In sommige gevallen, wanneer vloeistof in gesloten kanalen beweegt, treden er verschijnselen op die verband houden met veranderingen in de aggregatietoestand van de vloeistof, d.w.z. met zijn transformatie in stoom, evenals met het vrijkomen van daarin opgeloste gassen uit de vloeistof. Wanneer bijvoorbeeld een vloeistof door een plaatselijke vernauwing van een leiding stroomt, neemt de snelheid toe en daalt de druk. Als de absolute druk een waarde bereikt die gelijk is aan de verzadigde dampdruk van deze vloeistof bij een gegeven temperatuur, of de druk waarbij het vrijkomen van oplosbare gassen eruit begint, dan begint de intensieve verdamping (koken) en het vrijkomen van gassen op dit punt in de vloeistof. de stroom. In het uitzettende deel neemt de stroomsnelheid af en neemt de druk toe, en stopt het vrijkomen van dampen en gassen; de vrijkomende dampen condenseren en de gassen lossen geleidelijk weer op.

Deze lokale verstoring van de stroomcontinuïteit met de vorming van stoom- en gasbellen (holtes), veroorzaakt door een plaatselijke drukval in de stroom, wordt genoemd cavitatie.

Met een eenvoudig apparaat kan dit duidelijk worden aangetoond. Water of een andere vloeistof onder druk van verschillende atmosfeer wordt naar de regelklep (klep) gevoerd A en stroomt vervolgens door een transparante Venturibuis, die eerst de stroom soepel vernauwt en vervolgens nog soepeler door de kraan uitzet B vrijkomt in de atmosfeer.

Wanneer de regelklep enigszins wordt geopend en daarom bij lage waarden van de stroomsnelheid en vloeistofsnelheid, is de drukval in de flessenhals van de buis onbeduidend, is de stroom volledig transparant en is er geen cavitatie. Wanneer de kraan geleidelijk wordt geopend, neemt de snelheid van de vloeistof in de buis toe en daalt de absolute druk.

Bij een bepaalde waarde van deze druk, die als gelijk aan de verzadigde dampdruk kan worden beschouwd
In het knelpunt van de buis verschijnt een duidelijk zichtbare cavitatiezone, een gebied waar de vloeistof lokaal kookt en de damp vervolgens condenseert. De afmetingen van de cavitatiezone nemen toe naarmate de kraan verder wordt geopend, d.w.z. met toenemende druk in de doorsnede 1 – 1, en dus het debiet. Hoe het debiet ook toeneemt, de druk in het smalle gedeelte 2 - 2 blijft echter strikt constant omdat de druk van de verzadigde damp constant is.

Cavitatie gaat gepaard met lawaai en bij langdurige blootstelling ook met erosieve vernietiging van metalen wanden. Dit laatste wordt verklaard door het feit dat de condensatie van dampbellen (en de compressie van gasbellen) met een aanzienlijke snelheid plaatsvindt; vloeistofdeeltjes die de holte van de condensatiebel vullen, snellen naar het midden en, op het moment van voltooiing van de condensatie (instorting van de condensatiebel), de bel), lokale schokken veroorzaken, d.w.z. aanzienlijke toename van de druk op individuele punten. Tijdens cavitatie wordt het materiaal niet vernietigd waar belletjes vrijkomen, maar waar ze condenseren.

Wanneer cavitatie optreedt, neemt de weerstand van pijpleidingen aanzienlijk toe en als gevolg daarvan neemt hun doorvoer af, omdat holtes de live dwarsdoorsneden van stromingen verkleinen, waarvan de snelheid sterk toeneemt.

Cavitatie is over het algemeen een ongewenst verschijnsel en mag niet worden toegestaan ​​in pijpleidingen en andere elementen van hydraulische systemen. Het kan voorkomen bij alle lokale hydraulische weerstanden waarbij de stroming plaatselijke vernauwing ondergaat gevolgd door expansie, bijvoorbeeld in kranen, kleppen, schuifafsluiters, membranen, jets, enz. In sommige gevallen kan cavitatie ook optreden zonder expansie van de stroming na de vernauwing ervan. , evenals in buizen met constante doorsnede met toenemende geometrische hoogte en hydraulische verliezen. Cavitatie kan optreden in hydraulische machines (pompen en hydraulische turbines), maar ook op de bladen van snel roterende propellers. In deze gevallen is het gevolg van cavitatie een scherpe afname van de efficiëntie van de machine en vervolgens de geleidelijke vernietiging van de onderdelen die aan cavitatie zijn blootgesteld.

WATERSCHOK IN PIJPLEIDINGEN

Bij een scherpe verandering in de snelheid van de vloeistof in de drukleiding vertraagt ​​of versnelt de beweging ervan, wat resulteert in traagheidskrachten die respectievelijk leiden tot een toename of afname van de druk in de pijpleiding. Dit fenomeen, dat vaak gepaard gaat met een geluid dat lijkt op het geluid van een doffe impact van vaste voorwerpen, en in sommige gevallen door krachtig schudden van de pijpleiding, wordt genoemd hydraulische schok.

Ondanks het feit dat wetenschappers en ingenieurs al relatief lang bekend zijn met het fenomeen waterslag, dat herhaaldelijk tot ongelukken met pijpleidingen heeft geleid, werd de juiste verklaring voor dit complexe fysieke proces pas in 1898 gegeven door Prof. N. E. Zhukovsky gebaseerd op uitgebreid theoretisch en experimenteel onderzoek. De theorie van waterslag en de door N.E. Zhukovsky afgeleide berekeningsformules werden door wetenschappers en ingenieurs over de hele wereld gebruikt bij het berekenen van pijpleidingen en het verder bestuderen van dit fenomeen.

D Om de waarde van de druktoename in een pijpleiding met een scherpe snelheidsverandering te bepalen, moet u rekening houden met een horizontale pijpleiding met een diameter D, waarlangs met een gemiddelde snelheid v druppel vloeistof die onder druk beweegt R. Wanneer een kraan snel (laten we het als onmiddellijk beschouwen) wordt gesloten, zullen de vloeistofdeeltjes die zich op dat moment direct bij de kraan bevinden ook onmiddellijk stoppen, en zal hun kinetische energie worden omgezet in potentiële energie - de snelheid zal nul worden, en de de vloeistofdruk zal toenemen tot R verslaan(schokdruk), wat zal resulteren in compressie van de vloeistoflaag die zich bij de kraan bevindt en uitzetting van de wanden van de leidingen eromheen. Hierdoor komt er een bepaald (zeer klein) volume vrij en krijgt de volgende vloeistoflaag de kans om iets meer richting de kraan te bewegen.

Omdat de elasticiteitsmoduli van de vloeistof en het buiswandmateriaal vrij groot zijn (bijvoorbeeld voor water E≈ 2∙10 9 Pa, voor staal E≈ 2∙10 11 Pa, voor gietijzer E≈ 1∙10 11 Pa, etc.), dan kan de afname van het volume in de gestopte vloeistoflaag vanwege de kleinheid ervan volledig worden verwaarloosd bij het uitvoeren van berekeningen, maar voor het uitleggen van het proces van waterslag is dit erg belangrijk. Rekening houden met de samendrukbaarheid van een vloeistof en de uitzetting van pijpwanden, voor het eerst uitgevoerd door N.E. Zhukovsky, gaf hem de mogelijkheid om het beeld van een hydraulische schok correct te beschrijven en de belangrijkste berekende afhankelijkheden af ​​te leiden.

Laat gedurende de tijd Δ T nadat de kraan onmiddellijk is gesloten, stopt er een elementair volume vloeistof in de buurt
, ingesloten tussen secties M En NAAR, die zich op een afstand Δ bevinden l los van elkaar . In dit geval zal de snelheid van de vloeistof in dit volume gelijk worden aan nul en zal de druk toenemen R Wauw , links van de sectie M de vloeistof blijft nog steeds met hoge snelheid bewegen v en heeft druk R.

Dus in de tijd Δ T vloeibare massa Δ M in volume Δ V momentum zal verliezen. Drukkrachten werken op het geselecteerde volume, waarvan het resultaat is
en zwaartekracht
. De impulsen van deze krachten gedurende de tijd Δ T zullen P Δ T en Δ Q Δ T .

Laten we de impulsen van externe krachten en de verandering in momentum op de stroomas projecteren en, in overeenstemming met de stelling over de verandering in momentum, deze projecties gelijkstellen. Aangezien de kracht Δ Q werkt normaal op de stroomas, dan zal de projectie van het momentum van deze kracht daarom gelijk zijn aan nul

Houding
in de resulterende vergelijking vertegenwoordigt de voortplantingssnelheid van de hydraulische schok Met(voortplantingssnelheid van schokgolven) in de pijpleiding dus

.

Deze formule N.E. Zhukovsky wordt gebruikt om de drukverhoging te bepalen tijdens de zogenaamde directe hydraulische schok.

Voortplantingssnelheid van schokgolven Met hangt af van de elastische eigenschappen van de vloeistof en de pijpleiding en kan worden gevonden met behulp van de formule

,

Waar E En - modulus van vloeistofelasticiteit; E - elastische modulus van het pijpleidingmateriaal; δ - dikte van de buiswand.

Volgens de betekenis ervan Met dicht bij de snelheid van geluidsvoortplanting in een bepaalde vloeistof
, sinds de noemer
verschilt weinig van eenheid. Ja, voor water een= 1430 m/s, voor stalen waterleidingen c = 1050 - 1350 m/s.

Dus in het geval van een directe hydraulische schok bij een watersnelheid in een stalen pijpleiding van 1 m/s, zal de drukverhoging Δ R zal ongeveer 1 MPa zijn. Een dergelijke sterke drukverhoging vormt een gevaar voor de pijpleiding, dus er moeten beschermende maatregelen worden genomen om een ​​ongeval te voorkomen.

Als we de hydraulische verliezen in de pijpleiding en een aantal andere factoren buiten beschouwing laten, kunnen de processen die plaatsvinden tijdens een hydraulische schok als volgt worden weergegeven. Verhuurd vanuit een reservoir met een aanzienlijke capaciteit over een pijpleidinglengte l en diameter D, druppel vloeistof beweegt met snelheid v. Zoals hierboven werd weergegeven, stopt wanneer je de kraan snel (direct) dichtdraait, ook de vloeistoflaag die zich direct naast de kraan bevindt, onmiddellijk en neemt de druk daarin toe van R voor R verslaan . Door de compressie van de vloeistof en het uitzetten van de buiswanden komt in deze laag een bepaald (zeer klein) volume vrij, waardoor de volgende laag niet gelijktijdig met de eerste, maar na een bepaalde (ook zeer kleine) laag stopt. ) periode. Nadat de tweede laag is gestopt, zullen soortgelijke verschijnselen daarin optreden (drukverhoging tot R verslaan compressie van de vloeistof, uitzetting van de pijpwanden en als gevolg daarvan het vrijkomen van een elementair volume), dan zullen dezelfde verschijnselen optreden in de volgende lagen enzovoort over de gehele lengte van de pijpleiding l tot het allereerste begin (paragraaf N).

Ondanks het onmiddellijk sluiten van de kraan zal het stoppen van alle vloeistof in de pijpleiding dus niet onmiddellijk plaatsvinden, maar na een bepaalde periode eindigen.
.

Op het moment dat de schokgolf het inlaatgedeelte van de pijpleiding bereikt, zal alle vloeistof daarin worden gecomprimeerd, zullen de snelheden van alle deeltjes gelijk zijn aan nul en zal de druk gelijk zijn aan R verslaan. Daarom na een tijdje T in dwarsdoorsnede N er ontstaat een stand waarbij de vloeistofdruk links komt te liggen R, rechts R verslaan =p+ Δ R. Onder dergelijke omstandigheden is evenwicht onmogelijk, dus de vloeistof zal beginnen te bewegen (vanwege de lage samendrukbaarheid van de druppelvloeistof zijn de bewegingen van de deeltjes verwaarloosbaar, maar zij zijn het die het golfproces creëren van het overbrengen van druk in de vloeistof) van de pijpleiding naar het reservoir (van een gebied met hogere druk naar een gebied met lagere druk) en een afname van de druk in de pijpleiding naar de waarde R, die zich met dezelfde snelheid richting de kraan zal verspreiden Met, T . d.w.z. er verschijnt een gereflecteerde golf die na verloop van tijd reikt T secties NAAR. Hoge bloeddruk dus R verslaan bij de kraan na de onmiddellijke sluiting ervan zal nog enige tijd bestaan 2 T= T, genaamd hydraulische schokfase.

Er wordt daarom aangenomen dat de vloeistof- en pijpwanden elastisch zijn tijdens het proces van het verlagen van de druk in de pijpleiding tot een bepaalde waarde R ze keren terug naar hun vorige staat die overeenkomt met deze druk. Het vervormingswerk verandert in kinetische energie en de vloeistof in de pijpleiding krijgt zijn oorspronkelijke snelheid v, maar in de tegenovergestelde richting gericht. Bij deze snelheid heeft de vloeistof in de pijpleiding de neiging los te breken van de kraan, wat resulteert in een negatieve schokgolf met een druk van -Δ R, die met een snelheid van de kraan naar de tank wordt geleid Met, waarbij gecomprimeerde pijpwanden en geëxpandeerde vloeistof achterblijven.

Op het moment dat deze schokgolf (na verloop van tijd) het inlaatgedeelte van de leiding bereikt T) er wordt opnieuw een toestand van niet-evenwicht in gecreëerd - de druk op links zal groot zijn R, rechts R - Δ R, waardoor de uitstroom van vloeistof uit het reservoir in de pijpleiding zal beginnen. Hierdoor zullen vloeibare deeltjes met een snelheid in de pijpleiding bewegen Met, toenemende druk om R, terugkeer van pijpwanden en vloeistof naar hun vorige staat die overeenkomt met de druk R. Dit hele complex van verschijnselen zal zich met een snelheid naar de kraan verspreiden Met en na een bepaalde tijd T de gereflecteerde golf zal de kraan bereiken (sectie NAAR).

IN op het moment dat de gereflecteerde golf de kraan bereikt (d.w.z. na een tijdje). 4 T=2 T nadat deze is gesloten), zal zich een situatie voordoen die zich al voordeed op het moment dat de klep werd gesloten, en als de energiedissipatie wordt verwaarloosd, zal de hele cyclus van waterslag zich opnieuw herhalen. Theoretische grafiek van drukveranderingen in een dwarsdoorsnede NAAR(voor de kraan). Door de aanwezigheid van hydraulische weerstand worden drukschommelingen in de pijpleiding namelijk gedempt (amplitudes Δ R afnemen), bovendien neemt de druk niet onmiddellijk toe (en neemt ook af).

De zogenaamde directe waterslag werd hierboven besproken, waarbij de sluittijd van de klep korter was dan de waterslagfase (d.w.z. T H < T= 2 l/Met).

In het geval van indirecte waterslag (wanneer de klep relatief langzaam wordt gesloten of de pijpleiding kort is, en de gereflecteerde golf er dus in slaagt de klep te bereiken voordat deze wordt gesloten, d.w.z. wanneer T 3 > T = 2l/Met) kan de drukverhoging bij benadering worden bepaald door de formule

.

De eenvoudigste en meest gebruikelijke apparaten om pijpleidingen tegen waterslag te beschermen zijn kleppen en kranen die zorgen voor een langzame sluiting van het stroomgebied, waardoor Δ aanzienlijk wordt verminderd R.

In gevallen waarin de technologie vereist of mogelijk is om de pijpleiding snel te sluiten, nemen ze hun toevlucht tot het installeren van luchtkappen, speciale schokdempers, enz.

P Als er een luchtkap voor de kraan zit op het moment dat de kraan wordt dichtgedraaid NAAR pijpleiding, een deel van de vloeistof komt de dop binnen en comprimeert de lucht die zich daar bevindt, zodat de snelheid van de vloeistof in de pijpleiding niet onmiddellijk zal afnemen, maar geleidelijk; wanneer de druk in de pijpleiding afneemt, zet de lucht uit en verdringt de overtollige vloeistof uit de dop Δ V. Als het volume van de dop voldoende is, als gevolg van de elasticiteit van de lucht en de geleidelijke afname van de snelheid van de vloeistof in de pijpleiding, zal de drukverhoging daarin onbeduidend zijn.

Naast apparaten om pijpleidingen tegen waterslag te beschermen, zijn er speciale apparaten (hydraulische rammen, hydraulische pulsators) waarin waterslag kunstmatig wordt gecreëerd met het oog op het latere gebruik ervan.

Een hydraulische ram is een wateropvoerapparaat dat geen aandrijfmotor heeft, maar gebruik maakt van ( Q 2 ) tot een bepaalde hoogte ( N 2 ) waterenergie ( Q 1 > Q 2 ), vanaf een lagere hoogte ( H 1 ) en gedeeltelijk opnieuw in te stellen ( Q 1 - Q 2 ) via een schokklep in deze tank.

Om de druk van de opgetilde vloeistof te verhogen, worden kunstmatig geïnduceerde en met een bepaalde frequentie werkende hydraulische schokken gebruikt.

De hydraulische pulsator wordt gebruikt in hydraulische monitoren die worden gebruikt bij de hydromechanisatie van mijnbouw- en stripactiviteiten. Met behulp van een hydraulische pulsator worden continue hydraulische schokken (zelf-oscillaties van druk) kunstmatig gecreëerd in een gedeelte van een pijpleiding van een bepaalde lengte direct vóór de hydraulische monitor, waardoor een toename van de waterdruk vóór de hydraulische monitorcilinder wordt verzekerd door 1,5 - 2 keer en produceert een pulserende straal. Dit leidt op zijn beurt tot een verhoging van de productiviteit van de hydraulische breker en een vermindering van het energieverbruik van de hydraulische monitor.

Lezing nr. 13

De boodschap presenteert enkele van de energieaspecten die met het werk gepaard gaan, die algemeen als zeer effectief worden geadverteerd thermische energiebronnen. Er is met name aangetoond dat het optreden van ultrahoge temperatuur- en drukgradiënten alleen mogelijk is in speciaal geprepareerde “schone” homogene vloeistoffen. Onder de ‘technische’ omstandigheden van verwarmingssystemen zijn de door de auteurs van de projecten geclaimde effecten fundamenteel onmogelijk.

Recentelijk is er op grote schaal reclame gemaakt voor populair wetenschappelijke en technische publicaties, waaronder het internet hydrodynamische apparaten, met name bedoeld voor gebruik in lokale verwarmingssystemen. Op het eerste gezicht lijkt het werkingsprincipe van dergelijke apparaten vrij eenvoudig.
Een kenmerkend kenmerk van talrijke beschrijvingen van dergelijke unieke verwarmers is de vrijwel volledige afwezigheid van hun theoretische rechtvaardiging, die helaas geen kwantitatieve beoordeling van de objectiviteit van de aangegeven parameters mogelijk maakt.

Rijst. 1. Schematisch diagram van een klein ketelhuis

In afb. Figuur 1 toont als voorbeeld een schematisch diagram van een stookruimte, waarvan het actieve element is roterend, dat wordt gepresenteerd als een nieuwe generatie warmtemotoren die mechanische, elektrische en akoestische effecten op een vloeistof omzetten in warmte.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

De stijging van de koelvloeistoftemperatuur treedt volgens de auteurs op als gevolg van de volgende effecten: omzetting van mechanische energie als gevolg van interne wrijving die optreedt tijdens de beweging van de koelvloeistof; omzetting van elektrische energie in thermische energie als gevolg van het elektrohydraulische effect en verwarming van thermische elementen; hydro-akoestische energie omgezet in thermische energie als gevolg van cavitatie en vortex-effecten. In het diagram van figuur 2 van de auteurs [ 1 ] de volgende notaties worden geaccepteerd: 1 - elektrische motor, 2 - cavitatiewarmtegenerator, 3 - druk meter, 4 - boiler, 5 - luchtventiel, 6 - verwarmde koelvloeistoftoevoerleiding, 7 - temperatuursensor, 8 - automatische besturingseenheid, 9 - warmtewisselaar, 10 - verwarmingsradiator, 11 - expansievat, 12 - filter voor het reinigen van koelvloeistof, 13 - circulatiepomp.

Het belangrijkste element van het schema is dus cavitatie warmtegenerator 2 , wat in het onderhavige geval een apparaat van het rotortype is, dat veel wordt gebruikt in de chemische industrie (bijvoorbeeld roterende apparaten van de GART-klasse [ 2 ]). Naast roterende apparaten worden momenteel actief reclame gemaakt en pogingen ondernomen om de hoge energieprestaties van vortexapparaten die zijn ontworpen op basis van Ranque-pijpen [3 ].

Systemen cavitatie warmtegeneratoren, ondanks de grote verscheidenheid aan namen (de tweede projecten zijn er blijkbaar nog niet in geslaagd overeenstemming te bereiken over de terminologie) bestaat uit vier hoofdelementen (Fig. 2): aandrijving elektromotor 1, pomp 2, eigenlijk cavitatie warmtegenerator 3 waardoor mechanische energie wordt omgezet in thermische energie en thermische energieverbruiker 4.

Rijst. 2. Typisch blokschema van een cavitatiewarmtegenerator

Elementen van een vereenvoudigd blokdiagram 2 zijn standaard voor vrijwel elk hydraulisch systeem bedoeld voor het transporteren van vloeistof of gas.

Het werkingsprincipe van dergelijke energietransformatoren kan worden waargenomen in het voorbeeld van een openbaar verkrijgbare pomp voor het besproeien van bedden en gazons in zomerhuisjes. Het is noodzakelijk om een ​​gewone pot van drie liter met water te vullen en de pomp te dwingen water uit de pot te halen en het daar te dumpen. Al in 5 - 10 minuten kunt u ervan overtuigd zijn dat u volkomen gelijk heeft James Prescott Joule (1818 - 1889) over de mogelijkheid om mechanische arbeid in warmte om te zetten. Het water in de pot zal opwarmen. Het effect is zelfs nog duidelijker bij het “kortsluiten” van de in- en uitgang van een huisstofzuiger. Maar dit is een riskante demonstratie: de temperatuur stijgt zo snel dat je misschien geen tijd hebt om de ‘invoer’ en ‘uitvoer’ te scheiden, wat tot schade aan het apparaat zal leiden.

De verwarming, waarvan het diagram hier wordt getoond, werkt ongeveer op dezelfde manier als het koelsysteem van een automotor, alleen het omgekeerde probleem wordt opgelost: de temperatuur niet verlagen, maar verhogen. Bij het starten van de installatie komt de werkvloeistof naar buiten hydrodynamische cavitatie energie-omzetter 3 via pomp 2 geserveerd langs een kort pad naar de ingang warmtegenerator. Na enkele circulaties door het kleine (hulp)circuit, wanneer het water de ingestelde temperatuur bereikt, wordt het tweede (werk)circuit aangesloten. De temperatuur van de werkvloeistof daalt, maar wordt vervolgens, met goed gekozen systeemparameters, hersteld naar de vereiste waarde.

Talrijke door fabrikanten geadverteerde ontwerpen van activatoren zijn in feite apparaten die kinetische energie aan de werkvloeistof overbrengen. Volgens de auteurs van de projecten slagen ze daarin door gebruik te maken van ‘speciale’ ontwerpkenmerken warmtegeneratoren en “onconventionele” fysieke effecten om hoge efficiëntiewaarden te bereiken u > 0,9. In een aantal intrigerende gevallen H, volgens testresultaten, groter dan één. Terwijl ze dergelijke ongebruikelijke kenmerken van voldoende bestudeerde hydrodynamische apparaten en processen verklaren, benadrukken onderzoekers dat ze in staat zijn om de onbekende eigenschappen van cavitatieverschijnselen te gebruiken (tot “ koud» thermonucleaire fusie) of torsie velden, die voortkomt uit de roterende beweging van de vloeistof.

In de regel thermodynamische systemen met cavitatie warmtegeneratoren als initiële bron van mechanische energie hebben ze er zelden één, en vaker hebben ze twee elektromotoren, die zorgen voor de circulatie van het koelmiddel door het systeem en omstandigheden creëren voor het in stand houden van hydrodynamische cavitatie. Met andere woorden, elektrische energie E1 met overeenkomstige verliezen k1 omgezet in mechanische energie

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

, (2)

Waar k2- conversiecoëfficiënt (in de terminologie van de auteurs - transformatie) van de mechanische energie van de koelvloeistofstroom in zijn interne energie, en de waarde fluctueert, meestal van 0,9 voor 4 . Als de waarde k2@0,9 Met bepaalde theoretische vereenvoudigingen kunnen de waarden als hoog, maar tot op zekere hoogte reëel worden beschouwd k2 ≥ 1 serieuze theoretische rechtvaardiging vereisen. Het energiefenomeen wordt door de auteurs van de projecten verklaard door het feit dat hun ontwerpen een unieke methode gebruiken om elektrische energie om te zetten in thermische energie door het gebruik van ‘fluctuerend vacuüm onder omstandigheden van harde cavitatie’ en ‘energie van watermoleculen’.

Zonder om voor de hand liggende redenen verder in te gaan op torsie- en thermonucleaire problemen, evenals op de energie van fysiek vacuüm, zullen we enkele kenmerken bekijken van het gebruik van de energie-effecten van hydrodynamische cavitatie in het lichaam en massaoverdrachtsprocessen. De processen van kokende, akoestische en hydrodynamische cavitatie kunnen worden weergegeven als het fenomeen van de vorming van een competitieve fase in een continue vloeistof in de vorm van holtes gevuld met werkvloeistofdamp en opgeloste gassen.

Merk op dat het fenomeen hydrodynamische en akoestische cavitatie, ondanks meer dan een eeuw onderzoek, niet volledig beschreven lijkt te zijn. Alle betrokken onderzoekers cavitatie processen zijn ze het erover eens dat het fenomeen in sommige van zijn verschijningsvormen nog niet voorspelbaar is. De parameters van technische constructies en apparaten, waarvan de werking verband houdt met het optreden en optreden van cavitatie (hydraulische turbines, scheepsmotoren, pompen, menginrichtingen, technologische installaties), samen met de resultaten van theoretische studies, worden aangevuld met experimentele gegevens , waarvan de basis modellering is cavitatie verschijnselen op bijzondere stands [ 4-7 ]. Er is echter al veel bekend over cavitatie. In ieder geval tot op heden zijn de basispatronen die verband houden met het voorkomen en verloop ervan vastgesteld. Wetenschappers en ingenieurs hebben geleerd destructieve manifestaties (bijvoorbeeld supercaviterende scheepsschroeven) met succes te voorkomen en deze te gebruiken in technologische processen wanneer ze iets moeten vernietigen, bijvoorbeeld deeltjes van onoplosbare vloeistoffen, of chemische reacties moeten organiseren die onder normale omstandigheden niet voorkomen .

Onderzoekers hebben lange tijd aandacht besteed aan de energie-effecten die gepaard gaan met het verschijnen van een competitieve fase in een vloeistof onder drukomstandigheden die evenredig zijn met de verzadigde dampdruk van de werkvloeistof. IN 1917 Lord Rayleigh loste het probleem op van de druk die zich in een vloeistof ontwikkelt tijdens het instorten van een ‘lege’ bolvormige holte [ 4 ]. Voor het geval van sferische symmetrie met niet-roterende radiale vloeistofstroom die de holte omringt, werd de vergelijking van kinetische energie verkregen K L

, (3)

Waar pL- vloeistofdichtheid, u- radiale snelheid op een willekeurige afstand r > R vanuit het midden van de holte, v r- radiale snelheid van de spouwmuur. In overeenstemming met de stelling moet de verandering in de kinetische energie van de vloeistof gelijk zijn aan de arbeid die de massa van de vloeistof verricht bij het sluiten van de holte.

(4)

waar is de druk in de vloeistof op afstand, Rmax- straal van de holte op het moment van instorten, R0- uiteindelijke straal van de holte. Gelijkstellen ( 3 ) En ( 4 ), kunnen we tot een vergelijking komen voor de bewegingssnelheid van het oppervlak van een bolvormige holte

. (5)

Dus bijvoorbeeld voor de zaak Rmax =10 -3 m En R 0 = 10 -6 meter bij = 105 Pa, p L =103 kg/m 3 de snelheid van de spouwmuur is gelijk aan v r @ 1,4 × 10 4 m/s, wat een orde van grootte hoger is dan de geluidssnelheid in water. De hoeveelheid kinetische energie van de vloeistof die de cavitatieholte vult, zal in overeenstemming zijn met de vergelijking ( 3 ) waarde

, (6)

Als we dat maar aannemen 10% De kinetische energie van de vloeistof wordt omgezet in warmte, waarna de maximale lokale temperatuurverandering in het gebied van het instorten van de holte ongeveer zal zijn

Waar s @ 4200 J/kg × K- soortelijke warmtecapaciteit van water. Het is logisch om aan te nemen dat bij zulke hoge temperaturen processen op moleculair en atomair niveau mogelijk zijn. Aangenomen moet worden dat het juist deze rekenresultaten waren die de ontwerpers van cavitatiewarmtegeneratoren ertoe brachten de mogelijkheid van "koude" thermonucleaire fusiereacties aan te nemen.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

tafel 1

We moeten niet vergeten dat de uitgevoerde berekeningen zijn verkregen op basis van een theorie die een onbeperkte toename mogelijk maakt van de druk en snelheid van de grenzen van de holte in de laatste stadia van sluiting in een ideale vloeistof met ultieme volumetrische sterkte. z, waarvan de theoretische waarden in de tabel worden gegeven. 1 . Onder invloed van druk en temperatuur kunnen intermoleculaire afstanden in een vloeistof veranderen en wanneer een limiet wordt bereikt die vrij specifiek is voor elke vloeistof, ontstaat er een discontinuïteit. Voor water is de intermoleculaire afstand bijvoorbeeld L 0 @ 3 × 10 -10 meter , waarmee we de maximale trekspanning kunnen bepalen as . (8)

De gegevens van M. Kornfeld werden verkregen voor het geval van het gelijktijdig ontstaan ​​van een concurrerende dampfase in het gehele vloeistofvolume, wat in de praktijk nooit wordt waargenomen. Als water de aangegeven sterkte had, zouden we het krijgen cavitatie onder de omstandigheden van de besproken apparaten onmogelijk zou zijn. In de praktijk kunnen onder de omstandigheden van speciaal bereide vloeistoffen die geen inhomogeniteiten bevatten, dampkernen ontstaan ​​als gevolg van thermische schommelingen. Een toename van het volume van dampkernen is mogelijk als de druk van de verzadigde damp van de vloeistof de externe druk overschrijdt, d.w.z.

, (9)

Waar p sp- verzadigde dampdruk van de vloeistof, sL/sp- coëfficiënt van oppervlaktespanning op het grensvlak vloeistof-damp. Het aantal kernen dat per tijdseenheid stabiliteit kan verliezen in een eenheidsvolume vloeistof wordt bepaald door de vergelijking van Ya.B. Zeldovitsj [ 5 ]

, (10)

Waar N 0 - aantal gevormde kernen, F- constante vermenigvuldiger, KB@ 1,4 × 10 -23 J/K- Boltzmann-constante, T- absolute temperatuur, EEN(R 0 ) - werk van kernvorming

de eerste term karakteriseert de hoeveelheid energie die wordt besteed aan het creëren van een vrij oppervlak, de tweede term ( 11 ) - vormingswerk van een nieuwe holte met straal R0, ten derde, het werk dat nodig is om de holte met stoom te vullen.
Om dus door externe krachten micro-inhomogeniteiten in een homogene vloeistof te creëren, moet er bepaald werk worden verricht. Met andere woorden, een verandering in de toestand van de vloeistof, inclusief de formatie cavitatie kernen, ontstaat als gevolg van de toevoer van energie uit externe bronnen. Het resultaat cavitatie de kern kan zijn volume vergroten of verkleinen, afhankelijk van de verhouding tussen externe druk en dampdruk in de kern. De voorwaarde voor kernelgroei kan worden verkregen door de vergelijkingen ( 11 ) En ( 10 ), d.w.z. uit de vergelijking ( 11 ) bepaal de waarde R0 en vervang deze waarde door de voorwaarde ( 9 )

, (12)

Waar 1/t = dn 0 /dt, T- wachttijd voor een onderbreking in de continuïteit van een eenheidsvolume vloeistof. Ervan uitgaande dat het enkelvoud cavitatie kern qua volume 1cm3 gevormd binnen een seconde en volgens Kornfeld A@ 10 3 1 s - 1 m 3 het blijkt

In dit geval

.(12)

In overeenstemming met ( 12 ) de treksterkte voor water is gelijk aan z @ 1,6 × 10 8 Pa, bijna twee keer minder dan de theoretische Kornfeld-waarde en drie keer minder dan de moleculaire vergelijking ( 8 ).

Zoals experimenteel vastgesteld [ 4 - 7 ], cavitatie de sterkte van vloeistoffen is verschillende ordes van grootte lager dan de theoretische waarden. Bijvoorbeeld, M.G. Sirotyuk [ 7 ] en G. Flynn [ 6 ] metingen werden gepubliceerd cavitatie sterkte van gedestilleerd gezuiverd en leidingwater. Door het meten van de drempelwaarden van akoestische druk bij verschillende frequenties waarbij het optreden van de competitiefase werd geregistreerd, werden de minimale drukwaarden voor onbehandeld leidingwater verkregen Pc r @ 5 × 10 4 Pa, en voor gedistilleerd bereid water - Pc r @ 4 × 10 7 Pa.

Afb.3. Experimentele drempelwaarden voor het optreden van cavitatie in water

De belangrijkste reden voor zo'n aanzienlijke spreiding cavitatie De kracht van water is zijn heterogeniteit, d.w.z. aanwezigheid daarin cavitatie kernen gevuld met gas en vloeistofdamp; met andere woorden, het ontstaan ​​van een competitieve fase vindt plaats op kernen met een kritische straal die al in de vloeistof aanwezig zijn R c r wanneer ze gebieden met lage druk binnendringen.

Als we accepteren dat het kernexpansieproces verloopt volgens een adiabatisch schema, dan is de relatie tussen de initiële PG(0) en actueel PG De gasdruk in de volumevergrotende kern kan worden weergegeven op basis van de Poisson-vergelijking en kan als volgt worden weergegeven

Waar G- adiabatische index. In dit geval kunnen de kinematische parameters grenzend aan de kern die het volume ervan veranderen, worden uitgedrukt door de volgende differentiaalvergelijking [ 5 ]

. (14)

Voor de maximale waarde van de radiale snelheidscomponent, in plaats van de vergelijking ( 5 v r(max) @ 534 m/s, wat erin 26 keer minder, de hypothetische temperatuurgradiënt in overeenstemming met de vergelijking ( 7 ) zal zijn

,(16)

die onevenredig lager is dan de ‘thermonucleaire’ temperaturen die worden genoemd in de publicaties die hieraan zijn gewijd cavitatie warmtegeneratoren. Houd er ook rekening mee dat verwarmingssystemen gebruik maken van gewoon kraanwater met een hoog gasgehalte, dat uiteraard relatief veel gas bevat. Cavitatie met gas gevulde korrels. Wanneer dergelijke kernen zones met lage druk binnendringen, zullen de kernen hun volume vergroten tot een bepaalde maximale waarde, en vervolgens zal hun volume periodiek veranderen met hun eigen frequentie

. (18)

De energie die in de cavitatieholte wordt opgeslagen, wordt gedeeltelijk gegenereerd in de vorm van akoestische trillingen, waarbij de transformatiecoëfficiënt in thermische energie niet groter is dan 1% van de totale energie van de holte.

Houd er rekening mee dat hydrodynamische systemen cavitatie warmtegeneratoren zijn gesloten (Fig. 2), wat de aanwezigheid van een circulatielus suggereert. De vloeistof, die door de lagedrukzone in de warmtegenerator is gegaan, komt daar na korte tijd weer terecht. Een dergelijke vloeistofcirculatie door de cavitatiezone wordt gekenmerkt door hysteresisverschijnselen [ 8 ], wanneer het aantal en de grootteverdeling van cavitatiekernen verandert. Cavitatie de sterkte van de vloeistof neemt af, met gas gevulde bellen circuleren in het systeem, met afmetingen waardoor ze het wateroppervlak in het expansievat niet kunnen bereiken (Fig. 1).

Op basis van de analyse kunnen we dus tot de conclusie komen dat hydrodynamische cavitatie onder de omstandigheden van warmtegeneratoren niet kan worden beschouwd als een bron van extra energie. Een ensemble van uitdijend, instortend en pulserend cavitatie De grot wordt gepresenteerd als een soort energietransformator, waarvan het rendement, zoals bij elke transformator, in principe niet hoger kan zijn dan één.

Literatuur

tstu.ru/structure/kafedra/doc/maxp/eito6.doc

Fridman V.M. Ultrasone chemische apparatuur. - M.: Werktuigbouwkunde, 1967. - 211 p.

Potapov Yu.S., Fominsky L.P., Vortex-energie en vanuit het standpunt van de bewegingstheorie. - Chisinau - Tsjerkassy: OKO-Plus. ,2000. - 387 blz.

Knapp R., Daly J., Hammit F. Cavitatie. - M.: Mir, 1974. - 678 p.

Pernik A.D. Cavitatie problemen. - L.: Scheepsbouw, 1966. - 435 p.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Flin G. Fysica van akoestische cavitatie in vloeistoffen. In het boek. Fysieke akoestiek, // red. W. Mason, T 1, - M.: Mir, 1967, blz. 7 - 128.

Sirotyuk M.G. Experimentele studies van ultrasone cavitatie. In het boek. Krachtige ultrasone velden, // red. L.D. Rosenberg, 1968. blz. 168 - 220.

Vasiltsov EA, Isakov A.Ya. Hysterese-eigenschappen van cavitatie // Toegepaste akoestiek. Vol. 6. -Taganrog: TRTI, 1974. -P.169-175.

Het fenomeen cavitatie is in wetenschap en technologie al iets meer dan honderd jaar bekend. Laten we dit fysieke proces en de reikwijdte van de praktische toepassing ervan eens bekijken.

Definitie

Cavitatie- (van het Latijnse cavitas - leegte) - de vorming in een vloeistof van holtes (cavitatiebellen of grotten) gevuld met gas, stoom of een mengsel daarvan. Cavitatie treedt op als gevolg van een lokale drukdaling in de vloeistof, die kan optreden met een toename van de snelheid (hydrodynamische cavitatie), of met het passeren van een akoestische golf met hoge intensiteit tijdens de halveringsperiode van de verdunning (akoestische cavitatie). ); er zijn andere redenen voor het effect. Bewegend met de stroom naar een gebied met hogere druk of tijdens de halve cyclus van compressie, stort de cavitatiebel in elkaar en zendt een schokgolf uit.

Cavitatie nummer

Cavitatiestroom wordt gekenmerkt door een dimensieloze parameter (cavitatiegetal):

• P – hydrostatische druk van de tegemoetkomende stroom, Pa;
• P s – druk van verzadigde vloeistofdamp bij een bepaalde omgevingstemperatuur, Pa;
• ρ – dichtheid van het medium, kg/m3;
• V – stroomsnelheid bij de ingang van het systeem, m/s.

Het is bekend dat cavitatie optreedt wanneer de stroom de grenssnelheid V = Vc bereikt, wanneer de druk in de stroom gelijk wordt aan de verdampingsdruk (verzadigde damp). Deze snelheid komt overeen met de grenswaarde van het cavitatiecriterium.

Afhankelijk van de waarde van Χ kunnen vier soorten stromen worden onderscheiden:

• pre-cavitatie - continue (eenfasige) stroom bij Χ>1;
• cavitatie - (tweefasige) stroming bij Χ~1;
• film - met stabiele scheiding van de cavitatieholte van de rest van de continue stroom (filmcavitatie) bij Χ< 1;
• supercavitatie - bij Χ<<1.

Beoordeling

Het fysieke proces van cavitatie ligt dicht bij het proces van het koken van een vloeistof. Het belangrijkste verschil tussen beide is dat wanneer de relatieve stroomsnelheid ten opzichte van het lichaam toeneemt, de stroomdruk afneemt tot de druk van verzadigde dampen (vacuüm). In dit geval kookt de vloeistof en worden cavitatiedamp-gasbellen van microscopisch kleine afmetingen gevormd. Cavitatiebellen, die een gebied met hoge druk binnendringen, storten in (sluiten, condenseren) in cumulatieve stromen in punten. Op deze punten, en dat zijn er enorm veel, leiden cumulatieve effecten tot een puntverhoging van de druk tot tienduizenden atmosfeer, met de vorming van punttemperaturen van tienduizenden graden Kelvin. Bovendien leidt het scherpe (plotselinge) verdwijnen van cavitatiebellen tot de vorming van hydraulische schokken, en als gevolg daarvan tot het ontstaan ​​van een compressie- en spanningsgolf in de vloeistof met een ultrasone frequentie. Als de schokgolf onderweg een obstakel tegenkomt, vernietigt hij het oppervlak ervan. Er zijn behoorlijk veel cavitatiebellen en hun ineenstorting vindt vele duizenden keren per seconde plaats, dus cavitatie kan tot aanzienlijke schade leiden.

De energie van instortende bellen wordt besteed aan de emissie van schokgolven, aan de lokale verwarming van het gas dat zich in de instortende cavitatieholten bevindt, aan de excitatie van sonoluminescentie, aan de vorming van vrije radicalen, en ook aan het creëren van geluid.

Hydrodynamische cavitatie

Komt voor in die delen van de stroom waar de druk daalt tot een bepaalde kritische waarde. Bellen van gas of damp die in een vloeistof aanwezig zijn, die met de vloeistofstroom meebewegen en een drukgebied binnenkomen dat minder dan kritisch is, krijgen het vermogen om onbeperkt te groeien. Na verplaatsing naar een zone met lage druk stopt de groei en beginnen de bellen af ​​te nemen. Als de bellen een voldoende grote hoeveelheid gas bevatten, worden ze, wanneer ze een minimale straal bereiken, hersteld en voeren ze verschillende cycli van gedempte oscillaties uit, en als er weinig is, stort de bel volledig in de eerste cyclus in.

Zo ontstaat nabij het gestroomlijnde lichaam een ​​cavitatiezone gevuld met bewegende bellen. De samentrekking van de cavitatiebel vindt plaats met hoge snelheid en gaat gepaard met een geluidspuls, hoe sterker hoe minder gas de bel bevat. Als de mate van cavitatieontwikkeling zodanig is dat veel bellen ontstaan ​​en instorten, dan gaat het fenomeen gepaard met sterke ruis met een continu spectrum van enkele honderden hertz tot honderden kilohertz. Het spectrum breidt zich uit naar het lage frequentiegebied naarmate de maximale straal van de bellen toeneemt.

Als de vloeistof perfect homogeen zou zijn en het oppervlak van de vaste stof waarmee deze grenst idealiter bevochtigbaar zou zijn, dan zou breuk optreden bij een druk lager dan de verzadigde dampdruk van de vloeistof, waarbij de vloeistof onstabiel wordt. De theoretische treksterkte van water bedraagt ​​1500 kg/cm. echte vloeistoffen zijn minder duurzaam. De maximale treksterkte van grondig gezuiverd water, bereikt door water op 10 graden uit te rekken. bedraagt ​​260 kg/cm. Normaal gesproken treedt breuk op bij verzadigde dampdrukken. De lage sterkte van echte vloeistoffen wordt geassocieerd met de aanwezigheid van cavitatiekernen daarin - slecht bevochtigde delen van een vast lichaam, vaste deeltjes, met gas gevulde deeltjes, enz.

Een toename van de stroomsnelheid na het begin van cavitatie brengt een snelle toename van het aantal zich ontwikkelende bellen met zich mee, waarna ze zich verenigen in een gemeenschappelijke cavitacivern en de stroom een ​​straal wordt.

Bij slecht gestroomlijnde lichamen met scherpe randen treedt zeer snel de vorming van een straalachtige cavitatie op. De aanwezigheid van cavitatie heeft een negatieve invloed op de werking van hydraulische machines, turbines, pompen, scheepsschroeven en dwingt tot het nemen van maatregelen om cavitatie te voorkomen. Als dit onmogelijk blijkt te zijn, is het in sommige gevallen nuttig om de ontwikkeling van cavitatie te verbeteren, de zogenaamde "supercavitatie" -modus te creëren, gekenmerkt door de jet-aard van de stroming, en, met behulp van speciale profilering van de bladen, zorgen voor gunstige bedrijfsomstandigheden voor de mechanismen. Het sluiten van cavitatiebellen nabij het oppervlak van een gestroomlijnd lichaam leidt vaak tot vernietiging van het oppervlak, de zogenaamde cavitatie-erosie. Om het instorten van cavitatiebellen te voorkomen, is het noodzakelijk om wat gas, bijvoorbeeld lucht, naar het gebied met lage druk te voeren.

Gunstige toepassingen van cavitatie

Hoewel cavitatie in veel gevallen ongewenst is, zijn er uitzonderingen op het nuttige gebruik ervan:

• In de industrie wordt cavitatie vaak gebruikt om zwevende deeltjes te homogeniseren of te mengen en af ​​te zetten in een colloïdale vloeibare samenstelling, zoals verfmengsels of melk. Veel industriële mengers zijn gebaseerd op dit ontwikkelde principe. Dit wordt meestal bereikt door het ontwerp van hydraulische turbines of door het mengsel door een ringvormige opening te leiden die een smalle inlaat en een veel grotere uitlaat heeft: de gedwongen drukverlaging leidt tot cavitatie omdat de vloeistof naar een groter volume neigt. Deze methode kan worden gecontroleerd door hydraulische apparaten die de grootte van de inlaatopening regelen, waardoor het proces in verschillende omgevingen kan worden aangepast. De buitenkant van mengkranen, waar de cavitatiebellen wegbewegen en implosie (interne explosie) veroorzaken, staat onder enorme druk en is vaak gemaakt van ultrasterke of taaie materialen zoals roestvrij staal, stelliet of zelfs polykristallijne diamant.

  Als resultaat van jarenlang onderzoek hebben specialisten van het innovatie- en implementatiebedrijf "Kvarta" een vloeibare cavitator naar hun eigen ontwerp gemaakt. Deze cavitator maakt gebruik van de gecombineerde effecten van cumulatieve jets en hydrodynamische effecten, wat tot het volgende leidt:

  • emulgering van doorgaans niet-mengbare producten (bijvoorbeeld stookolie-water);
  • het breken van lange polymeerketens in aardolieproducten, waardoor deze in een nieuwe structurele staat worden omgezet;
  • het vermalen (dispergeren) van vaste deeltjes in een vloeistof tot op micronniveau;
  • homogenisering van het verwerkte product;
  • intensivering van chemische reacties tientallen en soms zelfs duizenden keren;
  • sterilisatie van de vloeistof die wordt verwerkt.
  Op basis van onze vloeistofcavitator zijn een aantal aanpassingen aan apparatuur gemaakt die in verschillende technologische processen kunnen worden gebruikt.
• Voor ultrasone oppervlaktereiniging worden apparaten gebruikt die cavitatie creëren met behulp van geluidsgolven en de vernietiging van cavitatiebellen. Op deze manier gebruikt kan de behoefte aan zuivering van schadelijke chemicaliën worden verminderd in veel industriële en commerciële processen waarbij zuivering vereist is als productiestap. Tot nu toe zijn de details van hoe de bellen reinigen niet volledig begrepen.
• Het leger maakt gebruik van supercavitatietorpedo's, die zijn omhuld door grote cavitatiebellen. Door het contact met water aanzienlijk te verminderen, kunnen deze torpedo's veel sneller reizen dan conventionele torpedo's. Deze onderzoeken werden uitgevoerd aan het Instituut voor Vloeistofmechanica van de Nationale Academie van Wetenschappen van Oekraïne.

De term "cavitatie" komt van het Latijnse - Cavita's(depressie, uitsparing, holte).
Deze term wordt meestal gebruikt om een ​​fysisch proces aan te duiden dat onder een aantal omstandigheden in vloeistoffen plaatsvindt en gepaard gaat met de vorming en ineenstorting van een groot aantal bellen (holtes, holtes).

Cavitatie kan grofweg worden onderverdeeld in twee subtypen, afhankelijk van de oorsprong ervan: hydrodynamisch en akoestisch.
Op zijn beurt kent hydrodynamische cavitatie nog twee subklassen - laten we ze statisch en dynamisch noemen.

Wat is cavitatie als een proces van fysische en chemische eigenschappen?
Het effect van cavitatie versnelde de afzetting van zouten uit het water, wat leidde tot het vastlopen van de waaier van de NBB-25-pomp.

P (atm.)	T°C
0.01	6.7
0.02	17.2
0.04	28.6
0.1	45.4
0.2	59.7
0.3	68.7
0.4	75.4
0.5	80.9
0.6	85.5
0.7	89.5
0.8	93
0.9	96.2
1	99.1
1.033	100

Water in de natuur is geen homogeen en schoon medium zonder onzuiverheden. Alle vloeistoffen zijn oplossingen die een vrij grote hoeveelheid onzuiverheden bevatten, voornamelijk atmosferische gassen. Er lost bijna twee keer zoveel stikstof op in water uit de atmosferische lucht als zuurstof.

Zo lost ongeveer 665 ml kooldioxide op in 1 liter water bij een temperatuur van 20°C, en drie keer zoveel bij 0°C.
meer, 1995 ml. Bij een temperatuur van 0°C in één liter H2O kan worden opgelost: Hij- 10 ml, H2S- 4630 ml.

Een toename van de druk brengt een toename van de oplosbaarheid van gassen met zich mee.

Bij een druk van 25 atm lost bijvoorbeeld 16,3 liter kooldioxide op in 1 liter water, en bij 53 atm 26,9 liter. Het verlagen van de druk heeft dus het tegenovergestelde effect. Als u een bak met water een nacht laat staan, vormen zich gasbellen op de muren. In een glas frisdrank is dit nog duidelijker en sneller te zien. Tijdens het koken van water zien we ook de vorming van bellen met gas en stoom.

Cavitatie (thermisch) is in zekere zin hetzelfde kookproces dat niet alleen wordt veroorzaakt door een temperatuurstijging
(hoewel dit ook één van de factoren is bij de vorming van cavitatie.) Door de combinatie van twee factoren, verhoogde temperatuur en verlaagde druk boven de vloeistof, ontstaat er een cavitatieproces, waarbij de vloeistof overgaat in een gas-watermengsel.

Door met een vacuümpomp lucht uit een glazen fles te pompen, verkrijgen we het proces van cavitatie “koken” bij kamertemperatuur.

Videodemonstratie van het beschreven effect.

Dit is vooral van cruciaal belang en wordt het vaakst aangetroffen in zuigpompsystemen. De waaier of schroef creëert een vacuüm in de zuigleiding, wat, in het geval van een gebrek aan vloeistof bij de inlaat (vernauwing van de doorgang, overmatig aantal windingen van de pijpleiding, enz.), omstandigheden creëert voor cavitatiekoken van de vloeistof.

Heel vaak stellen klanten de vraag: waarom kunnen ze geen vloeistoffen met een hoge temperatuur opzuigen? Het antwoord ligt aan de oppervlakte: wanneer de druk in de zuigleiding afneemt, gaat het grootste deel van het water over naar de volgende aggregatietoestand, de zogenaamde. een water-gasmengsel (dat wil zeggen cavitatie kokend water), dat in principe niet meer te tillen is met een conventionele waterpomp.
Een oplossing van vloeistof en gas is onder normale omstandigheden in evenwicht, d.w.z. de druk in de vloeistof is groter dan de verzadigde dampdruk van het gas, en het systeem is stabiel. In gevallen waarin dit evenwicht in het systeem wordt verstoord, vormen zich cavitatiebellen.
Laten we eens kijken naar het geval van de vorming van cavitatie in een statisch systeem.

Meestal vormt zich cavitatie in het gebied op de drukleiding van de pomp, als deze versmald is.
Die. de vloeistofdruk daalt na vernauwing (volgens de wet van Bernoulli), omdat verliezen en kinetische energie nemen toe.
De verzadigde dampdruk wordt groter dan de interne druk in de vloeistof met de vorming van bellen/holtes. Na het passeren van een smal gedeelte (dit kan een enigszins geopende klep zijn, een plaatselijke vernauwing, etc.) daalt de stroomsnelheid, neemt de druk toe en klappen de gas- en dampbellen in elkaar. Bovendien is de energie die in dit geval vrijkomt heel erg groot, waardoor (vooral als dit gebeurt in bellen die zich op de wanden bevinden) micro-waterslagen optreden, met als gevolg schade aan de wanden. In dit geval zal het proces, als er geen maatregelen worden genomen, de volledige vernietiging van de wanden van het pompgedeelte bereiken. Trillingen en meer geluid in de pomp en leidingen zijn de eerste tekenen van cavitatie.

De belangrijkste zwakke punten in hydraulische systemen zijn plaatsen met vernauwing, plotselinge veranderingen in de snelheid van de vloeistofstroom (kleppen, kranen, schuifafsluiters) en pompwaaiers. Ze worden kwetsbaarder naarmate de oppervlakteruwheid toeneemt.

Rekening houden met de cavitatiereserve van de pomp in de systeemontwerpfase.

Om een ​​voldoende cavitatiereserve van het systeem te berekenen, is het noodzakelijk om te berekenen
H– de maximaal mogelijke zuighoogte voor de gegeven omstandigheden, voor de gegeven pomp en zijn prestaties.
,Waar
Hf- verliezen in de zuigleiding (mwk) in meters waterkolom,
Hv- verzadigde dampdruk van de vloeistof bij bedrijfstemperatuur (m),
Hs- door ontwerpers aanvaarde veiligheidsmarge – 0,5 m.v.st.,
Pb- druk boven de vloeistof - in een open systeem is dit de atmosferische druk, ongeveer gelijk aan 10,2 m.v.st. ( Pb*10,2)
Kenmerken van de pomp NPSH(Netto positieve zuighoogte) betekent de zuighoogte gemeten bij de zuiginlaat van de pomp, aangepast aan de dampdruk van de specifieke vloeistof die wordt gepompt, bij maximale pompcapaciteit.

Die. fysieke betekenis van de formule H= Pb*10,2 – NPSH – Hf – Hv – Hs is dat bij de maximale bedrijfsparameters van de pomp het vacuüm in de aanzuigleiding de verzadigde dampdruk van de vloeistof bij de bedrijfstemperatuur niet overschrijdt, d.w.z. het systeem zou de druk hebben die nodig is voor een cavitatievrije werking.

Vanaf hier liggen andere manieren om de kans op cavitatie te verminderen volledig voor de hand:
- verander de zuigdiameter naar een grotere - verminder verliezen ( Hf),
- verplaats de pomp dichter bij het vloeistofinlaatpunt - verminder verliezen ( Hf),
- installeer een gladdere buis, verminder het aantal windingen, kleppen, kleppen - verminder verliezen ( Hf),
- verminder het zuigvacuüm door de installatiehoogte van de pomp te veranderen of door gebruik te maken van boosterpompapparatuur - verhoog ( Pb),
- verlaag de temperatuur van de vloeistof - verlaag ( Hv),
- verminder de pompprestaties, verminder het aantal omwentelingen - lager ( NPSH).
Al deze maatregelen zijn gericht op het verminderen van de kans op cavitatie in de pomp en leiden tot een langdurige en veilige werking van de pompen.

Het apparaat is ontworpen voor intensieve verwerking van vloeistofstromen om de energieverzadiging ervan te vergroten. Het doel van de uitvinding is het stabiliseren van de kenmerken van cavitatie, het verminderen van erosie van apparaatonderdelen en het verkrijgen van met energie verzadigde vloeistofstromen, inclusief water. Het apparaat is gemaakt in de vorm van een pijp met bij de inlaatopening een eindkap - een stroomversneller, een cilindrische kamer-stroomscheider, een mantelkamer, een stroomontvanger, een cavitatie-inzetstuk geplaatst in een verwarringskamer gemaakt in de vorm van een ringvormig kanaal en een geluiddemperkamer. De vloeistofstroom die als gevolg van rotatie door de kanalen in het einddeksel in de cilindrische kamer wordt toegevoerd, wordt verdeeld in een perifere verwarmde en een axiale, koelere. De perifere stroom door de stroomontvanger komt het binnenste deel van het cavitatie-inzetstuk binnen, de axiale stroom door de kanalen in de eindafdekking komt de mantelkamer binnen en van daaruit via de radiale kanalen de verwarringskamer in. Wanneer twee stromen bij de uitgang van het mondstuk worden gemengd, treedt cavitatie op, waardoor de tijdens beweging verzamelde kinetische energie wordt omgezet in thermische energie en de vloeistof opwarmt. Het technische resultaat dat wordt bereikt met het apparaat van het voorgestelde ontwerp is de stabilisatie van de cavitatie-eigenschappen, het verhogen van de intensiteit van het proces door het aantal cavitatie-opwekkingspunten te vergroten, het verkrijgen van een met energie verzadigde vloeistofstroom en het vereenvoudigen van de besturing van het apparaat. 1 ziek.

De uitvinding heeft betrekking op het gebied van de technische hydrodynamica en kan worden gebruikt in apparaten die zijn ontworpen voor het intensief verwerken van vloeistofstromen om de energie ervan te vergroten. Cavitatie verwijst naar fysische verschijnselen waarvan het industriële gebruik zich momenteel actief ontwikkelt, zonder volledig te zijn onderzocht. Afhankelijk van het ontwerp van cavitatieapparaten kan het cavitatie-effect op een vloeibaar medium verschillend zijn: cumulatieve schok, energie, ionisatie, etc. Er is een cavitatieapparaat bekend dat een ultrasone activator bevat, waarbij het cavitatie-effect optreedt door het ontstaan ​​van periodiek veranderende druk. Als resultaat wordt kinetische energie omgezet in ionisatie-energie van vloeibare moleculen (RF-octrooi 2054604, F 24 J 3/00, 1995). Het nadeel van dit apparaat is de complexiteit van het ontwerp. Er is een apparaat bekend voor het verhogen van de energie van een vloeistof om het pompen ervan te vergemakkelijken, dat een caviterende Venturibuis bevat waarin oscillaties in de vloeistofdruk worden gegenereerd (Auth. Certificate USSR 543824, F 28 F 13/10, 1977). Het nadeel van de bekende inrichting is de lage intensiteit van de daarin gecreëerde cavitatie. Er is een inrichting voor het dispergeren van vloeistof bekend, die een behuizing bevat waarin een gas-vloeistofmengsel wordt geïnjecteerd via een tangentieel geplaatst mondstuk, en een bolvormige kap die zich aan het tegenoverliggende uiteinde van de behuizing bevindt. In het lichaam wordt een wervelende stroom gevormd, die een lusvormige beweging maakt bij de bolvormige afdekking en terugkeert naar het begin van de beweging, waar deze door het centrale mondstuk wordt afgevoerd, wat resulteert in de verspreiding van de vloeistof (Auth. Certificate USSR 1685543, B 05 B 7/10, 1991 ) Het ontwerp van dit apparaat is gericht op het verkrijgen van een fijn verspreide vloeistof zonder de energiekarakteristieken ervan te veranderen. De dichtstbijzijnde analogie in technische essentie is een hydrodynamisch cavitatieapparaat, gemaakt in de vorm van een pijp met inlaat- en uitlaatopeningen, een cilindrische kamer, een cavitatie-inzetstuk en een verwarringskamer (Fedotkin I.M., Nemchin A.F. Gebruik van cavitatie in technologische processen. Kiev Vischaschool, 1984, pp.12-13, 32). Het nadeel van de bekende inrichting is de gevoeligheid voor erosie van cavitatieplaatsen, de instabiliteit van de karakteristieken van het cavitatieproces, en de moeilijkheid om de inrichting te controleren. Het technische resultaat dat wordt bereikt met het apparaat van het voorgestelde ontwerp is de stabilisatie van de cavitatie-eigenschappen, het verhogen van de intensiteit van het proces door het aantal cavitatie-opwekkingspunten te vergroten, het verkrijgen van een met energie verzadigde vloeistofstroom en het vereenvoudigen van de besturing van het apparaat. Dit resultaat wordt bereikt dankzij het feit dat het hydrodynamische cavitatieapparaat, gemaakt in de vorm van een pijp met inlaat- en uitlaatopeningen, een cilindrische kamer, een cavitatie-inzetstuk en een verwarringskamer, volgens de uitvinding is uitgerust met een einddeksel, een coaxiale mantelkamer, een stroomontvanger, een geluiddemperkamer, waarbij de eindafdekking perifere tangentiële kanalen bevat voor het toevoeren van vloeistof van de pomp naar de cilindrische kamer en kanalen voor het verbinden van de cilindrische kamer met de cavitatiekamer en zich in het inlaatgat bevindt, de stroomontvanger is cilindrisch gemaakt met gaten en spiraalvormige kanalen die de cilindrische kamer verbinden met het cavitatie-inzetstuk, en bevindt zich bij de uitgang van de cilindrische kamer, het cavitatie-inzetstuk is gemaakt in de vorm van een coaxiaal mondstuk en geplaatst in een verwarringskamer, gemaakt in de vorm van een ringvormig kanaal en door kanalen verbonden met de mantelkamer, en de geluiddemperkamer bevindt zich aan de uitlaat van het apparaat. Het ontwerp van een hydrodynamisch cavitatieapparaat in langsdoorsnede is weergegeven in de tekening. Het apparaat is gemaakt in de vorm van een pijp, die bij de inlaat wordt begrensd door een eindkap 1, die de rol speelt van een stroomversneller, waarin perifere tangentiële kanalen 2 zijn gemaakt, waardoor vloeistof van de pomp wordt toegevoerd de cilindrische kamer 3. Aan het andere uiteinde wordt de kamer begrensd door een stroomontvanger 4 die zich langs het cilindrische oppervlak bevindt door spiraalvormige kanalen 6, met een ingang via gaten 5 voor verbinding met een cavitatie-inzetmondstuk 7 geplaatst in een verwarringskamer 8. De ringvormige kamermantel 9 is via kanalen 10 verbonden met een cilindrische kamer en via kanalen 11 met de verwarringskamer. De verwarringskamer gaat over in een geluiddemperkamer 12, van waaruit de vloeistof via de uitlaat wordt afgevoerd. Het apparaat werkt als volgt. De vloeistof wordt door een pomp aan de cilindrische kamer 3 toegevoerd via perifere tangentiële kanalen 2 die zich in het deksel bevinden, waarvan de dwarsdoorsnede het mogelijk maakt dat de perifere stroomsnelheid wordt verhoogd. Bij het verlaten van de tangentiële kanalen in de cilindrische kamer wordt de wervelende stroom verwarmd door expansie en ondergaat een verdere rotatie-translatiebeweging in de richting van de stroomontvanger, met verhoogde druk in de omtrek van de cilindrische kamer en verminderde druk in het axiale deel van de kamer. de stroom. Als gevolg hiervan draait een deel van de stroming zich om en wordt, waarbij een rotatie-translatiebeweging in de lagedrukzone wordt uitgevoerd, naar het deksel gericht, terwijl in de lagedrukzone cavitatiebellen worden gevormd. De perifere stroom, die de stroomontvanger 4 heeft bereikt, komt via de gaten 5 de spiraalvormige kanalen 6 binnen, waardoor de omtreksnelheid toeneemt, en vervolgens in de interne holte van het cavitatie-inzetstuk 7. De wervelende axiale stroom met verminderde druk Bij het bereiken van het einddeksel van de cilindrische kamer worden door het inlaatgat in het midden van het deksel en de radiale kanalen 10 daarin versneld en naar de mantelkamer 9 geleid. Bij het betreden van de mantelkamer zet de stroom uit en treedt gedeeltelijke verwarming op . Vanuit de mantelkamer komt de stroom door kanalen 11 het ringvormige kanaal van de verwarringskamer 8 binnen. Er zijn twee stromen: de rotatie-translationele gevormd in het cavitatie-inzetmondstuk 7 en de translatie uit de verwarringskamer 8 in het smalle deel van het ringvormige kanaal komt samen en mengt zich, met verschillende snelheden en drukken. Dit leidt tot de vorming van een maximaal aantal cavitatiebellen van een bepaalde grootte. Wanneer ze instorten, wordt kinetische energie omgezet in thermische energie, wat resulteert in een stijging van de temperatuur van de vloeistof. In de geluiddemperkamer 12 worden turbulente cavitatieprocessen gedoofd; een laminaire stroom van verwarmde vloeistof komt de pijpleiding binnen via de uitlaat en keert via de pomp terug naar het apparaat voor verdere verwarming. Wanneer de vloeistof de vereiste temperatuur bereikt, wordt deze gebruikt voor verwarming. Wanneer water in één keer als vloeistof wordt gebruikt, heeft dit een volume van 12 kubieke meter. m/uur door een cavitatieapparaat met een diameter van 160 mm stijgt de temperatuur met maar liefst 2 graden C. De hoeveelheid incrementele energie bedraagt ​​minimaal 26.300 kJ met een energieverbruik voor het verpompen van water van 18.000 kJ. Als de energie die wordt besteed aan het verpompen van water wordt gebruikt voor directe elektrische verwarming van water, dan zal bij hetzelfde waterverbruik en uitgaande van een efficiëntie van 100% de temperatuurstijging niet meer dan 0,35 graden C bedragen.

Claim

1. Hydrodynamisch cavitatieapparaat vervaardigd in de vorm van een pijp met inlaat- en uitlaatopeningen, een cilindrische kamer, een cavitatie-inzetstuk en een verwarringskamer, met het kenmerk dat het is uitgerust met een einddeksel, een coaxiale mantelkamer, een stroomontvanger, een geluiddemperkamer, en het einddeksel bevat perifere tangentiële kanalen voor het toevoeren van vloeistof van de pomp naar de cilindrische kamer en kanalen voor het verbinden van de cilindrische kamer met de mantelkamer en bevinden zich in de inlaat, de stroomontvanger is cilindrisch-conisch gemaakt met gaten en spiraalvormige kanalen die de cilindrische kamer verbinden met het cavitatie-inzetstuk, en bevinden zich aan de uitlaat van de cilindrische kamer. Het cavitatie-inzetstuk is gemaakt in de vorm van een coaxiaal mondstuk en geplaatst in een verwarringskamer, gemaakt in de vorm van een ringvormig kanaal en via kanalen verbonden met de mantelkamer, en de geluiddemperkamer bevindt zich aan de uitlaat van het apparaat.