RU2588298C1 - Hydrodynamic cavitator - Google Patents
Hydrodynamic cavitator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2588298C1 RU2588298C1 RU2015104721/06A RU2015104721A RU2588298C1 RU 2588298 C1 RU2588298 C1 RU 2588298C1 RU 2015104721/06 A RU2015104721/06 A RU 2015104721/06A RU 2015104721 A RU2015104721 A RU 2015104721A RU 2588298 C1 RU2588298 C1 RU 2588298C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzles
- housing
- chamber
- hydrodynamic cavitator
- flow
- Prior art date
Links
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 claims description 21
- 210000001503 Joints Anatomy 0.000 claims description 8
- 239000000789 fastener Substances 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 18
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 15
- 230000000737 periodic Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 17
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 15
- 210000003477 Cochlea Anatomy 0.000 description 10
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 210000003128 Head Anatomy 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 3
- 230000003068 static Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 2
- 238000010851 screening effect Methods 0.000 description 2
- 230000037250 Clearance Effects 0.000 description 1
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 241000237858 Gastropoda Species 0.000 description 1
- 241000731961 Juncaceae Species 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000035512 clearance Effects 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement Effects 0.000 description 1
- 230000023298 conjugation with cellular fusion Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 210000002257 embryonic structures Anatomy 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000000414 obstructive Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000002829 reduced Effects 0.000 description 1
- 230000001340 slower Effects 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
- 230000021037 unidirectional conjugation Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к теплогенераторам кавитационного типа для разогрева жидкостей в гидросистемах различного назначения, а также может быть использовано в качестве смесителей различных жидкостей, диспергирования, разрушения молекулярных связей в сложных жидкостях, изменения физико-механических свойств жидкостей.The invention relates to cavitation-type heat generators for heating liquids in hydraulic systems for various purposes, and can also be used as mixers for various liquids, dispersing, breaking molecular bonds in complex liquids, changing the physicomechanical properties of liquids.
Известно устройство для нагрева жидкости (патент RU №2045715, МПК F25B 29/00), содержащее теплогенератор, состоящий из корпуса, имеющего цилиндрическую часть, и ускорителя движения жидкости, выполненного в виде циклона, насос, соединенный с теплогенератором посредством инжекционного патрубка, и систему теплообмена, подключенную к выходному патрубку теплогенератора и к насосу. В известном устройстве для нагрева жидкости в цилиндрической части корпуса на участке, примыкающем к выходному патрубку, расположено тормозное устройство, а в теплогенераторе предусмотрен перепускной патрубок, соединяющий циклон с выходным патрубком.A device for heating a liquid (patent RU No. 2045715, IPC F25B 29/00) is known, comprising a heat generator consisting of a housing having a cylindrical part and a fluid accelerator made in the form of a cyclone, a pump connected to the heat generator by means of an injection pipe, and a system heat exchange connected to the outlet pipe of the heat generator and to the pump. In the known device for heating the liquid in the cylindrical part of the housing on the area adjacent to the outlet pipe, a brake device is located, and a bypass pipe connecting the cyclone to the outlet pipe is provided in the heat generator.
Недостатком этого технического решения является то, что предложенное устройство имеет высокие гидравлические потери энергии, низкое качество генерируемого акустического сигнала, неудовлетворительные акустические условия для волновых процессов и поэтому недостаточно высокую эффективность работы (нагрева воды).The disadvantage of this technical solution is that the proposed device has high hydraulic energy losses, low quality of the generated acoustic signal, unsatisfactory acoustic conditions for wave processes and, therefore, insufficiently high work efficiency (water heating).
Рассматриваемая конструкция предполагает превышение диаметра улитки по отношению к диаметру цилиндрической части корпуса (Фиг. 1). Однако разность диаметров образует геометрический уступ на пути центробежного расходного потока из улитки и поэтому после его входа с поворотом в корпус образуется зона отрыва. Эта зона имеет фиксированную границу отрыва, расположенную по ребру уступа, участок примыкания потока, смещенный вдоль корпуса, и между ними область возвратного течения в виде деформированного тора. При этом на непроизводительное вращательное движение жидкости в области отрыва затрачивается значительная энергия, что является первой причиной снижения эффективности рабочего процесса.The design in question involves an excess of the diameter of the cochlea relative to the diameter of the cylindrical part of the body (Fig. 1). However, the difference in diameters forms a geometric ledge on the path of the centrifugal flow rate from the cochlea, and therefore, after it enters with turning into the housing, a separation zone is formed. This zone has a fixed separation boundary, located along the edge of the ledge, a section of the abutting stream, displaced along the body, and between them the region of the return flow in the form of a deformed torus. At the same time, considerable energy is expended on the unproductive rotational movement of the liquid in the separation region, which is the first reason for the decrease in the efficiency of the working process.
Кроме того, область возвратного течения загромождает сечение на начальном участке корпуса и поэтому расходный поток проходит сосредоточенно через узкую приосевую область. Это обстоятельство обуславливает две особенности - первая состоит в том, что узкое сечение по условию постоянства расходов по сечениям потока вызывает местное увеличение скорости, что также вызывает рост гидравлических сопротивлений пропорционально квадрату изменения скорости. Вторая определяет расширение скоростного потока с образованием локальной зоны пониженного давления после прохождения им самого узкого сечения. Давление в этой зоне может оказаться ниже давления насыщенных паров, а ее размеры с ростом температуры увеличиваются, следовательно, она заполнена паром рабочей жидкости. Присутствие же неоднородностей в рабочем объеме нарушает стабильность условий прохождения звуковой волны.In addition, the return flow area clutters the cross section in the initial portion of the housing and therefore the flow rate flows concentrated through the narrow axial region. This circumstance leads to two features - the first is that a narrow section, under the condition of constant flow rate over the flow sections, causes a local increase in speed, which also causes an increase in hydraulic resistance in proportion to the square of the speed change. The second determines the expansion of the velocity flow with the formation of a local zone of reduced pressure after passing through the narrowest section. The pressure in this zone may be lower than the pressure of saturated vapors, and its size increases with increasing temperature, therefore, it is filled with steam of the working fluid. The presence of inhomogeneities in the working volume violates the stability of the conditions for the passage of a sound wave.
Теплогенераторы рассматриваемого класса являются жидкостными свистками, которые создают звуковое поле в своем внутреннем объеме, через который проходит жидкость. При этом в фазе разрежения звуковой волны в жидкости на зародышах образуются и растут кавитационные полости, а в фазе избыточного давления они мгновенно схлопываются, осуществляя уплотнение энергии, как в пространстве, так и во времени с ростом температуры в точке схлопывания до 6000 К.The heat generators of this class are liquid whistles that create a sound field in their internal volume through which the liquid passes. In this case, in the rarefaction phase of the sound wave in the liquid, cavitation cavities form and grow on the embryos, and in the overpressure phase they instantly collapse, compressing the energy both in space and in time with increasing temperature at the collapse point to 6000 K.
Целесообразно, чтобы длина цилиндрической части корпуса была кратна целому числу полудлин звуковых волн. В этом случае волны расчетных частот, вошедшие в корпус, будут отражаться от жесткого противоположного конца корпуса и поэтому начало и конец цилиндрической части корпуса станут узлами, а середина - пучностью стоячей волны. Стоячая же волна предполагает удвоенную амплитуду колебаний, следовательно, и больший уровень энергии, запасенный кавитационной каверной перед схлопыванием, и большее тепловыделение в акте схлопывания.It is advisable that the length of the cylindrical part of the body be a multiple of an integer number of half-lengths of sound waves. In this case, the waves of the calculated frequencies entering the body will be reflected from the hard opposite end of the body and therefore the beginning and end of the cylindrical part of the body will become nodes, and the middle will be the antinode of the standing wave. The standing wave implies a doubled amplitude of oscillations, therefore, a greater energy level stored by the cavitation cavity before collapse, and greater heat release in the act of collapse.
Основным источником звукообразования является взаимодействие в циклоне входной части потока с другой его частью, совершившей полный оборот вдоль обечайки циклона (Фиг. 2). В этом случае вторая, т.е. совершившая полный оборот, часть потока за счет скоростной составляющей напора обжимает входящую часть, уменьшая проходное сечение и увеличивая тем самым гидравлическое сопротивление на входе в улитку циклона. Увеличенное гидравлическое сопротивление вызывает уменьшение скорости входного потока, что приводит к возрастанию пьезометрической составляющей напора потока перед сопротивлением. Повышенное давление перед сопротивлением обеспечивает отжим второй, то есть окружной части потока, снижение гидравлического сопротивления для входного компонента и далее увеличенный его расход, причем как за счет увеличенного сечения, так и за счет прибавки скорости. Произошедший переход энергии в кинетическую форму уменьшает пьезометрическую часть входного потока, что вновь приводит к его обжиму и т.д.The main source of sound generation is the interaction in the cyclone of the input part of the stream with its other part, which has completed a complete revolution along the cyclone shell (Fig. 2). In this case, the second, i.e. having made a complete revolution, part of the flow, due to the velocity component of the pressure, compresses the inlet part, reducing the flow area and thereby increasing the hydraulic resistance at the inlet to the cyclone cochlea. The increased hydraulic resistance causes a decrease in the input flow rate, which leads to an increase in the piezometric component of the flow head before the resistance. The increased pressure before the resistance ensures the extraction of the second, that is, the circumferential part of the flow, a decrease in the hydraulic resistance for the input component and then its increased flow rate, both due to the increased cross section and due to the increase in speed. The transition of energy into kinetic form reduces the piezometric part of the input stream, which again leads to its compression, etc.
Для второй части потока имеют место аналогичные периодические переходы, но в противофазе переходам на входной части, а в качестве гидравлического сопротивления выступает поворот потока от касательного направления в месте взаимодействия внутрь циклона. Таким образом, периодическое изменение давления в зонах обжатия является источником упругих колебаний, т.е. звуковых волн.For the second part of the flow, similar periodic transitions take place, but in antiphase to transitions at the inlet part, and the flow resistance from the tangential direction at the point of interaction inside the cyclone acts as hydraulic resistance. Thus, a periodic change in pressure in the compression zones is a source of elastic vibrations, i.e. sound waves.
Следовательно, циклон, выполненный в виде улитки, является источником звукообразования, а цилиндрический корпус - усилителем этих упругих колебаний.Therefore, a cyclone made in the form of a snail is a source of sound generation, and a cylindrical body is an amplifier of these elastic vibrations.
Однако процесс звукообразования в циклоне имеет низкую эффективность, хотя на него затрачивается 40% потребляемой мощности. Во-первых, движение потока вдоль обечайки циклона сопровождается значительными гидравлическими потерями, обусловленными поворотом потока, трением о внутреннюю поверхность обечайки, поддержанием особой структуры течений в этом потоке. Известно, что поворот потока в любом отводе, в том числе и в улитке (Фиг. 3), сопровождается образованием двух торовых сопряженных вихрей с осями эквидистантными обечайке и торцам улитки циклона. Вихревая составляющая этого течения значительно увеличивает путь трения по сравнению с невихревым потоком. Взаимодействие этих торовых вихревых потоков между собой и с областями возвратных течений в угловых зонах в еще большей степени увеличивает гидравлические потери.However, the process of sound generation in a cyclone has a low efficiency, although it takes 40% of the power consumption. Firstly, the movement of the flow along the cyclone shell is accompanied by significant hydraulic losses due to the rotation of the flow, friction on the inner surface of the shell, and the maintenance of the special structure of the flows in this flow. It is known that flow rotation at any branch, including the cochlea (Fig. 3), is accompanied by the formation of two torus conjugate vortices with axes equidistant to the shell and ends of the cochlea of the cyclone. The vortex component of this flow significantly increases the friction path compared to the non-vortex flow. The interaction of these torus vortex flows with each other and with the regions of return flows in the corner zones increases hydraulic losses even more.
Во-вторых, по мере прохождения окружного пути поток тормозится в силу вышеизложенных причин, следовательно, увеличивает свое поперечное сечение. В-третьих, этот поток имеет расходную радиальную составляющую qr (Фиг. 4), увеличивающую свое значение с уменьшением радиуса, поскольку совокупный расход в центральное отверстие циклона соответствует подаче насоса Qнас. Последняя причина в еще большей степени затормаживает окружной поток и увеличивает его поперечные размеры при подходе к месту взаимодействия с входной его компонентой.Secondly, as the circular path passes, the flow slows down due to the above reasons, therefore, increases its cross section. Thirdly, this flow has a radial component q r (Fig. 4), increasing its value with decreasing radius, since the total flow rate into the central opening of the cyclone corresponds to the pump flow Q us . The latter reason inhibits the circular flow to an even greater degree and increases its transverse dimensions when approaching the place of interaction with its input component.
Причем расходный радиальный поток qr преодолевает противодавление центробежной природы, им же самим и созданное.Moreover, the radial flow rate q r overcomes the backpressure of a centrifugal nature, which he himself created.
То есть в области взаимодействия сливаются два сильно отличающихся по скорости потока. Причем область взаимодействия потоков имеет протяженные размеры и в каждой ее точке вектора скорости взаимодействующих элементов потоков существенно отличаются между собой и по величине, и, самое главное, по направлению. При этом в каждой точке области взаимодействия отличия элементов потока имеют свою величину.That is, two very different flow rates merge in the interaction region. Moreover, the interaction region of the flows has extended dimensions and at each point of it the velocity vectors of the interacting flow elements substantially differ from each other both in magnitude and, most importantly, in direction. Moreover, at each point of the interaction region, the differences of the flow elements have their own value.
В итоге акустический сигнал при взаимодействии таких разных потоков не дискретный, он включает в себя результаты множества отличающихся взаимодействий, то есть многих частот с малыми амплитудами (Фиг. 5), что вызывает следующие следствия:As a result, the acoustic signal during the interaction of such different streams is not discrete, it includes the results of many different interactions, that is, many frequencies with small amplitudes (Fig. 5), which causes the following consequences:
- чрезмерно высокая частота колебаний (более 10 кГц) не позволяет кавитационному пузырьку приобрести необходимый запас упругой энергии, и в результате процесс схлопывания недостаточно повышает температуру жидкости;- an excessively high oscillation frequency (more than 10 kHz) does not allow the cavitation bubble to acquire the necessary reserve of elastic energy, and as a result, the collapse process does not sufficiently increase the temperature of the liquid;
- при низкой частоте увеличенная в размерах кавитационная каверна (пузырек) в короткую фазу схлопывания не успевает полностью исчезнуть, а только пульсирует. Отсутствие же удара при схлопывании также исключает следствия, в результате которых вода должна нагреваться.- at a low frequency, the increased cavitation cavity (bubble) in the short phase of collapse does not have time to completely disappear, but only pulsates. The absence of a blow during the collapse also excludes the consequences, as a result of which the water should be heated.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является кавитационно-вихревой энергопреобразователь, содержащий вихревую камеру с двумя, расположенными под углом 180° инжекционными патрубками, корпус в форме цилиндрической трубы, байпас, соединяющий вихревую камеру с основанием корпуса, тормозное устройство, установленное в основании корпуса, противолежащем вихревой камере, и дополнительное тормозное устройство, установленное в байпасе (патент RU 2357162, кл. F24J 3/00).The closest in technical essence to the claimed one is a cavitation-vortex energy converter containing a vortex chamber with two injection nozzles located at an angle of 180 ° , a housing in the form of a cylindrical pipe, a bypass connecting the vortex chamber with the base of the housing, a brake device installed in the base of the housing, an opposing swirl chamber, and an additional braking device installed in the bypass (patent RU 2357162, CL F24J 3/00).
Введение в вихревую камеру известного кавитационно-вихревого энергопреобразователя второго инжекционного патрубка, расположенного под углом 1800 относительно первого, предполагает создание смежного соседнего, сопряженного с первым окружного течения в вихревой камере. В этом случае зона низкой тангенциальной скорости первого потока соседствует с зоной максимальной тангенциальной скорости второго окружного потока, зона максимальной тангенциальной скорости первого потока соседствует с зоной низкой тангенциальной скорости второго потока, что приводит к частичному осреднению и увеличению номиналов минимальных тангенциальных скоростей обоих потоков вдоль всей окружности вихревой камеры. Это обстоятельство обусловило некоторое повышение эффективности рабочего процесса прототипа.The introduction into the vortex chamber of the known cavitation-vortex energy transducer of the second injection pipe, located at an angle of 180 ° relative to the first, involves the creation of an adjacent adjacent, conjugate with the first, circular flow in the vortex chamber. In this case, the zone of low tangential velocity of the first stream is adjacent to the zone of maximum tangential velocity of the second circumferential stream, the zone of maximum tangential velocity of the first stream is adjacent to the zone of low tangential velocity of the second stream, which leads to partial averaging and an increase in the nominal values of the minimum tangential velocities of both flows along the entire circumference swirl chamber. This fact led to a slight increase in the efficiency of the prototype workflow.
Однако отличие тангенциальных скоростей в окружном потоке вихревой камеры достигнуто не в полной мере, поскольку и в этом случае имеет место распределенный «путевой» расход qr в радиальном направлении, что обуславливает все то же уменьшение тангенциальной скорости суммарного потока при следовании его от одного патрубка до другого.However, the difference in tangential velocities in the peripheral flow of the vortex chamber is not fully achieved, since in this case there is also a distributed “track” flow rate q r in the radial direction, which leads to the same decrease in the tangential velocity of the total flow when it goes from one pipe to of another.
Кроме того:Besides:
- слияние высокоскоростного потока с сопряженным соседним низкоскоростным сопровождается их взаимодействием, что связано также со значительными энергетическими затратами;- the merger of the high-speed flow with the adjacent adjacent low-speed is accompanied by their interaction, which is also associated with significant energy costs;
- в каждом из потоков имеет место рассматриваемая выше структура течений, которая предполагает увеличенную совокупность видов присутствующих движений и энергетических затрат на них;- in each of the flows there takes place the structure of currents considered above, which involves an increased set of types of present movements and energy costs for them;
- в этом случае затраты энергии на трение окружного течения о внутреннюю поверхность обечайки вихревой камеры присутствуют в еще большей мере, поскольку это течение имеет большую скорость. Перечисленные затраты энергии в этом случае вообще не участвуют в создании акустического сигнала, а их величина значительна.- in this case, the energy costs for the friction of the circumferential flow on the inner surface of the shell of the vortex chamber are present to an even greater extent, since this flow has a high speed. The listed energy expenditures in this case do not participate at all in the creation of the acoustic signal, and their magnitude is significant.
При взаимодействии же отличающихся потоков акустический сигнал получается, во-первых, не симметричным. В этом случае либо не возникает каверны требуемого размера (но она хорошо схлопывается), либо если она все же возникла (при хорошей вакуумметрической фазе), то она не схлопывается должным образом. Во-вторых, увеличенные размеры окружного потока предполагают протяженную и более широкую границу его взаимодействия с входным компонентом, а также изменяющиеся отличия вдоль и поперек нее скоростей и направлений взаимодействующих элементов, что обуславливает создание акустического сигнала с широким диапазоном частот. Эти обстоятельства повышают затраты энергии на непроизводительные процессы при самом акте создания акустического сигнала.When different flows interact, the acoustic signal is, firstly, not symmetrical. In this case, either a cavity of the required size does not arise (but it collapses well), or if it nevertheless arose (with a good vacuum gauge phase), then it does not collapse properly. Secondly, the increased size of the circumferential flow suggests an extended and wider boundary of its interaction with the input component, as well as varying differences along and across it of the speeds and directions of the interacting elements, which leads to the creation of an acoustic signal with a wide frequency range. These circumstances increase energy costs for unproductive processes during the very act of creating an acoustic signal.
В итоге, доля энергии реализуемой в акустический сигнал не превышает 6%, что и обуславливает низкую эффективность нагрева рабочей среды (воды).As a result, the fraction of energy sold into the acoustic signal does not exceed 6%, which leads to low heating efficiency of the working medium (water).
Недостатком известного устройства является недостаточно высокая эффективность нагрева.A disadvantage of the known device is the insufficiently high heating efficiency.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности нагрева жидкости.The objective of the proposed technical solution is to increase the efficiency of heating the liquid.
Поставленная задача решается следующим образом. В кавитационно-вихревом энергопреобразователе, содержащем корпус, выполненный в виде трубы, камеру с двумя патрубками с соплами, соединенную со входом в корпус, сопла установливаются с возможностью контакта со стенками камеры и направлены в сторону входа в корпус, а их оси расположены в одной плоскости под углом друг к другу.The problem is solved as follows. In a cavitation-vortex energy converter containing a housing made in the form of a pipe, a chamber with two nozzles with nozzles connected to the entrance to the housing, the nozzles are installed with the possibility of contact with the walls of the chamber and are directed towards the entrance to the housing, and their axes are located in the same plane at an angle to each other.
При этом:Wherein:
- патрубки на входе могут быть снабжены запорно-регулирующей аппаратурой;- inlet nozzles can be equipped with shut-off and control equipment;
- взаимный наклон сопел может быть выполнен регулируемым путем их установки, например, на эксцентриковые цилиндро-шарнирные опоры;- the mutual inclination of the nozzles can be made adjustable by installing them, for example, on eccentric cylinder-articulated supports;
- камера с корпусом может быть соединена через вложенные один в другой цилиндро-эксцентриковый и сферический шарниры;- the camera with the body can be connected through a cylinder-eccentric and spherical hinge inserted into one another;
- соплана выходе имеют прямоугольное сечение, при этом в качестве их боковых стенок могут быть использованы стенки камеры;- the nozzle exit has a rectangular cross section, while the walls of the chamber can be used as their side walls;
- противоположная корпусу внутренняя поверхность камеры может быть выполнена в виде параболического акустического отражателя;- the inner surface of the chamber opposite to the housing can be made in the form of a parabolic acoustic reflector;
- сопла на выходе могут быть выполнены с контактом соседних обрезов и связаны цилиндрическим шарниром;- nozzles at the outlet can be made with the contact of adjacent cuts and connected by a cylindrical hinge;
- периферийные стенки сопел или одного из них могут быть выполнены подвижными в поперечном направлении путем установки на цилиндрических шарнирах и снабжения каждой из них тягой;- the peripheral walls of the nozzles or one of them can be made movable in the transverse direction by installing on cylindrical joints and supplying each of them with traction;
- обрезы сопел, или одного из них, могут быть выполнены косыми;- the edges of the nozzles, or one of them, can be made oblique;
- периферийные стенки сопел, или одного из них, могут быть выполнены выступающими и отогнутыми в виде консольных балок с частотами собственных колебаний из диапазона 1-10 кГц;- the peripheral walls of the nozzles, or one of them, can be made protruding and bent in the form of cantilever beams with natural frequencies from the range of 1-10 kHz;
- периферийные стенки сопел, или одного из них, могут быть выполнены повышенной жесткости путем фиксации на боковых стенках корпуса, например, резьбовым крепежом.- the peripheral walls of the nozzles, or one of them, can be made of increased rigidity by fixing on the side walls of the housing, for example, with threaded fasteners.
Проведение перечисленных мероприятий предполагает осуществление следующих полезных функций предлагаемого устройства.The implementation of these activities involves the implementation of the following useful functions of the proposed device.
Расположение осей патрубков в одной плоскости под углом друг к другу с возможностью контакта со стенками камеры является конструктивных повторением зоны слияния потоков в циклонах (камерах) из известных конструкций теплогенераторов, что наряду со снабжением подводящих каналов патрубков запорно-регулирующей аппаратурой обеспечивает управляемость интенсивностью каждой из взаимодействующих струй (Фиг. 7).The location of the axes of the nozzles in the same plane at an angle to each other with the possibility of contact with the walls of the chamber is a constructive repetition of the confluence zone of flows in cyclones (chambers) from known designs of heat generators, which, along with supplying the supply channels of the nozzles with shut-off and regulating equipment, ensures the intensity of each interacting jets (Fig. 7).
Ориентация сопел в сторону входа в корпус обеспечивает снижение гидравлических сопротивлений, поскольку исключает, во-первых, поворот результирующего потока, то есть его деформацию, образование отрывных течений от границы камеры с корпусом, загромождение входа в корпус(Фиг. 7). Во-вторых, расходный поток в улитке камеры не должен преодолевать созданное им же давление центробежной природы.The orientation of the nozzles toward the entrance to the housing provides a reduction in hydraulic resistance, since it eliminates, firstly, the rotation of the resulting flow, that is, its deformation, the formation of separated flows from the boundary of the chamber with the housing, and obstruction of the entrance to the housing (Fig. 7). Secondly, the flow rate in the cochlea of the chamber must not overcome the centrifugal pressure created by it.
Изменение взаимного наклона осей сопел обеспечивает регулирование длины зоны и направления векторов взаимодействующих струй, то есть дает возможность подобрать режимы, при которых реализуется требуемый диапазон частот либо максимальные значения амплитуд. При этом угол между осями сопел можно менять либо путем их установки на эксцентриковые цилиндро-шарнирные опоры (Фиг. 7, Фиг. 10), либо на радиально-сквозные цилиндрические шарниры с узлом уплотнения патрубков (Фиг. 11) и т.д.Changing the mutual tilt of the axes of the nozzles provides control of the length of the zone and the direction of the vectors of the interacting jets, that is, it makes it possible to choose the modes in which the required frequency range or maximum amplitude values are realized. In this case, the angle between the axes of the nozzles can be changed either by installing them on eccentric cylinder-hinge supports (Fig. 7, Fig. 10), or on radially through cylindrical joints with a nozzle seal assembly (Fig. 11), etc.
Выполнение соединения камеры с корпусом через вложенные один в другой цилиндроэксцентриковый и сферический шарниры (Фиг. 8) позволяет изменять наклон камеры по отношению к оси корпуса, а также смещать ось результирующего потока (от слияния двух пересекающихся струй) в поле поперечного сечения входной части корпуса. Совокупная реализация возможностей шарниров позволяет создавать поток в цилиндрическом корпусе с разной степенью закрутки (вплоть до потенциального осевого течения) путем задания угла входа и радиального смещения оси входного потока относительно оси корпуса.The connection of the camera with the housing through the cylinder-eccentric and spherical joints inserted into one another (Fig. 8) allows you to change the tilt of the camera relative to the axis of the housing, as well as to shift the axis of the resulting stream (from the confluence of two intersecting jets) in the cross-sectional field of the input part of the housing. The combined implementation of the possibilities of the hinges allows you to create a stream in a cylindrical body with a different degree of twist (up to the potential axial flow) by setting the entry angle and radial displacement of the axis of the input stream relative to the axis of the body.
Выполнение сопел прямоугольной формы (в поперечном сечении) обеспечивает постоянство геометрических и кинематических параметров по продольным сечениям потока в соплах, что исключает создание краевых эффектов при слиянии потоков. При этом функцию боковых стенок у сопел могут выполнять боковые стенки камеры, что, во-первых, позволит упростить и удешевить устройство. Во-вторых, периферийные и центральные стенки сопел превратятся в этом случае в консольные балки и при условии равенства их собственных частот требуемым значениям они дополнительно будут создавать облучение звуковым полем проходящий поток жидкости.The execution of the nozzles of a rectangular shape (in cross section) ensures the constancy of geometric and kinematic parameters along the longitudinal sections of the flow in the nozzles, which eliminates the creation of edge effects when merging flows. In this case, the side walls of the chamber can perform the function of the side walls of the nozzles, which, firstly, will simplify and reduce the cost of the device. Secondly, the peripheral and central walls of the nozzles in this case will turn into cantilever beams and, provided that their natural frequencies are equal to the required values, they will additionally create an irradiation of a passing fluid stream with a sound field.
Выполнение внутренней поверхности камеры противоположной корпусу в виде параболического акустического отражателя дает возможность увеличить силу звука (Фиг. 7, Фиг. 8). Создание звукового сигнала сопровождается его распространением по всем направлениям пространства. В известных конструкциях в требуемом направлении движется лишь часть акустической энергии. Размещение источника звука в фокусе параболического отражателя позволяет большую часть звука сориентировать в требуемое направление, то есть в цилиндрический корпус.The execution of the inner surface of the chamber opposite the casing in the form of a parabolic acoustic reflector makes it possible to increase the sound power (Fig. 7, Fig. 8). The creation of an audio signal is accompanied by its distribution in all directions of space. In known constructions, only a part of the acoustic energy moves in the required direction. Placing the sound source in the focus of the parabolic reflector allows you to orient most of the sound in the desired direction, that is, in a cylindrical body.
Контакт соседних обрезов сопел позволяет устранить появление вторичных паразитных течений в пространстве между патрубками, что исключит энергозатраты на поддержание этих течений. Для упрощения изменения угла между осями сопел без потери их контакта соседние участки обрезов сопел связаны цилиндрическими шарнирами (Фиг. 11, Фиг. 12).The contact of adjacent nozzle edges allows eliminating the appearance of secondary parasitic flows in the space between the nozzles, which eliminates the energy consumption for maintaining these flows. To simplify changing the angle between the axes of the nozzles without losing contact, adjacent sections of the nozzle edges are connected by cylindrical joints (Fig. 11, Fig. 12).
Выполнение периферийных стенок сопел подвижными в поперечном направлении путем их установки на цилиндрических шарнирах дает возможность изменять (увеличивать или уменьшать, (Фиг. 13, Фиг. 14) ширину выходного сечения каждого сопла, то есть изменять геометрические параметры каждой из струй, а значит, менять амплитудные и частотные характеристики акустического сигнала при их взаимодействии. Для перемещения и фиксации периферийных стенок сопел каждый из них снабжен тягой с узлом уплотнения.The execution of the peripheral walls of the nozzles movable in the transverse direction by installing them on cylindrical hinges makes it possible to change (increase or decrease, (Fig. 13, Fig. 14) the width of the output section of each nozzle, that is, change the geometric parameters of each of the jets, and therefore, change amplitude and frequency characteristics of the acoustic signal during their interaction.To move and fix the peripheral walls of the nozzles, each of them is equipped with a rod with a seal assembly.
Выполнение обрезов сопел, или одного из них, косыми (Фиг. 7, Фиг. 8) позволяет видоизменять акустический сигнал при истечении струи из сопла.The execution of the edges of the nozzles, or one of them, oblique (Fig. 7, Fig. 8) allows you to modify the acoustic signal when the jet expires from the nozzle.
Так при истечении струи из сопла с нормальной к потоку плоскости обреза выход в затопленное пространство является местным сопротивлением, обуславливающим на конечном участке подводящего канала избыточное по отношению к этому пространству давление, пропорциональное скоростному напору. Следовательно, при выходе потока из отверстия с него снимается экранирующее действие стенок подводящей трубы, и он за счет упругих сил расширяется. Далее, по мере продвижения потока, сначала также за счет действия упругих сил, внешнего давления и позднее инерционных сил, он обжимается, а позже, за счет упругих сил, снова расширяется и т.д. Таким образом, струя представляет собой свободный поток с чередующимися по его длине областями сжатий и разрежений (Иванов, Е.Г. О радиальной составляющей струйного течения в затопленном пространстве / Сборник научных трудов 6-й Международной научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» / СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. - 2010. - C. 76-83.). Поэтому все затопленные струи шумят с основной частотой, определяемой скоростью потока и диаметром сопла.So, when a jet flows from a nozzle with a cut-off plane normal to the flow, the exit to the flooded space is local resistance, which causes an excess pressure relative to this space in the final section of the inlet channel, which is proportional to the pressure head. Therefore, when the stream exits the hole, the screening effect of the walls of the supply pipe is removed from it, and it expands due to elastic forces. Further, as the flow advances, first also due to the action of elastic forces, external pressure and later inertial forces, it is crimped, and later, due to elastic forces, it expands again, etc. Thus, the jet is a free flow with alternating compression and rarefaction regions (Ivanov, EG On the radial component of the jet flow in flooded space / Collection of scientific papers of the 6th International Scientific and Technical Conference "Hydraulic machines, hydraulic drives and hydropneumoautomatics. Current state and development prospects "/ St. Petersburg: Publishing house of the Polytechnic University. - 2010. - C. 76-83.). Therefore, all flooded jets make noise with a fundamental frequency determined by the flow rate and nozzle diameter.
При выполнении обреза сопла косым экранирующее действие стенок подводящей трубы снимается не одновременно и каждый выходящий элемент потока расширяется не во все направления, а только в одном, но более интенсивно. Использование указанного эффекта при взаимодействии струй с разными фазами и характеристиками позволит увеличить амплитуду колебаний.When cutting the nozzle oblique, the screening effect of the walls of the supply pipe is not removed simultaneously and each outgoing flow element does not expand in all directions, but only in one, but more intensively. Using this effect in the interaction of jets with different phases and characteristics will increase the amplitude of the oscillations.
Удлинение периферийных стенок сопел или одного из них в виде выступающей консольной балки (Фиг. 15) с частотами собственных колебаний 1-10 кГц дает возможность усиливать амплитуды колебаний полезных значений частот взаимодействующих струй.The extension of the peripheral walls of the nozzles or one of them in the form of a protruding cantilever beam (Fig. 15) with natural frequencies of 1-10 kHz makes it possible to amplify the amplitudes of the oscillations of the useful frequencies of the interacting jets.
Повышение жесткости периферийных стенок сопел (Фиг. 15) дает возможность исключить из рабочего процесса вибрации подвижных звеньев конструкции сопловой системы и опор патрубков.Increasing the rigidity of the peripheral walls of the nozzles (Fig. 15) makes it possible to exclude from the working process the vibration of the moving parts of the nozzle system structure and the pipe supports.
В итоге проведение предлагаемых мероприятий позволит:As a result, the implementation of the proposed activities will allow:
во-первых, снизить гидравлические потери в рабочем процессе за счет:firstly, to reduce hydraulic losses in the working process due to:
- устранения отрывных областей на входе в корпус;- elimination of separation areas at the entrance to the housing;
- исключения приращения осевой скорости рабочей жидкости в центре корпуса на его входе;- exceptions for increment of the axial velocity of the working fluid in the center of the housing at its inlet;
- упорядочения структуры течений в самом корпусе;- streamlining the structure of currents in the housing itself;
- устранения окружного течения рабочей жидкости вдоль обечайки улитки циклона;- elimination of the circumferential flow of the working fluid along the shell of the cyclone;
во-вторых, повысить качество вырабатываемого акустического сигнала за счет возможности получения требуемых характеристик взаимодействующих струй путем регулирования:secondly, to improve the quality of the generated acoustic signal due to the possibility of obtaining the required characteristics of the interacting jets by regulating:
- углом взаимодействия струй;- the angle of interaction of the jets;
- толщиной каждой из струй;- the thickness of each of the jets;
- скорости истечения каждой из струй;- the expiration rate of each of the jets;
- создания требуемой структуры начальных участков струй;- creating the required structure of the initial sections of the jets;
в-третьих, сделать процесс создания акустического сигнала управляемым, что позволит подналаживать гидродинамический кавитатор:thirdly, to make the process of creating an acoustic signal controllable, which will allow adjusting the hydrodynamic cavitator:
- под различные условия эксплуатации (номинал температуры, интервал температур);- for various operating conditions (temperature rating, temperature range);
- для использования в различных технологических процессах;- for use in various technological processes;
в-четвертых, автоматизировать процесс управления рабочим процессом.Fourth, automate the workflow management process.
Предполагаемые результаты от проведенных мероприятий позволяют прогнозировать повышение эффективности рабочего процесса устройства за счет существенного снижения энергозатрат и увеличения производимой тепловой энергии, что говорит о достижении поставленной цели.The estimated results from the measures taken allow us to predict an increase in the efficiency of the device’s working process due to a significant reduction in energy consumption and an increase in the generated heat energy, which indicates the achievement of the goal.
Предлагаемое техническое решение пояснено чертежами:The proposed technical solution is illustrated by the drawings:
Фиг. 1 - Структура течений в проточной части известных теплогенераторов (в меридиональной плоскости).FIG. 1 - Current structure in the flow part of known heat generators (in the meridional plane).
Фиг. 2. Механизм образования акустического сигнала в улитке циклона известных теплогенераторов.FIG. 2. The mechanism of formation of an acoustic signal in a cochlea of a cyclone of known heat generators.
Фиг. 3 - Структура окружного течения в улитке циклона известных теплогенераторов.FIG. 3 - The structure of the circumferential flow in a cochlea of a cyclone of known heat generators.
Фиг - 4. Видоизменение окружного течения в улитке циклона известных теплогенераторов.Fig - 4. Modification of the circumferential flow in the cochlea of a cyclone of known heat generators.
Фиг. 5 - Амплитудно-частотная характеристика звукового сигнала в месте слияния потоков в улитке циклона известных теплогенераторов.FIG. 5 - Frequency response of an audio signal at the confluence of flows in a cochlea of a cyclone of known heat generators.
Фиг. 6 - Вид общий устройства для нагрева жидкостей с предлагаемым гидродинамическим кавитатором.FIG. 6 is a General view of a device for heating liquids with the proposed hydrodynamic cavitator.
Фиг. 7 - Вид общий предлагаемого гидродинамического кавитатора.FIG. 7 - General view of the proposed hydrodynamic cavitator.
Фиг. 8 - Вид общий предлагаемого гидродинамического кавитатора, настроенного на вихревой режим течений.FIG. 8 - General view of the proposed hydrodynamic cavitator, tuned to the vortex flow regimes.
Фиг. 9 - Разрез вдоль проточной части патрубка. Разрез А-А на Фиг. 6.FIG. 9 - Section along the flow part of the pipe. Section AA in FIG. 6.
Фиг. 10 - Схема работы эксцентриковых цилиндро-шарнирных опор для изменения угла между осями сопел.FIG. 10 - Scheme of operation of eccentric cylinder-articulated supports for changing the angle between the axes of the nozzles.
Фиг. 11 - Конструктивный вариант радиально-сквозных цилиндрических шарниров для изменения угла между осями сопел.FIG. 11 - A constructive version of the radial-through cylindrical joints for changing the angle between the axes of the nozzles.
Фиг. 12 - Разрез по цилиндрическому шарниру, связывающему соседние обрезы сопел. Разрез Е-Е на Фиг. 11.FIG. 12 - Section through a cylindrical hinge connecting adjacent nozzle edges. Section EE in FIG. eleven.
Фиг. 13 - Конструкция подвижных периферийных стенок сопел с приводами настройки на разные толщины струй.FIG. 13 - Design of movable peripheral walls of nozzles with adjustment drives for different thicknesses of jets.
Фиг. 14 - Поперечный разрез по соплу с подвижной периферийной стенкой. Разрез З-З на Фиг. 13.FIG. 14 - Cross section through a nozzle with a movable peripheral wall. Section HW in FIG. 13.
Фиг. 15 - Варианты взаимного положения сопел, в том числе с удлиненными и фиксированными боковыми стенками. Выносной элемент 1 на Фиг. 7.FIG. 15 - Options for the relative position of the nozzles, including with elongated and fixed side walls. The
Гидродинамический кавитатор 1 входит составной частью в устройство для нагрева жидкостей (Фиг. 6), в которое кроме него входит возвратный трубопровод 2, силовой насос 3, напорный патрубок которого соединен трубопроводами 4, 5 с входными патрубками 6, 7 гидродинамического кавитатора через запорную арматуру 8. Вход рабочей жидкости из внешней системы в гидродинамический кавитатор производится через патрубок 9, а выход нагретой жидкости из устройства - через патрубок 10.The
Непосредственно сам гидродинамический кавитатор состоит из корпуса 11, выходной конец которого подсоединен к выходному патрубку 12, а входной - через эксцентриковую втулку 13 с камерой 14. Внутренняя поверхность втулки 13 с входным концом корпуса 11 образуют сферический шарнир, а внешняя поверхность эксцентриковой втулки 13 с внутренней поверхностью торцовой стенки 15 камеры 14 образуют цилиндрический шарнир.The hydrodynamic cavitator itself consists of a
Камера 14 состоит из торцовой стенки 15, корпуса 16, в который может быть вставлен параболический акустический отражатель 17, а также боковых стенок 18, 19. В корпусе 16 камеры 14 между боковыми стенками 18, 19 в зенкованных углублениях установлены эксцентриковые втулки 20, в каждой из которых с возможностью вращения размещена гильза 21, соединенная по торцу с входным патрубком 6 или 7, а радиальным отверстием с соплом 22. Эксцентриковая втулка 20 по осевому интервалу, занимаемому соплом 22, имеет сегментный вырез 23 с возможностью прохождения сопла 22 с прямоугольным профилем, что обеспечивает возможность изменения угла встречи осей сопел 22 за счет изменения базового расстояния е (Фиг. 10).The
Возможны и другие варианты устройства для изменения угла сведения осей сопел - использование радиально-сквозных цилиндрических шарниров (Фиг. 11), каждая из которых содержит собственно опору 25, установленную в корпусе в виде цилиндрического шарнира. В опоре 25 имеется радиальное сквозное отверстие, в котором размещен входной патрубок 6 или 7, переходящий в сопло 22 с возможностью осевого перемещения. Для герметизации сопряжения «входной патрубок - отверстие в корпусе» опора снабжена узлом уплотнения, включающим корпус 26, сальниковую набивку 27, нажимную гайку 28. Для синхронного перемещения пары сопел 22 между ними предусмотрен (Фиг. 11) цилиндрический шарнир, включающий (Фиг. 12) ось 29, вилку 30 с тягой 31, соединенную с осью 29, и втулки 32, 33, поочередно закрепленные на соседних стенках сопел 22. Тяга 31 вилки 30 загерметизирована аналогично входным патрубкам 6 и 7 сальниковой набивкой и гайкой нажимной. Для настройки и фиксации тяги 31 с внешней стороны корпуса 16 камеры 14, она имеет резьбу, с размещенной на ней гайкой 34. Гайка 34 с минимальным осевым зазором располагается в ограничителе 35, являющимся продолжением корпуса 16.There are other variants of the device for changing the angle of the axes of the nozzles — the use of radially through cylindrical hinges (Fig. 11), each of which contains the
Вариант исполнения периферийной стенки сопла 22 регулируемого положения (Фиг. 13, Фиг. 14) включает, наряду с подвижным фрагментом стенки 37, также первый шарнир 28, цилиндрический, связывающий части периферийной стенки сопла 22, и второй шарнир 39, сферический, связывающий подвижную часть стенки 37 сопла 22 с тягой настройки 40. Тяга настройки 40 имеет резьбовой участок 41, сопрягаемый с резьбой в корпусе узла уплотнения, и маховичок 42 для возможности вращения тяги. Узел уплотнения тяги настройки 40 имеет типичную конструкцию, аналогичную узлам уплотнения цилиндро-шарнирных опор (Фиг. 11), тяги 31 вилки 30 (Фиг. 11), включающую набивку сальниковую 43, и гайку нажимную 44.An embodiment of the peripheral wall of the
При этом каждая из боковых стенок сопел (периферийные, средние) может иметь участок удлинения в виде консольных балок 46, 47, каждая из которых может быть выполнена с жестким примыканием 48 к корпусу 16 или боковым стенкам 18,19 камеры 14 (Фиг. 15).Moreover, each of the side walls of the nozzles (peripheral, middle) can have an elongation section in the form of cantilever beams 46, 47, each of which can be made with a
Работает устройство следующим образом:The device operates as follows:
Во-первых, гидродинамический кавитатор работает в составе с силовым насосом 3 (Фиг. 6), который создает давление в рабочей жидкости и нагнетает ее из напорного патрубка через присоединенные к нему трубопроводы 4, 5, запорную арматуру 8, входные патрубки 6, 7 в сам гидродинамический кавитатор. Из гидродинамического кавитатора часть рабочей жидкости удаляется через выходной патрубок 12 и по возвратному трубопроводу 2 поступает вновь в силовой насос 3. Таким образом она совершает круговорот по малому циркуляционному контуру. По мере нагрева, при достижении заданной температуры, рабочая жидкость покидает циркуляционный контур через патрубок 10 и уходит для выполнения технологического назначения, например, на нагревательные радиаторы (на Фиг. 6 не показаны). Передав тепловую энергию через нагревательные радиаторы, поток остывшей рабочей жидкости вновь возвращается в циркуляционный контур через патрубок 9, смешивается с циркуляционным потоком и поступает в насос для участия в следующих циклах.Firstly, the hydrodynamic cavitator operates in combination with a power pump 3 (Fig. 6), which creates pressure in the working fluid and pumps it from the discharge pipe through the
Непосредственный процесс выработки тепловой энергии происходит следующим образом. Рабочая жидкость через входные патрубки 6 и 7 (Фиг. 7, Фиг. 8) поступает в полость гильзы 21 (Фиг. 9), которая имеет радиальное отверстие с присоединенным к нему патрубком 22. Сама гильза 21 установлена в эксцентриковой втулке 20, размещенной в зенкованных углублениях боковых стенок 18, 19 камеры 14. Таким образом, входные патрубки 6, 7 и сопло 22 удерживаются в корпусе 16 камеры 14. Каждое сопло 22 имеет прямоугольное поперечное сечение с толщиной m. В гильзе 21 рабочая жидкость меняет направление с осевого на радиальное и через сопло 22 устремляется в полость камеры 14.The direct process of generating thermal energy is as follows. The working fluid through the
Аналогичные течения имеют место и в другом полностью аналогичном сопле 22. При выходе потоков (Фиг. 7) прямоугольного сечения из каждого сопла 22 с пересекающимися осями они взаимодействуют между собой, создавая результирующее течение и упругие волны.Similar flows take place in another completely
Природа акустической волны в этом случае определятся взаимным расположением сопел.The nature of the acoustic wave in this case is determined by the relative position of the nozzles.
При разнесении в пространстве сопел (Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 15а) упругая волна образуется за счет:When the nozzles are spaced apart (Fig. 7, Fig. 8, Fig. 15a), an elastic wave is generated due to:
- эжекции рабочей жидкости из межструйного пространства;- ejection of the working fluid from the inter-jet space;
- изгиба каждой из струй от разности давлений с периферии и межструйного пространства - струйного свода (Иванов Е.Г. Влияние поперечного давления на плоскую струю бесконечной ширины. Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной техники. Материалы второй научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение»: Сборник научных трудов. - Киров: Вятская ГСХА, 2009. - Вып. 10. - с. 29-33);- bending of each of the jets from the pressure difference from the periphery and between the jets — the jet of arch (Ivanov E.G. Influence of transverse pressure on a flat jet of infinite width. Improving the performance of agricultural machinery. Materials of the second scientific-practical conference "Science - Technology - Resource Saving" : Collection of scientific papers. - Kirov: Vyatka State Agricultural Academy, 2009. -
- разрушения струйного свода от возросшей разности давлений до критического значения.- destruction of the jet arch from the increased pressure difference to a critical value.
При этом критическое значение разности давлений зависит от скорости истечения, толщины струй, объема струйного свода, что в итоге определяет частоту и амплитуду периодических упругих возмущений.In this case, the critical value of the pressure difference depends on the flow velocity, the thickness of the jets, the volume of the jet arch, which ultimately determines the frequency and amplitude of periodic elastic disturbances.
Однако такая схема расположения сопел предполагает вторичное течение вдоль биссектрисы угла слияния (при условии равенства параметров течений) внутрь струйного свода, что, во-первых, увеличивает гидравлические потери, во-вторых, влияет на частоту разрушения струйного свода, снижая регулярность этого процесса.However, this arrangement of nozzles implies a secondary flow along the bisector of the angle of confluence (provided that the flow parameters are equal) inside the jet arch, which, firstly, increases hydraulic losses, and secondly, affects the frequency of destruction of the jet arch, reducing the regularity of this process.
Вышерассмотренные недостатки устранены при контакте соседних стенок сопел (Фиг. 10, Фиг. 15б), например, через цилиндрический шарнир (Фиг. 11, Фиг. 12). В этом случае исключается межструйное пространство (струйный свод), следовательно, и механизм создания упругих возмущений несколько иной - он основан на поочередном взаимном пережатии потоков на выходе из сопел, то есть с периодическим изменением гидравлических сопротивлений.The above disadvantages are eliminated by contacting the adjacent walls of the nozzles (Fig. 10, Fig. 15b), for example, through a cylindrical hinge (Fig. 11, Fig. 12). In this case, inter-jet space (jet arch) is excluded, therefore, the mechanism for creating elastic perturbations is somewhat different - it is based on alternating mutual clamping of flows at the exit of the nozzles, i.e., with a periodic change in hydraulic resistances.
Так при преобладании, например, первой струи она за счет скоростного напора меняет направление второй струи, деформирует ее поперек, что уменьшает размеры проходного сечения второго сопла, повышает его гидравлическое сопротивление. Следующий этап развития событий - создание подпора перед сопротивлением за счет того, что скоростная часть напора второй струи переходит в статическую составляющую, в давление, которая начинает доминировать над меньшей статической частью первой струи и отжимает ее. Это увеличивает размеры проходных сечений, расход через это второе сопло, что обеспечивает переход уже статической части напора снова в кинетическую форму, повышает скорость потока через второе, ранее «пережатое» сопло. Повышенная кинетическая энергия потока из второго сопла способствует более интенсивному косому соударению частиц потоков и отклоняет первый поток в противоположную от второго сопла сторону, частично перекрывая сечение первого сопла, и далее аналогично, но в обратной последовательности.So, when, for example, the first jet predominates, it changes the direction of the second jet due to the velocity head, deforms it transversely, which reduces the size of the passage section of the second nozzle and increases its hydraulic resistance. The next stage in the development of events is the creation of a backwater before resistance due to the fact that the velocity part of the pressure of the second jet passes into the static component, into pressure, which begins to dominate the smaller static part of the first jet and squeezes it. This increases the size of the flow cross sections, the flow rate through this second nozzle, which ensures the transition of the already static part of the pressure back to the kinetic form, increases the flow rate through the second, previously "squeezed" nozzle. The increased kinetic energy of the flow from the second nozzle promotes a more intense oblique collision of the particles of the flows and deflects the first flow in the direction opposite to the second nozzle, partially overlapping the cross section of the first nozzle, and then similarly, but in the reverse sequence.
Наличие жесткого продолжения периферийной стенки (Фиг. 15б, 3) исключает отклонение деформируемой струи, что в большей степени перекрывает площадь ее сопла и обуславливает большую амплитуду упругих колебаний. Однако при этом возрастают и гидравлические потери, то есть их инерционная составляющая.The presence of a hard continuation of the peripheral wall (Fig. 15b, 3) eliminates the deflection of the deformable jet, which to a greater extent covers the area of its nozzle and causes a large amplitude of elastic vibrations. However, at the same time, hydraulic losses increase, that is, their inertial component.
Выполнение продолжения периферийной стенки упругой (Фиг. 15б, 1) с частотами собственных колебаний в диапазоне полезных значений дополняет вышерассмотренный процесс образования упругих волн (за счет взаимного пережатия) функционированием плоского консольного излучателя в виде этого продолжения. Но все же и в этом случае имеют место дополнительные гидравлические потери инерционного характера, связанные с глубоким взаимным пережатием потоков.Performing a continuation of the peripheral wall of the elastic (Fig. 15b, 1) with natural frequencies in the range of useful values complements the above process of the formation of elastic waves (due to mutual clamping) by the operation of a flat cantilever radiator in the form of this continuation. But nevertheless, in this case, there are additional hydraulic losses of an inertial nature associated with deep mutual compression of the flows.
Выполнение самих периферийных стенок сопел нежесткими, например, за счет исключения боковых и замещения их функций боковыми стенками камеры исключает глубокое пережатие взаимодействующих струйных потоков, но сохраняет вибрационное воздействие этой стенки как плоского излучателя на проходящий поток и стимулирующее действие на основной процесс звукообразования от пережатия потоков.The execution of the peripheral walls of the nozzles themselves is non-rigid, for example, by eliminating the side walls and replacing their functions with the side walls of the chamber, it eliminates the deep squeezing of interacting jet streams, but preserves the vibrational effect of this wall as a flat emitter on the passing stream and stimulating effect on the main process of sound generation from squeezing the streams.
Поскольку каждая струя сама является источником звука, целесообразно, чтобы он по частоте совпадал с основной частотой гидродинамического кавитатора. При этом причиной звука у каждой из струй является последовательное чередование во времени размера поперечного сечения струи. Косой срез сопла (Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 11) видоизменяет радиальные колебания каждого нормального сечения струйного потока, переводя их в косое направление, что при угловом взаимодействии струй является дополнительным фактором для получения периодического сигнала с максимальной амплитудой.Since each jet itself is a source of sound, it is advisable that it coincide in frequency with the fundamental frequency of the hydrodynamic cavitator. In this case, the cause of sound in each of the jets is the sequential alternation in time of the size of the cross section of the jet. An oblique section of the nozzle (Fig. 7, Fig. 8, Fig. 11) modifies the radial vibrations of each normal section of the jet stream, translating them into an oblique direction, which is an additional factor for angular interaction of the jets to obtain a periodic signal with maximum amplitude.
В предложенном техническом решении каждая из струй имеет возможность независимого видоизменения и настройки, как по выходным геометрическим и конструктивным параметрам, так и по энергетическим за счет регулирования задвижек 8 (Фиг. 6). Причем аналогичные регулировки можно осуществить и подвижными периферийными стенками 37 (Фиг. 13) путем перемещения тяги 40, связанной с подвижной стенкой 37 через сферический шарнир 39, при вращении маховичка 42.In the proposed technical solution, each of the jets has the possibility of independent modification and adjustment, both in output geometric and structural parameters, and in energy due to the regulation of valves 8 (Fig. 6). Moreover, similar adjustments can be made with movable peripheral walls 37 (Fig. 13) by moving the
В этом случае кроме регулировки расхода изменяется и толщина струи, причем как в меньшую сторону, так и в большую. Увеличение толщины струи повысит во всех случаях амплитуду и уменьшит частоту создаваемых колебаний. Тяга 40 при этом герметизирована сальниковой набивкой 43 с поджатием ее нажимной гайкой 44.In this case, in addition to adjusting the flow rate, the jet thickness also changes, both in the smaller direction and in the larger one. An increase in the thickness of the jet will increase the amplitude in all cases and reduce the frequency of the generated oscillations.
Изменение угла между осями сопел 22 может производиться либо поворотом эксцентриковых опор 20 (Фиг. 10), либо осевым перемещением сопел 22 в сквозных радиально-цилиндрических шарнирах 25 (Фиг. 11).The angle between the axes of the
При использовании механизма на эксцентриковых втулках (Фиг. 10) для максимального изменения угла между осями сопел α следует повернуть эксцентриковые втулки 20 вокруг оси торцовым рычагом (не показаны) на 1800. Расстояние между осями сопел на входе е уменьшится на четыре эксцентриситета эксцентриковой втулки 20 и станет е1. Сопла 22 при этом пройдут в пазах 23, угловой размер которых ограничивает возможный поворот втулок. Полученный вновь базовый размер е1 при постоянной длине канала сопла 22 изменит угол между соплами до величины α1. Для получения промежуточных значений углов α втулки 20 поворачиваются меньше, чем на половину оборота. Для достижения асимметрии расположения сопел 22 каждую из втулок 20 следует повернуть на свой угол.When using the mechanism on eccentric bushings (Fig. 10) to maximize the angle between the axes of the nozzles α, turn the
Другим способом изменения угла α между соплами является использование конструкции с радиально-сквозными цилиндрическими шарнирами (Фиг. 11). При вращении гайки 34 тяга 31 перемещается вдоль оси и увлекает за собой вилку 30 (Фиг. 12), которая через ось шарнира 29 перемещает связанные ей сопла 22. Вытягивание тяги 31 из корпуса 16 увеличивает угол α, перемещение ее внутрь корпуса 16 уменьшает угол α. Для возможности поворота опор 25 при этом они выполнены в виде цилиндрических шарниров и размещены в цилиндрических проточках корпуса 16. Для обеспечения герметичности камеры 14 сопла 22 и тяга 31 снабжены сальниковыми уплотнениями.Another way to change the angle α between the nozzles is to use a design with radially through cylindrical joints (Fig. 11). When the
Целесообразно, источник звукового сигнала разместить в фокусе параболического акустического отражателя 17 (Фиг. 7), что соберет и отразит в направлении корпуса 11 рассеивающуюся звуковую энергию и тем самым умножит ее полезный объем.It is advisable to place the sound signal source in the focus of the parabolic acoustic reflector 17 (Fig. 7), which will collect and reflect the scattered sound energy in the direction of the
После создания акустической волны, она распространяется в корпус 11, заполненный через сопла 22 рабочей жидкостью, проходит его длину, отражается от фланца, ограничивающего корпус, и движется со скоростью звука навстречу первоначальному направлению (Фиг. 7). При условии равенства длины корпуса 11 целому числу полудлин волн λ в корпусе образуется стоячая волна с пучностью в середине и узлами на окончаниях корпуса. В пучности стоячей волны амплитуда удваивает свое первоначальное значение. Протекание вакуумметрической фазы разрывает жидкость и образует кавитационные каверны. Наступление манометрической фазы обуславливает направление векторов всех усилий внутрь каверны, и она схлопывается со скоростью движения каждой стенки 1500 м/с, что приводит к уплотнению запасенной в объеме каверны упругой энергии в объемы нанометрических размеров с их разогревом до 60000.After creating an acoustic wave, it propagates into the
Удвоенная амплитуда звуковой волны позволяет запасти упругую энергию с большего объема и, следовательно, увеличить ее плотность при схлопывании каверны и увеличить температуру нагрева жидкости.The doubled amplitude of the sound wave allows storing elastic energy from a larger volume and, therefore, increasing its density when the cavity collapses and increasing the temperature of the heating fluid.
Рабочая жидкость взаимодействующих потоков из сопел 22 в виде результирующего течения поступает в корпус 11, и движется вдоль него, и покидает гидродинамический кавитатор через патрубок 12, проходит по возвратному трубопроводу 2 в насос 3 для участия в последующих циклах (Фиг. 6).The working fluid of the interacting flows from the
Для придания потоку в корпусе 11 составляющей вращательного движения ось результирующего течения из сопел 22 следует наклонить к оси корпуса и сместить ее в поле поперечного сечения входной части корпуса относительно центра на большие радиусы.In order to impart a rotational motion component to the flow in the
В этом случае поток выходит из камеры в корпус по касательной к винтовой траектории и в дальнейшем участвует в этом винтовом, то есть вихревом, движении. Конструкция соединения выхода камеры 14 и входа корпуса 11 позволяет это сделать:In this case, the flow exits the chamber into the housing along a tangent to the helical path and subsequently participates in this helical, that is, vortex, motion. The design of the connection of the output of the
- путем наклона корпуса 11 к направлению результирующего потока от сопел 22 с помощью сферического шарнира, образованного сферическим оголовком корпуса 11 и сферической внутренней поверхностью эксцентриковой втулки 13 (Фиг. 8);- by tilting the
- смещением оси результирующего потока в поле поперечного сечения входной части корпуса за счет поворота эксцентриковой втулки 13 относительно торцовой стенки 15 камеры 14 (Фиг. 8).- displacement of the axis of the resulting flow in the cross-sectional field of the input part of the housing due to the rotation of the
Предлагаемое техническое решение выгодно отличается от аналогов за счет того, что в нем исключены все непроизводительные течения, а потоки, участвующие в создании акустической волны, стабильны и управляемы. В результате при минимальных затратах имеется возможность получить качественную звуковую волну с требуемыми показателями, которая в корпусе 11 и камере 14 создает периодические кавитационные каверны нужных размеров и которые при схлопывании будут производить или больше тепловой энергии, или обеспечат более качественное протекание технологических процессов.The proposed technical solution compares favorably with analogues due to the fact that it eliminates all unproductive flows, and the flows involved in the creation of an acoustic wave are stable and controllable. As a result, at minimal cost, it is possible to obtain a high-quality sound wave with the required parameters, which in the
Разница в энергетических затратах между предлагаемым техническим решением и прототипом позволит производить протекание рабочего процесса на более высоком уровне энергии, следовательно, получать большую энергию на выходе.The difference in energy costs between the proposed technical solution and the prototype will allow the flow of the working process at a higher level of energy, therefore, to obtain more energy at the output.
Claims (11)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2588298C1 true RU2588298C1 (en) | 2016-06-27 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU184044U1 (en) * | 2017-12-27 | 2018-10-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Mobile installation for disinfection and water purification |
| RU2796979C1 (en) * | 2022-06-28 | 2023-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный агротехнологический университет" (ФГБОУ ВО Нижегородский ГАТУ) | Cavitation-vortex disperser for magnetic materials |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2045715C1 (en) * | 1993-04-26 | 1995-10-10 | Юрий Семенович Потапов | Heat generator and device for heating liquids |
| RU2132517C1 (en) * | 1997-08-20 | 1999-06-27 | Мустафаев Рафаэль Измайлович | Heat generator and device for heating liquid |
| AT410591B (en) * | 2001-10-04 | 2003-06-25 | Newtech Innovations & Technolo | Heat generator |
| RU2357162C1 (en) * | 2007-12-12 | 2009-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет | Cavitation-vortex energy converter |
| RU2422733C1 (en) * | 2010-02-16 | 2011-06-27 | Натикбек Алиевич Алиев | Heat cavitation generator |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2045715C1 (en) * | 1993-04-26 | 1995-10-10 | Юрий Семенович Потапов | Heat generator and device for heating liquids |
| RU2132517C1 (en) * | 1997-08-20 | 1999-06-27 | Мустафаев Рафаэль Измайлович | Heat generator and device for heating liquid |
| AT410591B (en) * | 2001-10-04 | 2003-06-25 | Newtech Innovations & Technolo | Heat generator |
| RU2357162C1 (en) * | 2007-12-12 | 2009-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет | Cavitation-vortex energy converter |
| RU2422733C1 (en) * | 2010-02-16 | 2011-06-27 | Натикбек Алиевич Алиев | Heat cavitation generator |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU184044U1 (en) * | 2017-12-27 | 2018-10-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Mobile installation for disinfection and water purification |
| RU2796979C1 (en) * | 2022-06-28 | 2023-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный агротехнологический университет" (ФГБОУ ВО Нижегородский ГАТУ) | Cavitation-vortex disperser for magnetic materials |
| RU2805343C1 (en) * | 2022-11-01 | 2023-10-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия" (ФГБОУ ВО Нижегородская ГСХА) | Hydrodynamic cavitator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3072579B1 (en) | Cavitation device | |
| RU2588298C1 (en) | Hydrodynamic cavitator | |
| US8453997B2 (en) | Supersonic nozzle | |
| KR20050091721A (en) | Method and device for reducing pressure fluctuations in an induction pipe of a water turbine or water pump or water-pump turbine | |
| RU2606293C2 (en) | Vortex cavitator | |
| RU2344356C1 (en) | Method of heat-mass-power exchange and device for this effect | |
| KR960008965B1 (en) | The ejecting method and device for fluid compressing and pumping | |
| RU2517986C2 (en) | Fluid heating device | |
| RU2511888C1 (en) | Method to generate oscillations of liquid flow and hydrodynamic generator of oscillations for its realisation | |
| RU2267364C1 (en) | Method of generation of oscillations of a fluid flow and a hydrodynamic generator of the oscillations | |
| RU2603306C1 (en) | Hydrodynamic cavitator | |
| RU2503896C2 (en) | Device for heating liquids | |
| RU2694774C1 (en) | Rotary pulsation device | |
| RU2280823C2 (en) | Power production method and device and device control system | |
| RU2231004C1 (en) | Rotary cavitation pump-heat generator | |
| RU2609553C2 (en) | Device for heating fluid | |
| RU2683794C2 (en) | High-intensity audio generator | |
| RU2787081C1 (en) | Vortex heat generator | |
| RU2350856C1 (en) | Heat and mass and energy exchange method and device for realisation thereof | |
| RU185656U1 (en) | HYDRODYNAMIC OSCILLATOR GENERATOR | |
| RU2641275C1 (en) | Acoustic head for nozzles for spraying liquids with parabolic swirler | |
| RU2560866C1 (en) | Method of oscillations generation of liquid flow and generator of flow oscillations | |
| RU2614306C1 (en) | Vortex heat generator | |
| RU2755857C1 (en) | Heat exchanger | |
| RU2279018C1 (en) | Vortex type heat generator of hydraulic system |