Закон Бернулли и кавитационный коэффициент

 

Рис. 7. Повреждения, наносимые эффектом кавитации (часть насоса).

 

 

Рис. 8. Кавитационные повреждения гребного винта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полезное  применение кавитации.

 

Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Такие исследования проводились, например, в Институте гидромеханики НАН Украины.

Кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. Кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности. Таким образом, снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства.

В промышленности кавитация  часто используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители основаны на этом принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путём пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкий вход и значительно больший по размеру выход: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объёма.

 Этот метод может  управляться гидравлическими устройствами, которые контролируют размер  входного отверстия, что позволяет  регулировать процесс работы  в различных средах. Внешняя сторона  смесительных клапанов, по которой  кавитационные пузыри перемещаются  в противоположную сторону, чтобы  вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).

Также были разработаны  кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия  кавитации могут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральный анализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показывает химические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет, испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминесценцией.

Кавитационные процессы имеют  высокую разрушительную силу, которую  используют для дробления твердых  веществ, которые находятся в  жидкости. Одним из применений таких  процессов является измельчение  твердых включений в тяжёлые  топлива, что используется для обработки котельного топлива с целью увеличения калорийности его горения. Кавитационные устройства снижают вязкость углеводородного топлива, что позволяет снизить необходимый нагрев и увеличить дисперсность распыления топлива.

Кавитационные устройства используются для создания водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и  смесей, которые часто используются для повышения эффективности  горения или утилизациии обводнённых видов топлива.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эффект Юткина.

 

Электрическая искра, проскакивающая между погруженными в жидкость электродами в определенных условиях, производит неожиданное действие. Если рядом с искрой окажется твердое тело, оно будет измельчено в порошок, каким бы твердым оно ни было, а расположенный над искровым промежутком столб жидкости подбрасывается высоко вверх. Что же получается при электрическом разряде? В месте возникновения разряда мгновенно образуются давления в десятки и сотни тыс. атм. Микроскопический канал, по которому проскакивает искра, имеет чрезвычайно большую плотность энергии, мгновенная мощность достигает колоссальных величин. Так, например, от установки мощностью всего в 0,5 квт можно получить мгновенную мощность в 100 тыс. квт и более. Вода, окружающая искру, с огромной быстротой разлетается в стороны, создавая первый гидравлический удар. Образуется пустота – полость, которая сразу заполняется водой; получается еще один мощный гидравлический удар – кавитационный. Электрическая энергия, таким образом, без всяких промежуточных звеньев переходит в механическую. Открытие Юткина оказалось возможным использовать и в практических целях. В его ленинградской лаборатории один за другим рождались приборы и инструменты, в которых к обычным названиям присоединялось слово “электрогидравлический” – электрогидравлический резак, электрогидравлическое долото, электрогидравлическая форсунка и другие. Долото долбит, резак режет, насос-форсунка подает топливо в цилиндр дизеля и распыляет его, то есть выполняются те же самые работы, что и обычными инструментами и приборами, но слово “электрогидравлический” делает их совершенно непохожими на “предков”. По долоту никто не бьет, в насосе нет поршня, который бы накачивал жидкость, бур, не вращаясь, вгрызается своими режущими кромками в твердую породу.

 

Рис. 9.

Форма и расположение зон давления вокруг искрового разряда (рис. 9): А – зона искрового разряда. Б – зона разрушения. В ней почти все материалы разрушаются на мельчайшие частицы, а жидкость приобретает свойства хрупкого твердого тела. В – зона наклепа. Здесь многие материалы разрушаются, а металлы наклепываются (уплотняются с поверхности). Г – в этой зоне возникает мощное выталкивающее действие. Д – зона сжатия. Здесь наблюдается перемещение больших объемов жидкости.

Вот как устроен один из новых инструментов – электрогидравлический бур (см. рис. 10). В центре пластмассовой втулки помещается стальной стержень – электрод. Вторым электродом служит металлическая трубка – коронка. Когда включают ток, между отогнутым кончиком центрального электрода и ближайшим зубцом коронки возникают электрические разряды. При работе бура коронка остается неподвижной, а центральный электрод вращается с небольшой скоростью, поэтому искра, перебегая с зубца на зубец, обходит всю окружность коронки. В другой, более поздней конструкции вращающийся электрод заменен неподвижным, а вместо отогнутого кончика установлена пластина-тарелочка. Искра, перебегая по радиусам тарелочки, также обходит всю окружность коронки. Электрогидравлические удары, возникающие при каждом разряде, долбят материал, на который поставлен бур, прогрызая круглое отверстие диаметром немного больше, чем диаметр коронки. Измельченная порода вымывается водой, которая по трубке накачивается внутрь бура. Таким буром можно проделать отверстие в самых твердых породах. Бур при этом, как и другие электрогидравлические инструменты, не тупится и не изнашивается. Потребление электроэнергии при всех работах очень невелико. Так, мощная электрогидравлическая дробилка при переработке щебня на песок потребляет лишь около 7 квт-ч энергии на тонну щебня.

 

 

 

Рис. 10. Электрогидравлический бур (в разрезе).

 

 

 

 

 

 

 

С помощью электрогидравлического эффекта можно раскалывать огромные камни, уплотнять бетон при укладке, забивать сваи, истирать в мельчайший порошок металлы. Свои первые опыты Л.А. Юткин начал проводить еще в студенческие годы с помощью небольшой школьной электрофорной машины мощностью 3 Вт, которая давала напряжение 30 тыс. вольт. Если у вас в школе есть подобная машина, не трудно будет при желании соорудить небольшую установку и продемонстрировать электрогидравлический эффект на уроке физики. В небольшой ванне на изолирующих подставках надо укрепить электроды из обрезков проволоки диаметром около 0,5 мм (остриями друг к другу). Расстояние между ними – основной искровой промежуток – подбирается практически (до 50-80 мм). Положительный электрод должен быть изолирован по всей длине, кроме переднего конца его. Провод можно взять звонковый в пластикатовой изоляции. К электродам присоедините провода от полюсов электрофорной машины. Между плюсом и минусом машины включается конденсатор – обычная лейденская банка. В электрической цепи, кроме основного искрового промежутка, должны быть еще два так называемых формирующих искровых промежутка. Для этого каждый из проводов, идущих от электрофорной машины, надо разрезать и подсоединить к никелированным шарикам диаметром 15—20 мм. Расстояние между шариками также подбирается практически. С таким прибором, конечно, не получишь подводного взрыва мощностью 100 тыс. квт, но и фонтан воды. поднятый небольшой искрой над спокойной поверхностью, выглядит тоже эффектно. Несмотря на малую мощность установки, при проведении опытов надо соблюдать осторожность. Не подводите электроды слишком близко к основанию стеклянного сосуда: он может разрушиться. Подробнее об электрогидравлическом эффекте можно прочитать в брошюре инженера Л. А. Юткина “Электрогидравлический эффект”. В одном из следующих номеров журнала мы расскажем, как сделать самим маленькие электрогидравлические машины, которые будут работать, как настоящие.

 

Рис.11. Электрогидравлический бур.

 

ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ

 

Полезная модель относится к  теплоэнергетике, а конкретнее, к кавитационным теплогенераторам и может быть полезно использована для получения тепловой энергии из внутренней химической энергии воды посредством кавитации и электрогидроударного эффекта Юткина.

Наиболее близким устройством (прототипом) по конструкции и того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является кавитационный водяной теплогенератор, содержащий полую камеру с водой, кавитационное устройство, размещенное в воде, и электрический водяной насос, нагнетающий воду в полую камеру (патент РФ № 2132517)

Сущность работы прототипа- известного кавитационного водяного теплогенератора состоит в том, что при вихревом вращении воды в ней, благодаря наличию кавитаторов в воде возникают многочисленные кавитационные пузырьки воздуха, по-иному, в более строгой терминологии, возникает кавитация воды, которая и позволяет получать тепловую энергию непосредственно из воды, воздействуя на неё механическим способом. В данном случае механическое воздействие - это кавитация воды и приведение воды в вихревое движение.

При всех достоинствах прототипа, (простота и эффективность работы) сфера его применения достаточно узкая и он предназначен только для получения тепловой энергии при ее активной кавитации при перекачки воды под давлением и ее вихревом вращении, причем для его работы требуется гонный электродвигатель, необходимый для принудительного вращения кавитатора и воды Поэтому без использования энергозатратного стандартного электронасоса известный кавитационный теплогенератор неработоспособен.

Целью данного изобретения является модернизация и улучшение энергетической эффективности известного кавитационного теплогенератора

Технический результат, данной полезной модели состоит в техническом и энергетическом усовершенствовании известного устройства, необходимом для достижения потавленной цели.

Указанный технический результат достигается тем, что известное устройство кавитационного теплогенератора , содержащее полую камеру с водой, кавитационное устройство, и электрический водяной насос, существенно модернизировано, а именно в нем электрический водяной насос и кавитатор, конструктивно совмещены и выполнены в виде сферической электрогидроударной камеры, причем полая камера выполнена в виде внешней полой прочной металлической сферы,неполностью заполненной водой, с наружными радиаторными ребрами ,служащих для передачи тепла в окружающее пространство, внутри которой размещены как минимум два внутренних кавитатора , выполненных в виде концентрических полых сфер с множеством сквозных отверстий в виде двухсторонних усеченных конусов, обращенных узкой частью конусов друг к другу (сопел Лаваля), и размещенных внутри сферы , причем один сферический кавитатор размещен вблизи внутренней поверхности основной внешней сферы, а второй сферический кавитатор размещен вокруг зоны электрического разряда в воде вблизи центра сферы , причем устройство дополнено электрической схемой ,содержащей два электрода, конструктивно совмещенные в виде электроискровой свечи , электрический разрядник , электрически присоединенный одной стороной к центральному электроду электроискровой свечи , а второй стороной к одной из пластин электрического накопительного конденсатора , и далее ,через повышающий преобразователь напряжения электрически присоединен к первичному источнику электроэнергии , причем преобразователь напряжения дополнен регулятором , а центральный электрод свечи размещенный внутри ее электрического изолятора , и ввертного корпуса , имеет два выступающих конца из электрического изолятора , причем рабочий торец центрального электрода свечи размещен в центре сферы , причем вторым электродом свечи служит сам второй сферический кавитатор , размещенным на расстоянии, достаточным для возникновения электрического пробоя между ними, причем корпуса внешней сферы и второй обкладки электрического конденсатора электрически соединены и заземлены через заземлитель, причем в качестве регулятора тепловой энергии служат регулятор преобразователя напряжения, обеспечивающий заданное изменение параметров электроэнергии ,и регулятор величины зазора электрического разрядника.

 

 

Рис. 12. Бур электрогидравлический  предназначен для бурения с промывкой  шпуров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод.

На явление кавитации наука обратила внимание ещё в конце XIX века, когда возросшие скорости и мощности создаваемых машин сделали её существенным препятствием на некоторых направлениях развития техники, прежде всего в судостроении. Однако до сих пор можно сказать, что это явление изучено недостаточно. Объясняется это высокими скоростями, а также очень малыми размерами и временами жизни типичных кавитационных пузырьков. В результате даже при современном уровне техники прямые измерения параметров этих пузырьков практически невозможны. Непосредственному измерению доступны лишь интегральные параметры квазистационарных зон кавитации. Поэтому неудивительно, что это явление очень часто рассматривается как вероятный источник получения дополнительной «сверхъединичной» энергии. Возможно, в этом и есть рациональное зерно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература.

 

1. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974. 678 с
2. Акуличев В. А. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. М.: Наука, 1978. 280c
3. Иванов А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1980. 237с
4. Перник А. Д. Проблемы кавитации. 2-ое изд. Л.: Судостроение, 1966. 435 с
5. Рождественский В. В. Кавитация. Л.: Судостроение, 1977. 248c.