырька, и, таким образом, создается горячая микрообласть. Несмотря на то что температура этой области чрезвычайно высока, сама область настолько мала, что тепло быстро рассеивается. Согласно оценкам Иллинойского университета в Эрбана-Шампен скорости нагрева и охлаждения жидкости превышают 10^9oC/с. Это соответствует скорости охлаждения расплавленного металла при его выплескивании на поверхность, охлажденную до температуры вблизи абсолютного нуля. Таким образом, в любой момент времени основная масса жидкости имеет температуру окружающей среды. Точные значения температур и давлений, достигаемыe при схлопывании пузырька, трудно определить как теоретически, так и экспериментально. Однако эти величины имеют фундаментальное значение при описании звукохимических явлений. Для приближенного описания динамики схлопывания пузырька были предложены различные теоретические модели, характеризующиеся разной степенью точности. Недостаток всех этих моделей - невозможность точного описания динамики пузырька на заключительных стадиях схлопывания. Hаиболее сложные модели дают значения температур порядка 10^3oC, давлений 10² - 10³ атм и времени нагрева менее 1 мкс. Температуру схлопывающегося пузырька невозможно измерить термометром, поскольку рассеивание тепла происходит слишком быстро. Один из путей измерения температуры - определение скорости известных химических реакций, поскольку температура связана с отрицательным обратным логарифмом скорости реакции. Если измерить скорости нескольких различных реакций, протекающих в созданной ультразвуковой среде, то можно рассчитать температуру, достигаемую после схлопывания пузырька. При определении относительных скоростей ряда звукохимических реакций Д.Хаммертон установил наличие двух различных температурных областей, связанных со схлопыванием пузырька. Газ, содержащийся в пузырьке, достигает температуры около 5500^oC, тогда как жидкость в непосредственной близости от пузырька - 2100^oC. Для сравнения - температура пламени ацетиленовой горелки составляет около 2400^oC. Хотя давление, достигаемое при схлопывании пузырька, труднее определить экспериментально, чем температуру, между этими двумя величинами существует корреляция. Таким образом, для максимального давления можно получить оценку 500 атм, что составляет половину величины давления в глубочайшем месте Мирового океана - Марианской впадине. Несмотря на то что локальные значения температуры и давления, достигаемые при схлопывании пузырька экстремальны, можно успешно контролировать протекание звукохимических реакций. На интенсивность схлопывания пузырьков и, следовательно, на характер реакции влияют такие факторы, как частота ультразвуковой волны, ее амплитуда, температура окружающей среды, статистическое давление, природа жидкости и газа, растворенного в ней. Звукохимические процессы в жидкостях зависят главным образом от физических эффектов при быстром нагреве и охлаждении, вызываемых схлопыванием пузырька. Например, доказано, что при облучении воды ультразвуком под действием энергии ультразвуковых волн вода (H₂O) расщепляется на высокореакционноспособные атомы водорода (H₂) и радикалы гидроксила (OH). На быстрой стадии охлаждения атомы водорода и радикалы гидросила рекомбинируют с образованием перекиси водорода (H₂O₂) и молекулярного водорода H₂. Если к воде, облученной ультразвуком, добавить другие соединения, то в ней могут происходить многие вторичные реакции. Органические соединения интенсивно разлагаются в такой среде, а неорганические могут окисляться или восстанавливаться. В некоторых органических жидкостях при облучении ультразвуком протекают физико-химические реакции. Так, алканы - основные компоненты сырой нефти - могут расщепляться на меньшие фрагменты (например, бензин), обычно для этого сырую нефть подвергают крекингу при нагреве до температуры выше 500^oC. Однако обработка алканов ультразвуком вызывает их расщепление при комнатной температуре, причем продуктом этого процесса является ацетилен, который нельзя получить в достаточном количестве простым нагревом. Возможно, наиболее удивительное химическое явление, связанное с ультразвуком, заключается в его способности создавать микроскопические "очаги пламени" в холодных жидкостях, в результате так называемой звуколюминесценции. Это происходит, когда при схлопывании пузырька в жидкости возникает микрообласть с повышенной температурой; молекулы в этой области могут возбуждаться с переходом в высокоэнергетические состояния. При возвращении молекул в основное состояние они излучают свет. Э. Флинт в 1987 г., обнаружил, что облучение ультразвуком углеводородов дает удивительный результат: цвет излучаемого света такой же, как у пламени газовой горелки. Действие ультразвука на жидкости использовалось также для ускорения химических реакций в растворах. Пример металлоорганических соединений, содержащих связи металл-углерод, особенно показателен. Этот широкий класс веществ играет важную роль при получении пластмасс в производстве микроэлектронных схем и синтезе лекарственных препаратов, гербицидов и пестицидов. В 1998 г. П.Шуберт впервые исследовал действие ультразвука на металлоорганические соединения, в частности на пентакaрбонил железа Fe(CO)₅. Полученные результаты при сравнении с данными по действию света и нагревания на Fe(CO)₅ свидетельствуют о своеобразии химических процессов, вызываемых ультразвуком. Когда Fe(CO)₅ подвергается нагреванию, он разлагается на монооксид углерода (CO) и тонкий порошок железа, который самопроизвольно воспламеняется на воздухе. Когда на Fe(CO)₅ воздействует ультразвуковое излучение, он сначала распадается на Fe(CO)₄ и свободные фрагменты CO. Молекулы Fe(CO)₄ могут затем рекомбинировать с образованием соединения Fe(CO)₉. Схлопывание пузырька приводит к иному результату. Оно сопровождается выделением такого количества тепла, которого достаточно для отщепления нескольких групп CO, но в результате последующего быстрого охлаждения эта реакция прекращается до ее завершения. Таким образом, когда на Fe(CO)₅ действует ультразвук, образуется необычное кластерное соединение Fe₃(CO)₁₂. Звукохимия двух несмешивающихся жидкостей, например масла и воды, определяется способностью ультразвука эмульгировать масло в жидкости, в результате которой микрокапли одной жидкости образуют эмульсию в другой. Ультразвуковые сжимания и разрежения вещества вызывают накопление энергии молекулами на поверхности жидкости, которые в дальнейшем преодолевают силы сцепления, удерживающие их в большой капле, затем происходит дробление капли на более мелкие фрагменты, и постепенно жидкость эмульгируется. Эмульгирование может ускорить химические реакции между несмешивающимися жидкостями благодаря сильному увеличению поверхности их контакта. Большая поверхность контакта облегчает проникновение молекул из одной жидкости в другую - эффекта, в результате которого некоторые реакции ускоряются. Например, эмульгирование ртути в различных жидкостях приводит к особенно интересным реакциям; по А. Фраю из университета Уэсли, который обнаружил, что многие реакции ртути с бромоорганическими соединениями представляют промежуточные стадии образования новых углерод-углеродных связей. Такие реакции играют решающую роль в синтезе сложных органических веществ. Экстремальные условия, создаваемые вблизи твердых поверхностей, могут быть использованы также для придания химической активности "нереакционноспособным" металлам. Например, Р.Джонсон изучал реакции монооксида углерода с молибденом и танталом, а также с другими металлами, близкими к ним по реакционной способности. Для образования карбонилов металлов обычными методами требуется давление 100-300 атм и температуры от 200 до 300^oC. Однако при облучении ультразвуком их образование может происходить при комнатной температуре и атмосферном давлении. Схлопывание пузырька в дополнение ко всем описанным выше эффектам может сопровождаться выходом ударной волны в жидкость. Звукохимические процессы на твердых частицах в жидкости в большой степени определяются такими ударными волнами, под действием которых происходит взаимное сближение микроскопических частиц металлического порошка со скоростью превышающей 500 км/ч. Подобные столкновения настолько интенсивны, что вызывают плавление частиц в месте удара. Это плавление повышает реакционную способность металла, поскольку приводит к удалению металлооксидного покрытия (пленки). Такие защитные оксидные покрытия обнаруживаются на большинстве металлов и являются причиной появления патины на медных изделиях и бронзовых скульптурах. Поскольку ультразвуковая обработка повышает реакционную способность металлических порошков, она увеличивает также их каталитическую активность. Для многих реакций необходим катализатор, чтобы они протекали с требуемой или хотя бы заметной скоростью. Катализатор не расходуется в реакции, а только ускоряет реакцию других веществ. Влияние ультразвука на морфологию частиц, состав поверхности и каталитическую активность исследовалось Д.Касадонте и С.Доктичем. Они обнаружили, что под действием ультразвука происходит резкое изменение морфологии поверхности у таких катализаторов, как порошки никеля, меди и цинка. Поверхности отдельных частиц сглаживаются и частицы объединяются в обширные агрегаты. Эксперимент по определению состава поверхности никеля показал, что оксидное покрытие удаляется, вследствие чего сильно увеличивается каталитическая активность никелевого порошка. В целом облучение ультразвуком повышает эффективность никелевого порошка как катализатора более чем в 10⁵ раз. В таких условиях никелевый порошок также активен как некоторые специальные катализаторы, используемые в настоящее время, однако он не воспламеняется и стоит дешевле.

Ультразвук оказывается полезен почти в каждом случае, когда должны реагировать жидкость и твердое вещество. Кроме того, он может проникать через большой объем жидкости и поэтому хорошо подходит для промышленных применений. В будущем использование ультразвука в химических процессах должно быть очень разнообразным. Что касается синтеза лекарственных препаратов, то ультразвук позволяет увеличить выход продуктов по сравнению с традиционными методами.

Однако наиболее высокие достижения в звукохимии могут быть связаны с получением новых материалов, обладающих необычными свойствами. Например, очень высокие температура и давление, достигаемые во время реакции, могут привести к синтезу огнеупорных материалов (таких как карборунд, карбид вольфрама и даже алмаз). Огнеупорные материалы обладают высокой термостойкостью и огромной структурной прочностью. Они находят важное применение в промышленности как абразивы и вставные резцы с повышенной твердостью.

Чрезвычайно быстрое охлаждение, сопровождающееся схлопыванием пузырька, может быть использовано для создания металлических стекол. Такие аморфные металлы имеют необычайно высокие коррозионную стойкость и прочность.

Хотя химические применения ультразвука находятся еще на начальных стадиях разработки, в ближайшие годы следует ожидать быстрого прогресса в области звукохимии. Использование ультразвука в лабораторных реакциях широко распространяется, и перенос имеющихся технологий на реакции промышленного масштаба, по-видимому, не за горами. В основе разрабатываемых технологий лежат последние достижения в исследованиях химических эффектов ультразвука.

Эффекты, приведенные выше (в т.ч. и кавитация), вызываются действием на жидкую среду ультразвука, достаточного для возникновения этих эффектов интенсивности. При всем великолепии гаммы достигаемых физико-химических эффектов ультразвуковой кавитации (или ультразвуковой кавитационной обработке) присущи и следующие недостатки.

Все результаты достигаются вблизи ультразвукового излучателя, и по мере удаления от излучателя энергия обработки резко снижается, что препятствует ее широкому применению в промышленных объемах. Гидродинамическая кавитация аналогична ультразвуковой кавитации по условиям зарождения кавитационных полостей, их развития и последующего схлопывания, по воздействию, оказываемому на среды, находящиеся в зоне ее действия, и отличается только лишь природой возникновения, т.е. видом "излучателя". 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.

Эффективность кавитационной обработки (любой природы) определяется величиной удельной энергии кумулятивных микроструй, образующихся при схлопывании кавитационных пузырьков, возникающих вследствие распада каверны за кавитатором ("излучателем"), помноженной на количество кавитационных пузырьков.

Считается, что удельная энергия кумулятивных струй пропорциональна квадрату их скорости, а скорость прямым образом зависит от корня квадратного из давления в проточной камере. Таким образом, энергия диспергирования пропорциональна первой степени давления в камере диспергирования, т.е.

где v_k - скорость кумулятивных струй; P - давление в проточной пузырьковой камере; E - энергия диспергирования.

Для повышения энергии диспергирования в кавитационных системах предусмотрено расширение потока с помощью диффузора. Максимальное увеличение давления при этом даже при неограниченно бесконечном расширении потока будет стремиться к величине скоростного напора до расширения и при скорости потока в проточной части, например v = 2 м/с, составит P = 0,02 атм, а при v = 10 м/с P = 0,5 атм максимум.

Более строго с точки зрения происходящих физико-механических процессов удельная энергия кавитационного воздействия единичного кавитационного пузырька может быть представлена зависимостью E = kP/R³-R³₀, где k - коэффициент; P - давление в зоне смыкания каверны; R, R₀ - радиусы кавитационных пузырьков максимальный и минимальный (в момент схлопывания).

Анализ приведенной зависимости, с точки зрения достижения наивысшей интенсивности выделения энергии, доказывает необходимость достижения наибольших величин максимального радиуса образовавшегося и готовящегося к схлопыванию кавитационного пузырька и роста давления в зоне схлопывания. Однако это взаимоисключающие условия. При росте давления в зоне схлопывания размер пузырьков уменьшается. При снижении давления пузырьки образуются достаточно большими, однако из-за небольшой разности давлений внутри и вне пузырька схлопывание происходит недостаточно энергично.

Для увеличения выделяемой "излучателем" гидродинамической кавитации энергии используется генератор пульсаций давления, выполненный в виде прерывателя потока, состоящий из неподвижного диска и вращающегося диска с радиальными окнами. Установка прерывателя потока за "излучателем" (кавитатором) по ходу потока позволяет обеспечить (при большом проходном сечении прерывателя) условия роста микропузырьков большего размера - при открытом прерывателе (и схлопыванию их) - при перекрытии прерывателя (существенно повышенном давлении). Это может быть достигнуто только при установке прерывателя за кавитатором по ходу потока и свойственно только кавитационному смесителю. Это является одной из отличительных особенностей настоящего технического решения. Создание пульсаций при расположении средства для создания пульсаций до кавитатора приводит к изменению скорости потока жидкости, натекающей на кавитатор. Это приводит к изменению размеров каверны, образующейся за лопатками за счет изменения количества кавитационных микропузырьков, что и обеспечивает некоторую интенсификацию процесса смешения. Изменения давления за кавитатором в каверне при этом не происходит, так как давление за кавитатором в каверне при кавитационном режиме течения постоянно и равно давлению насыщенных паров жидкости, которое не зависит от скорости обтекания кавитатора. Следовательно, удельная энергия, генерируемая при кавитационном режиме течения должна быть представлена зависимостью E = K/P-P_нпR³-R³₀; где E - энергия, выделяемая при смешении; K - коэффициент пропорциональности; P, P_нп - давление в зоне схлопывания и давления насыщенных паров жидкости; R₀, R - радиус кавитационного пузырька максимальный и в момент схлопывания.

Очевидно, что энергия, генерируемая кавитационным течением, прямо пропорционально зависит от давления в зоне схлопывания. Особенно эта зависимость проявляется при кавитационной обработке жидкостей, находящихся при температуре, приближающейся к температуре кипения. В этом случае разность (P - P_нп) приближается к нулю, а следовательно, никакие изменения скорости, пульсации скорости до лопаток, изменение профиля лопаток и т.д. не могут обеспечить условия смешения, т.е. пузырьки будут образовываться хоть и больших размеров, но они либо не схлопнутся, либо энергия будет минимальной (физический смысл происходящего аналогичен кипению воды в чайнике). Данный вопрос до сих пор почти не исследовался, однако чрезвычайно актуален, поскольку открывает новые возможности резкой интенсификации процесса кавитационной обработки. При мгновенном перекрытии прерывателя генерируется ударная волна, распространяющаяся против движения диспергируемой среды приблизительно со скоростью звука в данной среде. Давление на фронте ударной волны определяется по формуле Н.Е.Жуковского: P₂= Cv, где C - скорость распространения ударных волн в среде, - плотность среды; v - скорость движения среды.

Даже при небольшой скорости потока на выходе v = 2 м/с давление на фронте ударной волны составит: P = 15501002 = 31 атм.

Таким образом, если вместо применяющегося расширения канала и диффузора установить генератор ударных волн на выходе, то удельная энергия диспергирования увеличится в если P₂ принимается при v = 2 м/с и P₁ при v = 10 м/с.

Если же P₁ принять при v = 2 м/с, то увеличение энергии диспергирования будет