RU2204762C2 - Method for exciting cavitation within liquid medium - Google Patents
Method for exciting cavitation within liquid medium Download PDFInfo
- Publication number
- RU2204762C2 RU2204762C2 RU2001119352/06A RU2001119352A RU2204762C2 RU 2204762 C2 RU2204762 C2 RU 2204762C2 RU 2001119352/06 A RU2001119352/06 A RU 2001119352/06A RU 2001119352 A RU2001119352 A RU 2001119352A RU 2204762 C2 RU2204762 C2 RU 2204762C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cavitation
- volume
- medium
- liquid medium
- energy
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области создания и развития универсальных технологий, к которым относится и процесс кавитации, возбуждаемый в жидкой среде. Сфера применения кавитации как технологического средства, отличающегося высокой энергонасыщенностью, весьма широка. Она может эффективно применяться в областях машиностроения, энергетики, химии и т.п. The invention relates to the field of creation and development of universal technologies, which include the cavitation process, excited in a liquid medium. The scope of cavitation as a technological tool, characterized by high energy saturation, is very wide. It can be effectively applied in the fields of mechanical engineering, energy, chemistry, etc.
Традиционно кавитацию вызывают генерированием интенсивных звуковых волн в жидкости. Такие волны создают чередующиеся области сжатия (уплотнения) и разрежения, в которых образуются пузырьки диаметром 30-300 мкм. Пузырьки имеют свойство резко схлопываться менее чем за одну микросекунду, так, что содержащаяся в них парогазовая смесь нагревается до 5500oC и выше. Кроме того, схлопывание сопровождается ударной волной, на фронте которой развивается давление до 1000 атм и выше. Тепловой и динамический факторы, сопровождающие кавитацию, нашли широкое применение в различных отраслях производства.Cavitation is traditionally caused by the generation of intense sound waves in a fluid. Such waves create alternating areas of compression (compaction) and rarefaction, in which bubbles with a diameter of 30-300 microns are formed. Bubbles tend to collapse sharply in less than one microsecond, so that the vapor-gas mixture contained in them is heated to 5500 o C and above. In addition, collapse is accompanied by a shock wave, at the front of which a pressure of up to 1000 atm and above develops. The thermal and dynamic factors accompanying cavitation are widely used in various industries.
Наиболее бурно развиваемой областью применения кавитации является теплоэнергетика. Известен способ возбуждения кавитации в жидкой среде для целей теплогенерации, который состоит в том, что воду подают на вход вихревой трубы теплогенератора, аналогичной по конструкции вихревой трубе Ранке, развивая давление на входе до 6 атм. В улитке вихревой трубы поток воды закручивается в вихревой столб, который вращаясь, перемещается вдоль стенок трубы к так называемому горячему концу, перед выходным отверстием которого установлено тормозное устройство, представляющее собой соосную вихревой трубе втулку с рядом ребер, ориентированных радиально оси трубы [1]. При торможении вращения вихревого потока воды на ребрах тормозного устройства возникает кавитация. Сопровождающие ее звуковые колебания резонансно усиливаются на частотах, совпадающих с собственными частотами звуковых колебаний столба воды в цилиндрической части вихревой трубы. The most rapidly developing field of application of cavitation is heat power engineering. A known method of exciting cavitation in a liquid medium for heat generation, which consists in the fact that the water is supplied to the inlet of the vortex tube of the heat generator, similar in design to the Ranke vortex tube, developing an inlet pressure of up to 6 atm. In the cochlear vortex tube, the water flow is twisted into a vortex column, which rotates, moves along the walls of the pipe to the so-called hot end, in front of the outlet of which a braking device is installed, which is a sleeve coaxial with the vortex tube with a number of ribs oriented radially to the pipe axis [1]. When braking the rotation of the vortex water flow, cavitation occurs on the edges of the braking device. The sound vibrations accompanying it are resonantly amplified at frequencies that coincide with the natural frequencies of the sound vibrations of the water column in the cylindrical part of the vortex tube.
В описанном аналоге коэффициент преобразования энергии достигает значений от 1,3 до 2,0, однако работа устройства не отличается стабильностью, так как весьма сложно настроить на резонанс генерируемые на тормозном устройстве звуковые колебания с собственными частотами колебаний столба воды, формирующегося в вихревой трубе. Незначительные колебания давления воды на входе в трубу ведут к разбалансировке по частоте акустических колебаний и даже малое рассогласование резко снижает уровень кавитационного процесса или приводит к его полному прекращению. Как всякий гидродинамический процесс, особенно связанный с необходимостью совмещения частотных характеристик, способ-аналог требует тонкой настройки, высокой точности конструктивного оформления: даже положение втулки на вихревой трубе, ориентация ее ребер может повлиять на частоту вынужденных колебаний, увеличив или уменьшив их относительно собственной частоты колебаний столба воды в трубе. Кавитационный износ ребер способен также повлиять на частоту вынужденных колебаний. Таким образом, описанный способ возбуждения кавитации в жидкой среде не отличается высокой стабильностью и надежностью. Кроме того, такой способ кавитации резко снижает технологические возможности этого процесса, в частности, его нельзя применять в областях: машиностроения - для поверхностной обработки изделий; химии - в процессе синтеза различных веществ - из-за нетехнологичности и малого объема создаваемого кавитационного поля. Следует отметить как недостаток и то, что энергетическая эффективность создаваемого кавитационного поля, определяемая числом пузырьков в единице объема среды (например, в одном кубическом сантиметре), не поддается аналитическому определению и может быть установлена лишь по конечному полезному результату. При этом, этот способ имеет малую эффективность преобразования подведенной энергии (мощности) в энергию кавитационного поля (см. фиг.1 "гидродинамический способ"). In the described analogue, the energy conversion coefficient reaches values from 1.3 to 2.0, however, the operation of the device is not stable, since it is very difficult to tune the sound vibrations generated on the braking device with the natural frequencies of the water column formed in the vortex tube to resonance. Slight fluctuations in the water pressure at the inlet to the pipe lead to an imbalance in the frequency of acoustic vibrations and even a small mismatch sharply reduces the level of the cavitation process or leads to its complete cessation. Like any hydrodynamic process, especially associated with the need to combine frequency characteristics, the analogue method requires fine tuning, high accuracy of design: even the position of the sleeve on the vortex tube, the orientation of its ribs can affect the frequency of forced vibrations, increasing or decreasing them relative to the natural frequency of vibrations water column in the pipe. Cavitation wear of the ribs can also affect the frequency of forced vibrations. Thus, the described method of exciting cavitation in a liquid medium is not characterized by high stability and reliability. In addition, this method of cavitation dramatically reduces the technological capabilities of this process, in particular, it cannot be applied in the areas of: mechanical engineering - for surface treatment of products; chemistry - in the process of synthesis of various substances - due to low technology and the small volume of the created cavitation field. It should be noted as a drawback that the energy efficiency of the created cavitation field, determined by the number of bubbles per unit volume of the medium (for example, in one cubic centimeter), cannot be analytically determined and can only be established by the final useful result. Moreover, this method has a low efficiency of converting the supplied energy (power) into the energy of the cavitation field (see figure 1 "hydrodynamic method").
Большей стабильностью и надежностью по отношению к вышеописанному аналогу отличается способ создания кавитации, предложенный в источнике [2]. В последнем решается задача получения энергии, которая включает подачу вещества в жидкой среде и создание в этой среде кавитационных пузырьков. Процесс создания кавитации состоит в том, что в среде периодически изменяют давление, которое имеет постоянную и переменную составляющие, находящиеся между собой в определенных соотношениях. При этом, в качестве одного из параметров в этих соотношениях использована прочность на разрыв обрабатываемой среды. Технически способ реализуется с помощью ряда последовательно установленных центробежных насосов, которые выполняют функции ультразвуковых активаторов. На периферии каждого из насосов закреплены роторы в виде перфорированных колец, коаксиально которым установлены неподвижные статоры, представляющие собой такие же перфорированные кольца. В процессе вращения рабочего колеса центробежного насоса обрабатываемой среде сообщается кинетическая энергия, которая частично преобразуется в статическое давление, а частично - в переменное, что возможно при периодическом совпадении перфораций ротора и статора. В последнем случае, среда под большим давлением и высокой скоростью выбрасывается на периферию каждого центробежного насоса, образуя несколько зон кавитации. При прохождении среды через перфорации в потоке возникают ультразвуковые колебания, способствующие зарождению кавитационных пузырьков. Простота и надежность конструктивных средств реализации способа трансформируется и в стабильность получаемого кавитационного поля на выходе из каждого центробежного насоса, т.е. среда в таком кавитационном реакторе более эффективно подвергается обработке и, при этом, исключается необходимость настройки и поддержания резонансных режимов. Однако, как и в случае с первым аналогом, об эффективности этого способа можно судить лишь по конечному результату и не представляется возможным варьировать параметрами кавитационного процесса, меняя энергонасыщенность этого поля. More stability and reliability in relation to the above analogue differs in the method of creating cavitation, proposed in the source [2]. In the latter, the problem of obtaining energy is solved, which includes the supply of a substance in a liquid medium and the creation of cavitation bubbles in this medium. The process of creating cavitation consists in the fact that the pressure is periodically changed in the medium, which has constant and variable components, which are in a certain ratio with each other. Moreover, one of the parameters in these ratios used tensile strength of the processed medium. Technically, the method is implemented using a series of sequentially installed centrifugal pumps that perform the functions of ultrasonic activators. At the periphery of each pump, rotors are fixed in the form of perforated rings, which are fixed coaxially with fixed stators, which are the same perforated rings. In the process of rotation of the impeller of a centrifugal pump, kinetic energy is transmitted to the medium being processed, which is partially converted into static pressure and partially into alternating pressure, which is possible with periodic coincidence of rotor and stator perforations. In the latter case, the medium is released under high pressure and high speed to the periphery of each centrifugal pump, forming several cavitation zones. When the medium passes through perforations, ultrasonic vibrations occur in the flow, which contribute to the nucleation of cavitation bubbles. The simplicity and reliability of the structural means for implementing the method is also transformed into the stability of the resulting cavitation field at the outlet of each centrifugal pump, i.e. the medium in such a cavitation reactor is more efficiently processed and, at the same time, the need to adjust and maintain resonant modes is eliminated. However, as in the case with the first analogue, the effectiveness of this method can only be judged by the final result and it is not possible to vary the parameters of the cavitation process, changing the energy saturation of this field.
Этому способу присущи типичные для гидродинамических кавитаторов недостатки (см. фиг.1 "гидродинамический способ"):
- процесс сопровождается высокоскоростными турбулентными потоками, что приводит к искажению звуковых волн и потере энергии за счет противофазных микровихрей турбулентных потоков;
- подавляющая часть энергии от источника затрачивается на динамическое сопротивление жидкой среды, которое обусловлено разгоном и торможением макро- и микровихрей (так называемая реактивная энергия);
- значительные потери на тепловыделение за счет трения между потоками (внутреннее трение) и между внутренними поверхностями устройства и жидкой средой;
- малый объем кавитационного поля, что ограничивает применение этого способа только обработкой жидкой среды для получения энергии.This method has inherent disadvantages typical for hydrodynamic cavitators (see Fig. 1 "hydrodynamic method"):
- the process is accompanied by high-speed turbulent flows, which leads to distortion of sound waves and energy loss due to antiphase microvortices of turbulent flows;
- the vast majority of the energy from the source is spent on the dynamic resistance of the liquid medium, which is due to the acceleration and deceleration of macro- and microvortices (the so-called reactive energy);
- significant heat loss due to friction between the flows (internal friction) and between the internal surfaces of the device and the liquid medium;
- a small volume of cavitation field, which limits the application of this method only to the processing of a liquid medium for energy.
Как наиболее близкий по физической сущности, в качестве прототипа предлагаемому изобретению выбран способ ультразвукового возбуждения кавитации или акустическая кавитация [3]. Рост и сокращение пузырьков происходит с частотой, равной частоте изменения давления, т.е. частотой распространяющейся звуковой волны. Пузырьки возникают и растут во время периодов разрежения. Давление в положительной фазе может привести к полному исчезновению пузырьков (захлопыванию). Этот процесс порождает в жидкостях гидродинамические возмущения, интенсивное излучение аккустических волн. Напряжение растяжения, необходимое для разрыва жидкости и образования кавитациониых пузырьков, зависит от количества примесей различного рода (газ, твердые включения и т.д.). Наличие микроскопических газовых пузырьков в реальной жидкости способствует зарождению кавитационных пузырьков. Микроскопический пузырек, попадая в область разрежения, сильно расширяется в результате того, что давление содержащихся в нем пара и газа оказывается больше давления в жидкости и давления за счет поверхностного натяжения. При захлопывании пузырьков в кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде сильных импульсов сжатия (микроударных волн) и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками. Захлопывание пузырьков сопровождается локальным разогревом вещества. As the closest in physical essence, as a prototype of the invention, a method of ultrasonic cavitation excitation or acoustic cavitation is selected [3]. The growth and contraction of the bubbles occurs with a frequency equal to the frequency of the pressure change, i.e. the frequency of the propagating sound wave. Bubbles arise and grow during periods of rarefaction. The pressure in the positive phase can lead to the complete disappearance of the bubbles (collapse). This process gives rise to hydrodynamic disturbances in liquids, intense emission of acoustic waves. The tensile stress required to rupture the liquid and form cavitation bubbles depends on the amount of various impurities (gas, solids, etc.). The presence of microscopic gas bubbles in a real liquid promotes the nucleation of cavitation bubbles. A microscopic bubble, falling into the rarefaction region, expands greatly as a result of the fact that the pressure of the vapor and gas contained in it is greater than the pressure in the liquid and the pressure due to surface tension. When the bubbles collapse in the cavitation region, powerful hydrodynamic perturbations arise in the form of strong compression pulses (microshock waves) and microflows generated by pulsating bubbles. Clotting of the bubbles is accompanied by local heating of the substance.
Достоинством акустической кавитации является то, что в ней отсутствуют гидродинамические потери, присущие предыдущему аналогу. Кроме того, достоинством акустической кавитации является постоянство зоны ее действия, однако она невелика и эффективность ее ограничивается несколькими сантиметрами от поверхности излучателя. Увеличение эффективной зоны действия требует непропорционального увеличения мощности, концентрируемой на излучателе. Наиболее применяемым диапазоном частот для создания кавитации является диапазон от 16 до 60 кГц. Максимальная амплитуда колебаний в лучшем случае достигает 0,1 мм, т. е. можно утверждать, что в течение действия на жидкость отрицательной полуволны переменного давления собственно жидкость подвергается растяжению на 0,1 мм. Получаемое увеличение объема есть не что иное, как общий объем пустот всех кавитационных пузырьков, образующихся в жидкости. Если учесть, что оптимальным, с точки зрения технологической, является размер пузырька в 100-150 мкм [4], то при средней длине волны в 76 мм на частоте 20 кГц насыщенность жидкости кавитационными пузырьками достигает 3,3•105 1/см3. Именно эта цифра и определяет энергетический потенциал акустического способа получения кавитации.The advantage of acoustic cavitation is that there are no hydrodynamic losses inherent in the previous analogue. In addition, the advantage of acoustic cavitation is the constancy of the zone of its action, however, it is small and its effectiveness is limited to a few centimeters from the surface of the emitter. An increase in effective coverage requires a disproportionate increase in power concentrated on the emitter. The most used frequency range for creating cavitation is the range from 16 to 60 kHz. The maximum oscillation amplitude in the best case reaches 0.1 mm, i.e., it can be argued that during the action of a negative half-wave of variable pressure on the liquid, the liquid itself undergoes a tensile extension of 0.1 mm. The resulting increase in volume is nothing but the total volume of voids of all cavitation bubbles formed in the liquid. If we consider that the optimum, from the technological point of view, is a bubble size of 100-150 μm [4], then with an average wavelength of 76 mm at a frequency of 20 kHz, the liquid saturation with cavitation bubbles reaches 3.3 • 10 5 1 / cm 3 . It is this figure that determines the energy potential of the acoustic method of obtaining cavitation.
Основным недостатком этого способа является то, что эта цифра является критической и любые изменения параметров акустической кавитации с целью повышения ее эффективности приводит к непропорциональному увеличению энергозатрат. The main disadvantage of this method is that this figure is critical and any changes in the parameters of acoustic cavitation in order to increase its efficiency leads to a disproportionate increase in energy consumption.
Практическая эффективность ультразвукового способа возбуждения кавитации является низкой из-за (см. фиг.1 "ультразвуковой способ"):
- дисперсного рассеивания энергии за счет внутреннего трения;
- фазового рассеивания звуковых волн (потери на реактивную мощность);
- ограниченной мощности энергетического потока через жидкую среду, обусловленную слабыми упругими свойствами последней.The practical effectiveness of the ultrasonic method of exciting cavitation is low due to (see figure 1 "ultrasonic method"):
- dispersed energy dissipation due to internal friction;
- phase dispersion of sound waves (reactive power loss);
- limited power of the energy flow through the liquid medium, due to the weak elastic properties of the latter.
Среди других недостатков следует отметить также то, что акустические волны, распространяясь по жидкой среде, имеют скорость намного выше, чем время жизни кавитационных пузырьков, что способствует увеличению их размеров больше, чем 100-150 мкм, снижая в конечном итоге эффективность от их схлопывания. Among other disadvantages, it should also be noted that acoustic waves propagating through a liquid medium have a speed much higher than the lifetime of cavitation bubbles, which contributes to an increase in their size more than 100-150 microns, ultimately reducing the efficiency of their collapse.
Таким образом, целью изобретения является повышение технологических возможностей кавитации, а также увеличение ее энергетического потенциала. Thus, the aim of the invention is to increase the technological capabilities of cavitation, as well as increasing its energy potential.
Цель, согласно изобретения, достигается за счет того, что в способе возбуждения кавитации в объеме жидкой среды, последнюю растягивают любым известным способом, увеличивая ее объем от первоначального не менее чем на 2% без учета упругой деформации, сочетая при этом растяжение со сжатием в режиме циклической нагрузки с отрицательным коэффициентом асимметрии цикла и частотой от 1 до 400 Гц. Нагрузку прикладывают в вибро-резонансном режиме, учитывая массу среды и ее упругость в собственной частоте колебаний вибрирующей системы, которую образуют из объема собственно среды, ограниченного замкнутой емкостью, имеющей часть внутренней поверхности подвижной и связанной с силовым приводом. При этом, внутренние поверхности замкнутой емкости выполнены из материала с повышенным Ван-дер-Ваальсовским взаимодействием. Интенсивность кавитации регулируют величиной амплитуды изменения объема. The goal, according to the invention, is achieved due to the fact that in the method of exciting cavitation in the volume of a liquid medium, the latter is stretched in any known manner, increasing its volume from the original by at least 2% without taking into account elastic deformation, while combining tension and compression in the mode cyclic load with a negative coefficient of asymmetry of the cycle and a frequency of 1 to 400 Hz. The load is applied in a vibro-resonant mode, taking into account the mass of the medium and its elasticity in the natural frequency of the vibrations of the vibrating system, which is formed from the volume of the medium itself, limited by a closed capacitance having a part of the internal surface that is movable and connected with the power drive. At the same time, the inner surfaces of the closed tank are made of material with increased Van der Waals interaction. The cavitation intensity is regulated by the magnitude of the amplitude of the volume change.
Принципиальным в предлагаемом способе является то, что возбуждение кавитации изменением объема жидкой среды в виброрезонансном режиме позволяет получить устойчивое и регулируемое кавитационное поле, которое охватывает равномерно весь объем. Этому способствует и то, что связь между молекулами среды и материала поверхности стенки емкости выше прочности среды на разрыв или растяжение. Качество кавитационного поля, его энергонасыщенность будет в несколько раз больше, чем у аналогов. Гарантирует такое положение увеличение объема среды не менее чем на 2% от первоначального, что в конечном итоге позволяет иметь амплитуду изменения этого объема более 0,1 мм и зависит от величины самого объема среды. Так при определенных условиях, амплитуда может достигать значений 2-5 мм, что недостижимо никакими другими методами возбуждения кавитации. Следует отметить, что, для упрощения, под амплитудой изменения объема понимается амплитуда колебательного движения части подвижной внутренней поверхности емкости, имеющей постоянную площадь, в силу чего изменение объема может быть охарактеризовано его переменным геометрическим параметром, т.е. амплитудой колебательного движения подвижной части емкости. Энергоемкость процесса растяжения среды в предлагаемом способе значительно ниже, чем у всех известных аналогов, за счет применения вибро-резонансного режима, в создании которого учитываются масса среды и ее упругие свойства. При этом, исключаются потери энергии на гидродинамику и передача энергии от источника возбуждения к навигационному пузырьку осуществляется через весь объем жидкости одновременно, что исключает практически все реактивные силы (инерционные) и минимизирует активные (трение) - при переходе приложенной энергии в энергию кавитационного поля (см. фиг.1 "предлагаемый способ"). Как указывалось выше, амплитуда изменения объема характеризует суммарный объем пустот кавитационных пузырьков и изменением этой амплитуды в сочетании со сжатием среды в циклическом режиме можно гибко и в широких пределах регулировать технологические возможности кавитационного процесса. The principal thing in the proposed method is that the excitation of cavitation by changing the volume of the liquid medium in the vibrational resonance mode allows you to get a stable and adjustable cavitation field, which covers evenly the entire volume. This is also facilitated by the fact that the bond between the molecules of the medium and the material of the surface of the vessel wall is higher than the tensile or tensile strength of the medium. The quality of the cavitation field, its energy saturation will be several times greater than that of analogues. Such a situation is guaranteed by an increase in the volume of the medium by at least 2% of the initial one, which ultimately allows one to have an amplitude of variation of this volume of more than 0.1 mm and depends on the size of the volume of the medium itself. So under certain conditions, the amplitude can reach values of 2-5 mm, which is unattainable by any other methods of excitation of cavitation. It should be noted that, for simplicity, the amplitude of the volume change is understood as the amplitude of the oscillatory motion of a part of the movable inner surface of the container having a constant area, whereby the change in volume can be characterized by its variable geometric parameter, i.e. the amplitude of the oscillatory motion of the moving part of the tank. The energy intensity of the process of tension of the medium in the proposed method is significantly lower than that of all known analogues, due to the use of the vibrational resonance mode, in the creation of which the mass of the medium and its elastic properties are taken into account. At the same time, energy losses to hydrodynamics are eliminated and energy is transferred from the excitation source to the navigation bubble through the entire fluid volume at the same time, which eliminates almost all reactive forces (inertial) and minimizes active (friction) when the applied energy is transferred to the energy of the cavitation field (see Fig. 1 "the proposed method"). As indicated above, the amplitude of the volume change characterizes the total volume of cavitation bubble voids and a change in this amplitude in combination with compression of the medium in a cyclic mode can be used to flexibly and widely control the technological capabilities of the cavitation process.
На прилагаемых к описанию чертежах изображены:
- на фиг. 1 - сравнительная схема преобразования энергии при различных способах возбуждения кавитации;
- на фиг. 2 - графическое изображение предпочтительного цикла силового воздействия на объем жидкой среды для возбуждения кавитации по предлагаемому способу;
- на фиг.3 - вариант конструкции вибрирующей системы для возбуждения кавитации в объеме жидкой среды.The accompanying description of the drawings shows:
- in FIG. 1 is a comparative diagram of energy conversion for various methods of exciting cavitation;
- in FIG. 2 is a graphical depiction of a preferred cycle of force on the volume of a liquid medium to excite cavitation by the proposed method;
- figure 3 is a design variant of a vibrating system for exciting cavitation in the volume of a liquid medium.
Для реализации предлагаемого способа жидкую среду 1 помещают в замкнутую герметичную емкость 2 (см. фиг.3), причем таким образом, чтобы в последней отсутствовали воздушные полости или каверны над поверхностью среды. Это достигается тем, что часть внутренней поверхности выполняют подвижной, в частности, в виде поршня 3, который посредством штока 4 связан с вибро-резонансным электрическим двигателем 5. В поршне 3 смонтирован клапан 6, через который воздух и/или пары из емкости 2 стравливаются наружу при сжатии среды 1. Для конструктивного упрощения емкость 2 содержит цилиндрическую полость, а поршень 3 установлен в ней с возможностью возвратно-поступательного перемещения с полной герметизацией его кольцевой части. Поршень 3 может быть выполнен в виде мембраны. Таким образом, изменение объема жидкой среды осуществляется перемещением поршня и в количественном отношении изменение объема может быть охарактеризовано амплитудой его колебаний. Для растяжения жидкой среды до момента начала образования кавитационных пузырьков, в зависимости от объема емкости, требуется значительное усилие, которое реализуется силовым приводом 5, жестко связанным с поршнем 3. Двигатель 5 совместно с поршнем 3, включая объем жидкой среды, образуют вибрирующую систему, настроенную на резонансный режим работы, т.е. в частоте свободных колебаний системы учтены масса и упругость не только электромеханической части, но и жидкой среды. Вышесказанное позволяет вывести всю вибрирующую систему в резонансный режим работы, т.е. с минимальным потреблением энергии на силовом приводе и максимальным усилием на поршне. Характер и особенности работы вибро-резонансного привода изложены в источнике [5]. To implement the proposed method, the liquid medium 1 is placed in a closed sealed container 2 (see figure 3), so that in the latter there are no air cavities or cavities above the surface of the medium. This is achieved by the fact that part of the inner surface is movable, in particular in the form of a piston 3, which is connected via a rod 4 to a vibro-resonant electric motor 5. A
Реализуется способ возбуждения кавитации следующим образом. Implemented a method of exciting cavitation as follows.
Емкость 2 заполняют жидкой средой 1, после чего включают силовой привод 5 в работу и поршню 3 придают возвратно-поступательные перемещения. На фазе сжатия жидкой среды в течение первых 2-3 циклов из емкости 2 будет удален через клапан 6 свободный воздух и/или пар. После чего, внутренняя поверхность поршня по всей его площади войдет в соприкосновение с жидкой средой и на фазе растяжения начнется приложение растягивающего усилия по всему объему среды. Внутренние поверхности емкости выполнены из материала, имеющего хорошую смачиваемость с жидкой средой, или, другими словами, повышенное Ван-дер-Ваальсовское взаимодействие на молекулярном уровне между молекулами жидкой среды и материалом емкости. Такое положение позволяет осуществить равномерное и надежное растяжение всего объема жидкой среды, так как сила упомянутого молекулярного взаимодействия окажется выше прочности связи молекул самой жидкой среды. Приложение растягивающей нагрузки сочетают со сжимающей нагрузкой в режиме циклической знакопеременной нагрузки, или циклической нагрузки с отрицательным коэффициентом асимметрии цикла, как это показано на фиг.2, т.е. имеет место асимметричная нагрузочная циклограмма, где Vo - первоначальный объем жидкой среды при атмосферном давлении, а ΔV - увеличение объема при растяжении не менее чем на 2%. Сочетание растяжения и сжатия является необходимым условием надежного возбуждения кавитации, так как в соответствии с законом Баушингера предварительное сжатие структурированного объекта (а к таким относятся жидкие среды, в частности, вода) на 20-30% снижает его прочность при последующем растяжении. Кроме того, сжатие в циклическом режиме влияет на энергетику кавитационного процесса в целом. Интенсивность кавитации может регулироваться амплитудой изменения объема жидкой среды, что практически осуществляется воздействием на силовой привод в плане изменения амплитуды возвратно-поступательного движения поршня. Независимо от площади поршня, его вытесняющая способность должна обеспечивать изменение объема жидкой среды в заданных пределах, т.е. не менее 2% первоначального объема жидкой среды.The tank 2 is filled with a liquid medium 1, after which the power drive 5 is turned on and the reciprocating movement 3 is applied to the piston 3. During the compression phase of the liquid medium during the first 2-3 cycles, free air and / or steam will be removed from the tank 2 through the
Об эффективности предлагаемого способа можно судить по расчету количества кавитационных пузырьков в сравнении с наиболее эффективным режимом ультразвукового метода возбуждения кавитации, который характеризуется частотой 20 кГц при длине полуволны разрежения - 3,8 см и амплитуде - 0,1 мм. The effectiveness of the proposed method can be judged by calculating the number of cavitation bubbles in comparison with the most effective mode of the ultrasonic cavitation excitation method, which is characterized by a frequency of 20 kHz with a rarefaction half-wavelength of 3.8 cm and an amplitude of 0.1 mm.
Так, первоначальный изолированный объем жидкости в пределах полуволны разрежения определяется выражением:
Voy=Sy•Ly,
где Sy - единица площади, равная 1 см2;
Ly - длина полуволны, равная 3,8 см.So, the initial isolated volume of liquid within the half-wave of rarefaction is determined by the expression:
V oy = S y • L y ,
where S y - unit area equal to 1 cm 2 ;
L y is the half-wave length of 3.8 cm.
В процессе волнового воздействия на жидкую среду под действием излучателя первоначальный объем среды изменится на величину:
ΔVy=Sy•Ay,
где Аy - амплитуда колебаний излучателя в см.In the process of wave action on a liquid medium under the action of a radiator, the initial volume of the medium will change by the amount:
ΔV y = S y • A y ,
where A y is the oscillation amplitude of the emitter in cm
Определим общее количество кавитационных пузырьков, составляющих объем ΔVy:
NΣy = ΔVy/Vк.п.,
где Vк.п. - объем единичного кавитационного пузырька со средним диаметром 150 мкм, равный 8•10-9 см3.Determine the total number of cavitation bubbles that make up the volume ΔV y :
N Σy = ΔV y / V c.p. ,
where V c.p. - the volume of a single cavitation bubble with an average diameter of 150 μm, equal to 8 • 10 -9 cm 3 .
Далее, определяется число кавитационных пузырьков в удельном объеме:
Nуд=NΣy/Voy=3,3•05 1/см3.Next, the number of cavitation bubbles in the specific volume is determined:
N beats = N Σy / V oy = 3.3 • 0 5 1 / cm 3 .
Таким образом, в лучшем случае, при ультразвуковом способе возбуждения кавитации, интенсивность последней будет характеризоваться вышеприведенным числом пузырьков. Thus, in the best case, with the ultrasonic method of excitation of cavitation, the intensity of the latter will be characterized by the above number of bubbles.
Если осуществить возбуждение кавитации в том же объеме, но по предлагаемому способу число кавитационных пузырьков увеличится почти на порядок и составит - 2,5•106 1/см3, что способно резко повысить энергетическую составляющую кавитационного процесса, а значит и его технологические возможности.If cavitation is excited in the same volume, but according to the proposed method, the number of cavitation bubbles will increase by almost an order of magnitude and will be 2.5 • 10 6 1 / cm 3 , which can dramatically increase the energy component of the cavitation process, and therefore its technological capabilities.
В ООО НПП "ВРТ" были проведены в лабораторных условиях сравнительные испытания предложенного способа и ультразвукового на процессе получения гидротоплива. Энергетика и плотность кавитационного поля по предлагаемому способу дали ранее недостижимые технологические результаты: химическими анализами не устанавливалось наличие свободной воды и отсутствовало расслоение со временем даже при нагреве до 80oС. В то время как гидротопливо, полученное с помощью ультразвука, содержало свободную воду и имело тенденцию к расслоению со временем без нагрева.Comparative tests of the proposed method and ultrasound in the process of producing hydrofuel were carried out in LLC NPP "VRT" in laboratory conditions. The energy and density of the cavitation field according to the proposed method yielded previously unattainable technological results: chemical analyzes did not establish the presence of free water and there was no stratification with time even when heated to 80 o C. While the hydrofuels obtained using ultrasound contained free water and had a tendency to stratify over time without heating.
Источники информации
1. Патент РФ 2165054, кл. F 24 J 3/00, опубликован 2001.04.10.Sources of information
1. RF patent 2165054, cl. F 24 J 3/00, published 2001.04.10.
2. Патент РФ 2054604, кл. F 24 J 3/00, опубликован 1996.02.20. 2. RF patent 2054604, cl. F 24 J 3/00, published 1996.02.20.
3. Справочник "Физические эффекты в машиностроении", Москва, Машиностроение, 1993, с.118-120 - прототип. 3. Handbook "Physical effects in mechanical engineering", Moscow, Mechanical Engineering, 1993, p.118-120 - prototype.
4. Журнал "В мире науки", статья "Химические эффекты ультразвука", 4, 1989 г., с.6. 4. The journal "In the world of science", article "Chemical effects of ultrasound", 4, 1989, p.6.
5. Авторское свидетельство 828932, кл. Н 02 К 33/12, опубликован 1981.01.07. 5. Copyright certificate 828932, cl. H 02 K 33/12, published 1981.01.07.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001119352/06A RU2204762C2 (en) | 2001-07-13 | 2001-07-13 | Method for exciting cavitation within liquid medium |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001119352/06A RU2204762C2 (en) | 2001-07-13 | 2001-07-13 | Method for exciting cavitation within liquid medium |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001119352A RU2001119352A (en) | 2003-03-10 |
| RU2204762C2 true RU2204762C2 (en) | 2003-05-20 |
Family
ID=20251658
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001119352/06A RU2204762C2 (en) | 2001-07-13 | 2001-07-13 | Method for exciting cavitation within liquid medium |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2204762C2 (en) |
-
2001
- 2001-07-13 RU RU2001119352/06A patent/RU2204762C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Физические эффекты в машиностроении, Справочник, - М.: Машиностроение, 1993, с. 118-120. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3567185A (en) | Fluid resonator system | |
| WO2020029429A1 (en) | Vibration assembly, cosmetic device having same and using method thereof | |
| EP2073918B1 (en) | Ultrasonic liquid treatment system | |
| RU2325959C2 (en) | Hydrodynamic generator of ultrasonic acoustic vibrations and method of its generating | |
| US3151958A (en) | Pressurized degasification of crude oil by sonic wave action | |
| Mekki-Berrada et al. | Interactions enhance the acoustic streaming around flattened microfluidic bubbles | |
| RU2204762C2 (en) | Method for exciting cavitation within liquid medium | |
| US8231707B2 (en) | Gas separation using ultrasound and light absorption | |
| RU2284437C1 (en) | Method of exciting cavitation on liquid medium | |
| RU2344356C1 (en) | Method of heat-mass-power exchange and device for this effect | |
| US3410532A (en) | Liquid treatment apparatus with sonic wave action | |
| JP4278095B2 (en) | Ultrasonic radiator, ultrasonic radiation unit, ultrasonic radiation device, and ultrasonic treatment device using the same | |
| CN209205276U (en) | Vibration component and cosmetic apparatus with the vibration component | |
| US3153530A (en) | Apparatus for generating and transmitting sonic vibrations | |
| RU2004103186A (en) | METHOD OF INFLUENCE ON THE RHEOLOGICAL PROPERTIES OF A LIQUID MEDIA | |
| RU2350856C1 (en) | Heat and mass and energy exchange method and device for realisation thereof | |
| WO2008051115A1 (en) | Heat-mass-and-energy exchange method and a device for carrying out said method | |
| Prokic | Wideband multi-frequency, multimode, and modulated (MMM) ultrasonic technology | |
| RU2304261C1 (en) | Method and device for heat and mass exchange | |
| RU2463104C2 (en) | Method and device for intensification of mass exchange gas- and liquid-phase processes by acoustic vibrations | |
| RU2089274C1 (en) | Method of preparing disperse systems | |
| Vigo et al. | The Vibrating Ultrafiltration Module. Performance in the 50–1000 Hz Frequency Range | |
| RU2053029C1 (en) | Generator of hydrodynamic oscillations | |
| RU2434674C1 (en) | Device for physicochemical treatment of fluids | |
| RU2708046C1 (en) | Method and device for separation of mixed gases by molecular weight |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060714 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20081227 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090714 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20110910 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120714 |