RU2284437C1

RU2284437C1 - Method of exciting cavitation on liquid medium

Info

Publication number: RU2284437C1
Application number: RU2005110518/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Дмитриевич Нетеса (RU); Юрий Дмитриевич Нетеса; Эрнст Иванович Деникин (RU); Эрнст Иванович Деникин
Original assignee: Эрнст Иванович Деникин; Юрий Дмитриевич Нетеса
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-09-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering, power engineering, chemical industry.

SUBSTANCE: invention relates to sphere of creation and development of universal technologies to which process of cavitation excited in liquid medium belongs. Sphere of use of cavitation as technological means featuring high power congestion is very wide. According to proposed method of excitation of cavitation in liquid medium enclosed in closed volume by creating stretching and compressing stresses under cyclic load generated by changing of volume, ac current is passed through liquid whose frequency is at least four-fold frequency of applied cyclic load. Moreover, current is supplied in pulses during compression cycle at stage of decreasing of value of the latter.

EFFECT: increased process efficiency of cavitation process owing to active stimulation of rise of number of cavitation bubbles per volume unit.

2 cl, 2 dwg

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 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 5500°С и выше. Кроме того, схлопывание сопровождается ударной волной, на фронте которой развивается давление до 1000 атм и выше. Тепловой и динамический факторы, сопровождающие кавитацию, нашли широкое применение в различных отраслях производства.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 ° 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. Thermal and dynamic factors accompanying cavitation are widely used in various industries.

Известен способ создания кавитации, предназначенный для получения энергии. Процесс создания кавитации состоит в том, что в жидкой среде периодически изменяют давление, которое имеет постоянную и переменную составляющие, находящиеся между собой в определенных соотношениях. При этом в качестве одного из параметров в этих соотношениях использована прочность на разрыв обрабатываемой среды (RU 2054604 С1, 20.02.1996, F 24 J 3/00).A known method of creating cavitation, designed to produce energy. The process of creating cavitation consists in the fact that in a liquid medium the pressure is periodically changed, which has constant and variable components, which are in a certain ratio with each other. Moreover, as one of the parameters in these ratios, the tensile strength of the processed medium was used (RU 2054604 C1, 02.20.1996, F 24 J 3/00).

Технически способ реализуется с помощью ряда последовательно установленных центробежных насосов, которые выполняют функции ультразвуковых активаторов. На периферии каждого из насосов закреплены роторы в виде перфорированных колец, коаксиально которым установлены неподвижные статоры, представляющие собой такие же перфорированные кольца. В процессе вращения рабочего колеса центробежного насоса обрабатываемой среде сообщается кинетическая энергия, которая частично преобразуется в статическое давление, а частично - в переменное, что возможно при периодическом совпадении перфораций ротора и статора. В последнем случае среда под большим давлением и с высокой скоростью выбрасывается на периферию каждого центробежного насоса, образуя несколько зон кавитации. При прохождении среды через перфорации в потоке возникают ультразвуковые колебания, способствующие зарождению кавитационных пузырьков.Technically, the method is implemented using a series of sequentially installed centrifugal pumps that perform the functions of ultrasonic activators. On 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 at 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.

Однако об эффективности этого способа можно судить лишь по конечному результату и не представляется возможным варьировать качество технологического процесса, потому что отсутствует возможность изменять параметры кавитации, а следовательно, и энергонасыщенность кавитационного поля. Среди других недостатков следует отметить следующее:However, the effectiveness of this method can only be judged by the final result and it is not possible to vary the quality of the process, because there is no possibility to change the parameters of cavitation, and therefore the energy saturation of the cavitation field. Other disadvantages include the following:

- процесс сопровождается высокоскоростными турбулентными потоками, что приводит к искажению звуковых волн и потере энергии за счет противофазных микровихрей турбулентных потоков;- 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;

- подавляющая часть энергии от источника затрачивается на динамическое сопротивление жидкой среды, которое обусловлено разгоном и торможением макро- и микровихрей (так называемая реактивная энергия);- 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);

- значительные потери на тепловыделение за счет трения между потоками (внутреннее трение) и между внутренними поверхностями устройства и жидкой средой;- significant heat loss due to friction between the flows (internal friction) and between the internal surfaces of the device and the liquid medium;

- малый объем кавитационного поля, что ограничивает применение этого способа только обработкой жидкой среды для получения энергии.- a small volume of cavitation field, which limits the application of this method only to the processing of a liquid medium for energy.

Более совершенным способом получения кавитации в сравнении с вышеописанным аналогом является способ ультразвукового возбуждения кавитации или акустическая кавитация (Справочник "Физические эффекты в машиностроении", М.: Машиностроение, 1993, с.118-120). Рост и сокращение пузырьков происходит с частотой, равной частоте изменения давления, т.е. частотой распространяющейся звуковой волны. Пузырьки возникают и растут во время периодов разрежения. Напряжение растяжения, необходимое для разрыва жидкости и образования кавитационных пузырьков, зависит от количества примесей различного рода (газ, твердые включения и т.п.). Наличие микроскопических газовых пузырьков в реальной жидкости способствует зарождению кавитационных пузырьков. Микроскопический пузырек, попадая в область разрежения, сильно расширяется в результате того, что давление содержащихся в нем пара и газа оказывается больше давления в жидкости и давления за счет поверхностного натяжения. При захлопывании пузырьков в кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде сильных импульсов сжатия (микроударных волн) и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками. Захлопывание пузырьков сопровождается локальным разогревом вещества.A more advanced way to obtain cavitation in comparison with the above analogue is the method of ultrasonic excitation of cavitation or acoustic cavitation (Handbook "Physical effects in mechanical engineering", M .: Mashinostroenie, 1993, p.118-120). 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 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. The collapse 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, преимуществом акустической кавитации является постоянство зоны ее действия, однако она невелика и эффективность ее ограничивается несколькими сантиметрами от поверхности излучателя. Увеличение эффективной зоны действия требует непропорционального увеличения мощности, концентрируемой на излучателе. Наиболее применяемым диапазоном частот для создания кавитации является диапазон от 16 до 60 кГц. Максимальная амплитуда колебаний в лучшем случае достигает 0,1 мм, т.е. можно утверждать, что в течение действия на жидкость отрицательной полуволны переменного давления собственно жидкость подвергается растяжению на 0,1 мм. Получаемое увеличение объема есть не что иное, как общий объем пустот всех кавитационных пузырьков, образующихся в жидкости. Если учесть, что оптимальным, с точки зрения технологической, является размер пузырька в 100-150 мкм (Журнал "В мире науки", статья "Химические эффекты ультразвука", №4, 1989, с.54-61), то при средней длине волны в 76 мм на частоте 20 кГц насыщенность жидкости кавитационными пузырьками достигает 3,3×10⁵1/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. The increase in effective coverage requires a disproportionate increase in the power concentrated on the emitter. The most used frequency range for creating cavitation is the range from 16 to 60 kHz. The maximum amplitude of oscillations 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 a liquid, the liquid itself undergoes a tensile expansion 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 optimal, from the technological point of view, is a bubble size of 100-150 microns (Journal "In the world of science", article "Chemical effects of ultrasound", No. 4, 1989, p. 54-61), then with an average length waves of 76 mm at a frequency of 20 kHz, the saturation of the liquid 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 приводят к непропорциональному увеличению энергозатрат. Кроме того, практическая эффективность описанного способа является низкой из-заThe 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 lead to a disproportionate increase in energy consumption. In addition, the practical effectiveness of the described method is low due to

- дисперсного рассеивания энергии за счет внутреннего трения;- dispersed energy dissipation due to internal friction;

- фазового рассеивания звуковых волн (потери на реактивную мощность);- phase dispersion of sound waves (reactive power loss);

- ограниченной мощности энергетического потока через жидкую среду, обусловленную слабыми упругими свойствами последней.- 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.

Способ, выбранный в качестве прототипа предлагаемому изобретению, состоит в том, что возбуждение кавитации осуществляют изменением объема жидкой среды в режиме циклической нагрузки, в результате чего в среде создаются чередующиеся растягивающие и сжимающие напряжения. Если учесть, что нагрузка создается в вибрационном режиме, то в целом появляется возможность получить устойчивое и регулируемое кавитационное поле, которое равномерно охватывает весь объем (RU 22004762 С2, 20.05.2003, F 23 К 5/08). Регулирование интенсивности кавитационного воздействия осуществляется изменением частоты и амплитуды изменения нагрузки. Качество кавитационного поля, его энергонасыщенность в несколько раз больше, чем у вышеописанных аналогов. Гарантирует такое положение увеличение объема среды не менее чем на 2% от первоначального, что в конечном итоге позволяет иметь амплитуду изменения этого объема более 0,1 мм и зависит от величины самого объема. Так, при определенных условиях, амплитуда может достигать значений 2-5 мм, что недостижимо никакими другими методами возбуждения кавитации. Следует отметить, что для упрощения под амплитудой изменения объема понимается амплитуда колебательного движения части подвижной внутренней поверхности емкости, имеющей постоянную площадь, в силу чего изменение объема может быть охарактеризовано его переменным геометрическим параметром, т.е. амплитудой колебательного движения подвижной части емкости. Энергоемкость процесса растяжения среды в описываемом способе значительно ниже, чем у всех известных аналогов, за счет применения виброрезонансного режима, в создании которого учитываются масса среды и ее упругие свойства. При этом исключаются потери энергии на гидродинамику и передача энергии от источника возбуждения к кавитационному пузырьку осуществляется через весь объем жидкости одновременно, что исключает практически все реактивные силы (инерционные) и минимизирует активные (трение) - при переходе приложенной энергии в энергию кавитационного поля. Как указывалось выше, амплитуда изменения объема характеризует суммарный объем пустот кавитационных пузырьков и изменением этой амплитуды в сочетании со сжатием среды в циклическом режиме можно гибко и в широких пределах регулировать технологические возможности кавитационного процесса. Как показали расчеты, по предлагаемому способу число кавитационных пузырьков увеличится почти на порядок и составит 2,5×10⁶1/см³.The method selected as a prototype of the present invention consists in the fact that cavitation is excited by changing the volume of the liquid medium in the cyclic loading mode, as a result of which alternating tensile and compressive stresses are created in the medium. If you consider that the load is created in vibration mode, then in general it becomes possible to obtain a stable and adjustable cavitation field that uniformly covers the entire volume (RU 22004762 C2, 05.20.2003, F 23 K 5/08). The regulation of the intensity of cavitation is carried out by changing the frequency and amplitude of the load change. The quality of the cavitation field, its energy saturation is several times greater than that of the above analogues. This 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 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 tank 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 described 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. In this case, energy losses to hydrodynamics are excluded and energy is transferred from the excitation source to the cavitation 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 into the energy of the cavitation field. As indicated above, the amplitude of the volume change characterizes the total volume of cavitation bubble voids and a change in this amplitude, combined with compression of the medium in a cyclic mode, can flexibly and widely control the technological capabilities of the cavitation process. As the calculations showed, according to the proposed method, the number of cavitation bubbles will increase by almost an order of magnitude and amount to 2.5 × 10 ⁶ 1 / cm ³ .

Обладая несомненными преимуществами перед аналогами, способ-прототип тем не менее не реализует в полной мере возможности по повышению плотности кавитационного поля, которое определяется количеством кавитационных пузырьков в единице объема. Именно этот фактор определяет эффективность любой технологии, использующей кавитацию, в любой отрасли промышленного производства, будь то химия, машиностроение, энергетика и т.п. Как указывалось выше, «напряжение растяжения, необходимое для разрыва жидкости и образования кавитационных пузырьков, зависит от количества примесей различного рода, среди которых можно особо выделить газ как фазу, которой насыщены практически все жидкие среды и, особенно, вода. Количество растворенного газа в жидкости зависит от многих факторов, основным из которых является температура. С повышением последней растворимость газов значительно уменьшается, как уменьшается и насыщенность газом жидкости. Процесс кавитации сопровождается значительным выделением тепла, а следовательно, и подъемом температуры жидкой среды, что ведет к общему уменьшению количества газов, которое предназначается для формирования зародышей, перерастающих в кавитационные пузырьки. Во всех известных процессах возбуждения кавитации, включая и прототип, не предусматривается обогащение жидкой среды фазой, служащей основой кавитационных пузырьков. Другими словами, не применяются какие-либо технико-технологические средства интенсификации кавитационного процесса, стимулирующие увеличение количества кавитационных пузырьков.Having obvious advantages over analogues, the prototype method nevertheless does not fully realize the possibility of increasing the density of the cavitation field, which is determined by the number of cavitation bubbles in a unit volume. It is this factor that determines the effectiveness of any technology using cavitation in any branch of industrial production, be it chemistry, mechanical engineering, energy, etc. As indicated above, “the tensile stress required to rupture the liquid and form cavitation bubbles depends on the amount of various impurities, among which gas can be especially distinguished as a phase that is saturated with almost all liquid media, and especially water. The amount of dissolved gas in a liquid depends on many factors, the main of which is temperature. With an increase in the latter, the solubility of gases decreases significantly, as does the saturation of the liquid with gas. The cavitation process is accompanied by a significant release of heat, and consequently, a rise in the temperature of the liquid medium, which leads to a general decrease in the amount of gas, which is intended for the formation of nuclei that develop into cavitation bubbles. In all known processes of cavitation excitation, including the prototype, the enrichment of the liquid medium by the phase, which serves as the basis for cavitation bubbles, is not provided. In other words, do not use any technical and technological means of intensification of the cavitation process, stimulating an increase in the number of cavitation bubbles.

Таким образом, задачей изобретения является повышение технологической эффективности кавитационного процесса за счет активного (принудительного) стимулирования роста количества кавитационных пузырьков в единице объема.Thus, the object of the invention is to increase the technological efficiency of the cavitation process due to the active (forced) stimulation of the growth in the number of cavitation bubbles per unit volume.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе возбуждения кавитации в жидкой среде, заключенной в замкнутый объем, путем создания чередующихся растягивающих и сжимающих напряжений в режиме циклической нагрузки, создаваемой путем изменения объема, через жидкость пропускают переменный электрический ток, частота которого больше частоты приложения циклической нагрузки, по меньшей мере, в четыре раза. Кроме того, электрический ток подают импульсно во время цикла сжатия на стадии уменьшения величины последнего.The problem is solved due to the fact that in the method of exciting cavitation in a liquid medium enclosed in a closed volume, by creating alternating tensile and compressive stresses in a cyclic load mode created by changing the volume, an alternating electric current is passed through the liquid, the frequency of which is greater than the application frequency cyclic load at least four times. In addition, an electric current is supplied pulsed during the compression cycle at the stage of decreasing the magnitude of the latter.

Техническая сущность изобретения состоит в том, что при пропускании переменного электрического тока через жидкость в рабочем кавитационном процессе происходит электролиз воды с образованием мелких газовых пузырьков, наполненных атомами водорода и кислорода, которые являются зародышами кавитационных пузырьков. Согласование особым образом частот приложения циклической нагрузки и электрического переменного тока, а также то, что последний подают импульсно во время цикла сжатия на стадии его уменьшения, позволяет оптимизировать процесс электролиза и исключить его возможное негативное влияние на кавитационный процесс в целом.The technical essence of the invention lies in the fact that when an alternating electric current is passed through a liquid in a working cavitation process, water electrolyzes with the formation of small gas bubbles filled with hydrogen and oxygen atoms, which are the nuclei of cavitation bubbles. Coordination of the frequencies of application of the cyclic load and electric alternating current in a special way, as well as the fact that the latter is applied pulsed during the compression cycle at the stage of its reduction, allows optimizing the electrolysis process and eliminating its possible negative effect on the cavitation process as a whole.

На прилагаемых к описанию чертежах изображены:The accompanying description of the drawings shows:

на фиг.1 - упрощенный вариант конструкции установки для возбуждения кавитации в объеме жидкой среды;figure 1 is a simplified version of the design of the installation for exciting cavitation in the volume of a liquid medium;

на фиг.2 - совместное графическое изображение согласованных циклов нагружения жидкой среды растягивающими и сжимающими напряжениями и циклов переменного электрического тока, пропускаемого через эту среду.figure 2 is a joint graphical representation of the coordinated cycles of loading a liquid medium with tensile and compressive stresses and cycles of alternating electric current passed through this medium.

Для реализации предлагаемого способа жидкую среду 1 помещают в замкнутую герметичную полость 2 (см. фиг.1), причем таким образом, чтобы в последней отсутствовали воздушные полости или каверны над поверхностью среды. Это достигается тем, что часть внутренней поверхности выполняют подвижной, в частности, в виде поршня 3, который посредством штока 4 связан с вибро-резонансным электрическим двигателем 5. Поршень 3 электрически изолирован от емкости 2 с помощью нанесенного на его цилиндрическую образующую поверхность слоя 6 из специального материала. На внешней стороне поршня смонтирован клапан 7, через который воздух и/или пары из емкости 2 стравливаются наружу при сжатии среды 1. Для конструктивного упрощения емкость 2 содержит цилиндрическую полость, а поршень 3 установлен в ней с возможностью возвратно-поступательного перемещения с полной герметизацией его цилиндрической части. Как конструктивный вариант поршень 3 может быть выполнен в виде мембраны. Таким образом, изменение объема жидкой среды осуществляется перемещением поршня и в количественном отношении изменение объема может быть охарактеризовано амплитудой его колебаний. Для растяжения жидкой среды до момента начала образования кавитационных пузырьков в зависимости от объема емкости требуется значительное усилие, которое реализуется силовым приводом 5, жестко связанным с поршнем 3. Двигатель 5 совместно с поршнем 3, включая объем жидкой среды, образуют вибрирующую систему, настроенную на резонансный режим работы, т.е. в частоте свободных колебаний системы учтены масса и упругость не только электромеханической части, но и жидкой среды. Вышесказанное позволяет вывести всю вибрирующую систему в резонансный режим работы, т.е. с минимальным потреблением энергии на силовом приводе и максимальным усилием на поршне. Емкость 2 и поршень 3, выполненные из электропроводного материала и разделенные между собой изолирующим слоем 6, связаны с источником 8 переменного электрического тока, который в свою очередь соединен с блоком 9, управляющим и согласующим работу двигателя 5 и источника 8. Реализуется предлагаемый способ следующим образом. По мере заполнения жидкой средой 1 емкости 2 включают в работу силовой привод 5 и поршню 3 придают возвратно-поступательные перемещения. Во время сжатия жидкой среды в течение первых нескольких - циклов из емкости 2 через клапан 7 удаляется свободный воздух или пар. После этого внутренняя поверхность поршня 3 по всей его площади входит в соприкосновение с жидкой средой и на фазе растяжения начинается приложение растягивающего усилия по всему объему среды. Внутренние поверхности емкости выполнены из материала, имеющего хорошую смачиваемость с жидкой средой, или, другими словами, повышенное Ван-дер-Ваальсовское взаимодействие на молекулярном уровне между молекулами жидкой среды и материалом емкости. Такое положение позволяет осуществить равномерное и надежное растяжение всего объема жидкой среды, так как сила упомянутого молекулярного взаимодействия оказывается выше прочности связи молекул самой жидкой среды. Приложение растягивающей нагрузки сочетают со сжимающей нагрузкой в режиме циклической знакопеременной нагрузки или циклической нагрузки с отрицательным коэффициентом асимметрии цикла. Сочетание растяжения и сжатия является необходимым условием надежного возбуждения кавитации, так как в соответствии с законом Баушингера предварительное сжатие структурированного объекта (а к таким относятся жидкие среды, в частности вода) на 20-30% снижает его прочность при последующем растяжении. Кроме того, сжатие в циклическом режиме влияет на энергетику кавитационного процесса в целом. Интенсивность кавитации может регулироваться амплитудой изменения объема жидкой среды, что практически осуществляется воздействием на силовой привод в плане изменения амплитуды возвратно-поступательного движения поршня. Независимо от площади поршня его вытесняющая способность должна обеспечивать изменение объема жидкой среды в заданных пределах.To implement the proposed method, the liquid medium 1 is placed in a closed airtight cavity 2 (see figure 1), 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. The piston 3 is electrically isolated from the container 2 by means of a layer 6 made of a cylindrical surface forming it from special material. A valve 7 is mounted on the outer side of the piston, through which air and / or vapors from the container 2 are pushed out when the medium 1 is compressed. For constructive simplification, the container 2 contains a cylindrical cavity, and the piston 3 is mounted therein with the possibility of reciprocating movement with its complete sealing cylindrical part. As a structural embodiment, the piston 3 can be made in the form of a membrane. Thus, the change in the volume of the liquid medium is carried out by moving the piston and, in a quantitative sense, the change in volume can be characterized by the amplitude of its oscillations. To stretch the liquid medium until the beginning of the formation of cavitation bubbles, depending on the volume of the capacitance, considerable force is required, which is realized by the power drive 5, rigidly connected to the piston 3. The engine 5 together with the piston 3, including the volume of the liquid medium, form a vibrating system tuned to the resonance operating mode, i.e. in the frequency of free vibrations of the system, the mass and elasticity of not only the electromechanical part, but also the liquid medium are taken into account. The above allows you to bring the entire vibrating system into a resonant mode of operation, i.e. with minimal energy consumption on the power drive and maximum effort on the piston. The container 2 and the piston 3, made of an electrically conductive material and separated by an insulating layer 6, are connected to an alternating current source 8, which in turn is connected to a block 9, which controls and matches the operation of the motor 5 and source 8. The proposed method is implemented as follows . As the liquid 1 is filled with capacity 1, the power drive 5 is turned on and the reciprocating movement is attached to the piston 3. During the compression of the liquid medium during the first few cycles, free air or steam is removed from the tank 2 through the valve 7. After that, the inner surface of the piston 3 over its entire area comes into contact with the liquid medium and the application of tensile force over the entire volume of the medium begins in the tensile phase. The inner surfaces of the container are made of a material having good wettability with the liquid medium, or, in other words, the increased Van der Waals interaction at the molecular level between the molecules of the liquid medium and the container material. This position allows uniform and reliable stretching of the entire volume of the liquid medium, since the strength of the mentioned molecular interaction is higher than the bond strength of the molecules of the liquid medium itself. The application of tensile load is combined with compressive load in cyclic alternating load mode or cyclic load with a negative coefficient of asymmetry of the cycle. The combination of stretching and compression is a necessary condition for reliable excitation of cavitation, since, in accordance with Bausinger's law, the preliminary compression of a structured object (such as liquid media, in particular water) reduces its strength during subsequent stretching by 20-30%. In addition, compression in a cyclic mode affects the energy of the cavitation process as a whole. The cavitation intensity can be controlled by the amplitude of the change in the volume of the liquid medium, which is practically carried out by acting on the power drive in terms of changing the amplitude of the reciprocating motion of the piston. Regardless of the area of the piston, its displacing ability should provide a change in the volume of the liquid medium within the specified limits.

В процессе движения поршня через жидкую среду подают переменный электрический ток с источника 8. В электрическую цепь, таким образом, включены, кроме последнего, еще емкость 2, поршень 3 и жидкая среда 1. На графике а) фиг.2 дано схематическое изображение характера нагрузки, которую посредством поршня 3 прикладывают к жидкой среде, где +У и -У обозначают величину амплитуды колебания поршня 3, при этом +У обозначает деформацию растяжения, а -У обозначает деформацию сжатия. Следует еще раз отметить, что растяжение жидкой среды способствует зарождению кавитационных пузырьков, а сжатие - их схлопыванию. Обе фазы являются важными в развитии кавитационного процесса, так как растяжение жидкой среды, не сопровождаемое сжатием, ведет к бесконтрольному росту размера пузырьков и потере их технологической эффективности. Процесс сжатия, чередующийся с растяжением, ограничивает этот рост и дает возможность удерживать пузырьки в оптимальном, с точки зрения технологии, размерном диапазоне 100-150 мкм. Кроме того, сжатие стимулирует процесс схлопывания пузырька, повышая его силовую гидродинамическую составляющую, играющую значительную роль в технологической эффективности кавитации. Как указывалось выше, на кавитацию оказывают большое влияние растворенные в жидкой среде газы, являющиеся зародышами для кавитационных пузырьков. При пропускании электрического переменного тока в жидкой среде 1 от источника 8 в частотном режиме, не согласованном с частотой возвратно-поступательного движения поршня 3, характер изменения параметров тока (сила тока) будет подобен зависимости, изображенной на графике б) фиг.2. Причиной волнообразной формы изменения силы тока является то, что в период сжатия плотность среды возрастает и электрическое сопротивление ее падает, что и приводит к возрастанию силы тока. В период разрежения при уменьшении плотности среды сила тока падает. Важным обстоятельством, сопровождающим пропускание электрического переменного тока, является попеременное изменение полярности на поршне 3 и емкости 2, которые в этих условиях поочередно становятся катодом или анодом, что сопровождается явлением электролиза, т.е. разложением воды на водород и кислород. Последние поступают в жидкую среду, обогащая ее газовую фазу и способствуя тем самым увеличению количества зародышей для кавитационных пузырьков. Однако характер электролитического процесса, изображенный на графике б), является беспорядочным и хаотическим и выделение водорода и кислорода, сопровождающее стадию растяжения среды, способствует неконтролируемому росту пузырьков за счет их насыщения газами, что приводит к потере ими оптимальных технологических свойств. С другой стороны, если электрический переменный ток подается импульсно только во время цикла сжатия, а точнее на стадии уменьшения величины последнего (см. график в)), то газовыделение носит оптимальный характер, т.е. оно происходит в период подготовки цикла разрежения и прекращается во время него, избегая, таким образом, неконтролируемого роста кавитационных пузырьков. Обстоятельством, в значительной степени повышающим эффективность процесса электролиза и в целом кавитационного процесса, является то, что частота изменения тока должна быть, по меньшей мере, в четыре раза больше частоты приложения нагрузки. Это гарантирует, что во время цикла сжатия на стадии уменьшения его величины произойдет, по меньшей мере, однократное изменение полярности на электродах, что в конечном итоге обеспечит перемешивание в жидкой среде генерируемых водорода и кислорода и исключит застойные явления на поверхности электродов, т.е. поршня 3 и емкости 2. Повышению качества кавитационного процесса будет способствовать неоднократное изменение полярности, как это показано на графике г). Существенным последствием от использования предлагаемого способа возбуждения кавитации в жидкой среде является то, что в процессе схлопывания пузырьков, содержащих атомы и молекулы водорода и кислорода, взаимодействие последних в условиях нарастающего давления позволяет усилить гидродинамический эффект схлопывания за счет резкого уменьшения давления газов в пузырьке, вызванного процессом образования воды. Другими словами, происходит почти мгновенный процесс ее конденсации, уменьшающий в конечном итоге сопротивление перемещающейся к центру пузырька его жидкостной стенки, повышая таким образом кинетическую энергию охлопывающегося пузырька в целом, реализующуюся в ударной волне. Согласование между собой в необходимом соотношении частот возвратно-поступательного перемещения поршня 3 и подаваемого переменного электрического тока осуществляется блоком 9 управления.In the process of the piston moving through the liquid medium, an alternating electric current is supplied from the source 8. Thus, in addition to the latter, the capacitor 2, the piston 3 and the liquid medium 1 are included in the electric circuit. which is applied by means of the piston 3 to the liquid medium, where + Y and -Y denote the magnitude of the oscillation amplitude of the piston 3, while + Y is the tensile strain, and -Y is the compression strain. It should be noted once again that the expansion of the liquid medium favors the nucleation of cavitation bubbles, and the compression contributes to their collapse. Both phases are important in the development of the cavitation process, since the expansion of the liquid medium, not accompanied by compression, leads to an uncontrolled increase in the size of the bubbles and the loss of their technological efficiency. The compression process, alternating with stretching, limits this growth and makes it possible to keep bubbles in the optimal, from the point of view of technology, size range of 100-150 microns. In addition, compression stimulates the process of collapse of the bubble, increasing its hydrodynamic force component, which plays a significant role in the technological efficiency of cavitation. As mentioned above, cavitation is greatly influenced by gases dissolved in a liquid medium, which are the nuclei for cavitation bubbles. When passing electric alternating current in a liquid medium 1 from a source 8 in a frequency mode that is not consistent with the frequency of the reciprocating motion of the piston 3, the nature of the change in the current parameters (current strength) will be similar to the dependence shown in graph b) of FIG. 2. The reason for the wave-like shape of the change in current strength is that during the compression period the density of the medium increases and its electrical resistance decreases, which leads to an increase in current strength. During rarefaction, with a decrease in the density of the medium, the current decreases. An important circumstance accompanying the transmission of electric alternating current is an alternating change in polarity on the piston 3 and capacity 2, which under these conditions alternately become the cathode or anode, which is accompanied by the phenomenon of electrolysis, i.e. decomposition of water into hydrogen and oxygen. The latter enter the liquid medium, enriching its gas phase and thereby contributing to an increase in the number of nuclei for cavitation bubbles. However, the nature of the electrolytic process shown in graph b) is random and chaotic, and the evolution of hydrogen and oxygen, which accompanies the stage of expansion of the medium, contributes to the uncontrolled growth of bubbles due to their saturation with gases, which leads to the loss of their optimal technological properties. On the other hand, if an electric alternating current is supplied pulsed only during the compression cycle, and more precisely at the stage of decreasing the magnitude of the latter (see graph c)), then the gas evolution is optimal, i.e. it occurs during the preparation of the rarefaction cycle and stops during it, thus avoiding the uncontrolled growth of cavitation bubbles. A circumstance that significantly increases the efficiency of the electrolysis process and of the cavitation process as a whole is that the frequency of the current change must be at least four times the frequency of the load application. This ensures that during the compression cycle, at the stage of decreasing its magnitude, at least one polarity change occurs on the electrodes, which ultimately ensures mixing of the generated hydrogen and oxygen in the liquid medium and eliminates stagnant phenomena on the surface of the electrodes, i.e. piston 3 and capacity 2. Improving the quality of the cavitation process will contribute to repeated changes in polarity, as shown in graph d). A significant consequence of the use of the proposed method of cavitation excitation in a liquid medium is that during the collapse of bubbles containing atoms and molecules of hydrogen and oxygen, the interaction of the latter under increasing pressure makes it possible to enhance the hydrodynamic effect of collapse due to a sharp decrease in gas pressure in the bubble caused by the process water formation. In other words, an almost instantaneous process of its condensation occurs, ultimately reducing the resistance of the liquid wall moving toward the center of the bubble, thereby increasing the kinetic energy of the collapsing bubble as a whole, which is realized in the shock wave. Coordination among themselves in the necessary ratio of the frequencies of the reciprocating movement of the piston 3 and the supplied alternating electric current is carried out by the control unit 9.

Claims

1. A method of exciting cavitation in a liquid medium enclosed in a closed volume by creating alternating tensile and compressive stresses in a cyclic load mode created by a change in this volume, characterized in that an alternating electric current is passed through the liquid, the frequency of which is greater than the frequency of application of the cyclic load, at least four times.

2. The method according to claim 1, characterized in that the electric current is supplied pulsed during the compression cycle at the stage of decreasing the magnitude of the latter.