кавитационный тепловой генератор

Формула изобретения

1. Кавитационный тепловой генератор, содержащий корпус, оснащенный ускорителем движения жидкости и тормозным устройством, отличающийся тем, что ускоритель движения жидкости выполнен в виде проточной камеры с патрубком подвода, конфузором и патрубком отвода обработанной жидкости, внутри проточной камеры установлен рабочий элемент в виде суперкавитирующих лопаток, закрепленных на ступице, которые по наружной поверхности охвачены коаксиальным цилиндром, на наружной поверхности цилиндра расположены суперкавитирующие лопатки, направление закручивания потока которых противоположно направлению закручивания потока внутренними суперкавитирующими лопатками, закрепленными на ступице, а тормозное устройство выполнено в виде прерывания потока с приводом, расположенным за рабочим элементом по ходу потока, патрубок отвода соединен с аккумулятором тепла, выход которого соединен с коммерческим потребителем тепла и сетевым насосом, выход которого соединен через корпус с патрубком подвода.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что между рабочим элементом и прерывателем потока установлено устройство отбора расхода жидкости, соединенное с дополнительной проточной камерой, внутри которой установлен рабочий элемент, обеспечивающий суперкавитационный режим, за которым по ходу потока установлен дополнительный прерыватель потока с приводом, выход проточной камеры соединен через корпус со ступицей, выполненной полой, и коллектором, охватывающим наружную поверхность проточной камеры, снабженную перфорацией в зоне размещения рабочего элемента, причем в корпусе перед рабочим элементом установлен турбулизатор, выполненный в виде прерывателя потока с приводом, при этом все приводы прерывателей соответствующих потоков связаны между собой.

3. Генератор по п.1 и 2, отличающийся тем, что между сетевым насосом и корпусом размещен предвключенный кавитационный активатор, выполненный в виде конфузора, проточной камеры, тангенциально соединенный с корпусом, внутри которой на полой ступице установлен рабочий элемент, полая ступица соединена с аккумулятором тепла преимущественно в верхней точке.

4. Генератор по п.3, отличающийся тем, что в проточной камере за рабочим элементом по ходу потока установлены сопла преимущественно перпендикулярно направлению потока, входы которых соединены с выходом сетевого насоса.

5. Генератор по п.4, отличающийся тем, что оси сопл расположены под углом друг к другу.

6. Генератор по п.1 - 5, отличающийся тем, что исполнительный механизм привода прерывателей соединен через регулятор с датчиком температуры, причем один из входов регулятора соединен с датчиком шума за рабочим элементом.

7. Генератор по п.2, отличающийся тем, что турбулизатор, выполненный в виде прерывателя потока, оснащен дополнительными направляющими потока, выполненными, например, в виде пластин, установленными на подвижной части прерывателя под углом к набегающему потоку.

8. Генератор по п.2, отличающийся тем, что прерыватель и дополнительный прерыватель соединены с обеспечением смещения момента начала импульсов в прерывателях.

9. Генератор по пп.1 - 8, отличающийся тем, что передняя кромка коаксиальных цилиндров, направленная навстречу потоку жидкости, выполнена острой, со скошенной внутренней поверхностью, выполненной в виде плавного вогнутого профиля, а передняя кромка ступицы, направленная навстречу потоку жидкости, выполнена острой, со скошенной наружной поверхностью, выполненной в виде плавного вогнутого профиля.

10. Генератор по пп. 1 - 9, отличающийся тем, что на выходе теплового генератора установлен регулятор давления.

11. Генератор по пп.1 - 9, отличающийся тем, что все узлы, контактирующие с жидкостью, выполнены с кремнийорганическим покрытием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где необходимо получение значительного количества тепловой энергии, в частности изобретение можно использовать для подогрева (непосредственно в трубопроводах) вязких жидкостей типа нефти с целью снижения вязкости и улучшения ее реологических свойств. Преимущественная область использования изобретения - отопление и энергетическое обеспечение теплоемких технологических производств.

Из уровня техники известны конструкции теплогенераторов большой мощности, применяемых, например, при централизированной форме снабжения теплоемких промышленных технологий и гражданских зданий и сооружений.

В настоящее время в качестве теплогенераторов все шире применяются тепловые насосы (см. , например, a.c. СССР N 458691, 1972 г. [1] и pоссийский патент N 2045715, 1993 г. [2]). При работе в этих устройствах осуществляется обратный цикл, т.е. происходит поглощение теплоты из окружающей среды с последующей передачей ее телу с более высокой температурой. Конструктивно тепловой насос содержит замкнутый контур по рабочему телу, включающий устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела, теплообменники, устройства, обеспечивающие циркуляцию в контурах низкотемпературного теплоносителя из окружающей среды и высокотемпературного теплоносителя, приводной двигатель и приборы контроля и управления. Теплота, отнятая у окружающей среды, повышает общий КПД теплотехнической установки, суммируется теплотой, полученной от преобразования электроэнергии. Использование тепловых насосов в целях теплоснабжения перспективным направлением в теплотехнике. Однако КПД этих установок сравнительно невысок, вследствие чего они не нашли широкого применения.

Известны устройства тепловых насосов, использующих изменения физико-механических параметров среды, в частности давления и объема, для получения тепловой энергии (см., например, a.c. СССР N 458691, 1972 г. [1] и pоссийский патент N 2045715, 1993 г. [2]).

В известных устройствах в качестве среды может быть использована, например, паровоздушная смесь или жидкость. В этих устройствах путем изменения давления и скорости среды генерируется тепловая энергия, что позволяет снизить затраты электроэнергии для получения тепла.

Тепловой насос [1], выполняющий функцию теплогенератора, рабочей средой которого является жидкость - вода, содержит корпус в виде герметичного сферического сосуда, наполненного рабочей средой с расположенным в нем теплообменником, сетевой насос, обеспечивающий сжатие среды внутри корпуса, подающую и обратные тепломагистрали, оснащенные запорными вентилями, и потребитель тепла.

Основной недостаток этого теплового насоса - очень высокое рабочее давление, развиваемое в корпусе, которое достигает 1000 атм. Такие рабочие параметры установки предъявляют повышенные требования к прочности корпусных деталей, запорных вентилей и трубопроводов, что приводит к увеличению себестоимости установки.

Кроме того, использование установки для отопления жилых помещений опасно ввиду высокого рабочего давления.

За прототип изобретения авторами выбран тепловой генератор [2], включающий корпус с цилиндрической частью, ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, торцевая сторона которого соединена с цилиндрической частью корпуса. В основании цилиндрической части, противолежащей циклону, смонтировано тормозное устройство.

Благодаря тому что корпус теплогенератора в нижней части оснащен циклоном, рабочая жидкость под давлением, тангенциально поступая в него, проходит по спирали, и движется в виде вихревого потока, скорость которого возрастает; далее она попадает в цилиндрическую часть корпуса, диаметр которой в несколько раз превышает диаметр инжекционного отверстия, а затем в тормозное устройство. Такое конструктивное выполнение корпуса позволяет снизить скорость и давление среды, при этом в соответствии с известными законами термодинамики, изменяется механическая энергия жидкости, направленная на возрастание ее температуры.

Повышению эффективности нагрева жидкости способствует дополнительное тормозное устройство, установленное в перепускном патрубке. Перепад давления на выходе из тормозного устройства в верхней части корпуса за счет соотношения выпускного отверстия корпуса и перепускного патрубка обеспечивает превалирование горячего потока жидкости над холодным.

В известном устройстве [2] используются изменения физико-механических параметров среды, в частности давления и объема, для получения тепловой энергии.

Сущность работы теплогенератора по прототипу заключается в ускорении потока в циклоне и постадийном срабатывании полученной кинетической энергии на тормозных устройствах различной конструкции. Однако КПД на каждой стадии срабатывания кинетической энергии - невысок, отсюда следует, что и суммарный КПД не может быть высоким.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности за счет интенсификации процесса нагрева жидкости и снижение энергозатрат.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в кавитационном тепловом генераторе, содержащем корпус, оснащенный ускорителем движения жидкости и тормозным устройством, согласно изобретению ускоритель движения жидкости выполнен в виде проточной камеры с патрубком подвода, конфузором и патрубкам отвода обработанной жидкости, внутри проточной камеры установлен рабочий элемент в виде суперкавитирующих лопаток, закрепленных на ступице, которые по наружной поверхности охвачены коаксиальным цилиндром, а на наружной поверхности цилиндра расположены суперкавитирующие лопатки, направление закручивания потока которых противоположно направлению закручивания потока внутренними суперкавитирующими лопатками, закрепленными на ступице, при этом тормозное устройство выполнено в виде прерывателя потока с приводом, расположенным за рабочим элементом по ходу потока, патрубок отвода соединен с аккумулятором тепла, выход которого соединен с коммерческим потребителем тепла и сетевым насосом, выход которого соединен через корпус с патрубком подвода. Между рабочим элементом и прерывателем потока установлено устройство отбора расхода жидкости, соединенное с дополнительной проточной камерой внутри которой установлен рабочий элемент, обеспечивающий суперкавитационный режим течения, за которым по ходу потока установлен дополнительный прерыватель потока с приводом, выход проточной камеры соединен через корпус со ступицей, выполненной полой, и коллектором, охватывающим наружную поверхность проточной камеры, имеющей перфорацию в зоне размещения рабочего элемента, причем в корпусе перед рабочим элементом установлен турбулизатор, выполненный в виде прерывателя потока с приводом, соединенным с приводом дополнительного прерывателя потока, который соединен с приводом основного прерывателя потока. Между сетевым насосом и корпусом размещен предвключенный кавитационный активатор, выполненный в виде конфузора, проточной камеры, тангенциально соединенной с корпусом, внутри которой на полой ступице установлен рабочий элемент; полая ступица соединена с аккумулятором тепла преимущественно в верхней точке. В проточной камере за рабочим элементом по ходу потока установлены сопла, преимущественно перпендикулярно направлению потока, входы которых соединены с выходом сетевого насоса. Оси сопл расположены под углом друг к другу. Исполнительный механизм приводов прерывателей соединен через регулятор с датчиком температуры, причем один из входов регулятора соединен с датчиком шума за рабочим элементом. Турбулизатор, выполненный в виде прерыватeля потока, оснащен дополнительными направляющими потока, выполненными, например, в виде пластин, установленными на подвижной части прерывателя под углом к набегающему потоку. Прерыватель и дополнительный прерыватель соединены таким образом, чтобы обеспечить смещение момента начала импульсов в прерывателях. Передняя кромка коаксиальных цилиндров, на которых установлены суперкавитирующие лопатки, направленная навстречу потоку жидкости, выполнена острой, со скошенной внутренней поверхностью, выполненной в виде плавного вогнутого профиля, а передняя кромка ступицы, направленная навстречу потоку жидкости, выполнена острой, со скошенной наружной поверхностью, выполненной в виде плавного вогнутого профиля. На выходе теплового генератора, перед аккумулятором тепла, установлен регулятор давления. Все узлы, контактирующие с жидкостью, выполнены с кремнийорганическим покрытием.

Теоретические основы предлагаемого кавитационного теплового генератора следующие.

Как известно химия, кроме веществ и их взаимодействий, изучает и взаимодействие энергии и вещества. Как правило, источники энергии ограничивают возможность воздействия исследователей на реакционную способность веществ. Взаимодействие электротока с веществом протекает за короткие промежутки времени и характеризуется высокой энергией, тогда как тепловые взаимодействия протекают за большие промежутки времени и при меньших энергиях. Взаимодействие звуковых волн с веществом делает доступным для изучения химиками таких диапазонов энергий и временных шкал, которые недостижимы в других случаях. Необходимое для проведения химической реакции давление в жидкости, получают посредством генерирования в ней интенсивных звуковых волн. Такие волны создают чередующиеся области сжатия (уплотнения) и разрежения, в которых могут образовываться пузырьки диаметром порядка 100 мкм. При схлопывании пузырьков (менее чем за 1 мкс) содержащийся в них газ может нагреться до 5500^oC - эта температура близка к температуре поверхности Солнца. Впервые необычное действие интенсивных звуковых волн при распространении в жидкости - область явлений, относящихся к ультразвуковой химии (звукохимии), обнаружил в 1927 г. А.Лумис. Активизация звукохимических исследований началась в 80-х годах вскоре после создания недорогих и надежных источников ультразвуковых колебаний высокой интенсивности (с частотой более 16 кГц, что выше уровня слухового восприятия человека), сегодня ультразвук применяют в медицинской практике, в промышленности для сварки пластмассовых деталей и очистки материалов и даже в быту в устройствах сигнализации (предупреждающий об ограблении) и т.д. Эти применения, однако, не связаны с химическим действием ультразвука, который может, например, повысить реакционную способность металлического порошка более чем в 10⁵ раз. Он может давать столь быстрое относительное движение металлических частиц, что они будут расплавляться при столкновении. Ультразвук может создавать также микроскопические "очаги пламени" в холодной жидкости. Эти химические эффекты ультразвука обусловлены физическими процессами, благодаря которым в жидкости возникают, растут и схлопываются газовые и паровые пузырьки. Ультразвуковые волны, как и все звуковые волны, включают циклы сжатия и разрежения. Во время циклов сжатия возникают локальные повышения давления в жидкости, что приводит к сближению ее молекул друг с другом; во время циклов разрежения возникают локальные понижения давления, в результате чего молекулы отдaляются друг от друга. Во время цикла разрежения звуковая волна достаточной интенсивности может генерировать образование пузырьков. Частицы жидкости удерживаются вместе силами притяжения, которые определяют ее прочность на разрыв. Для того чтобы образовался пузырек, величина, на которую уменьшается локальное давление в цикле разрежения, должна превысить прочность жидкости на разрыв. Необходимая величина падения давления зависит от типа жидкости и ее чистоты. Прочность на разрыв абсолютно чистой жидкости настолько велика, что имеющиеся ультразвуковые источники не могут создавать падения давления, достаточного для образования пузырьков. Для абсолютно чистой воды, например, потребовалось бы падение давления больше чем на 1000 атм, в то время как самые мощные ультразвуковые генераторы создают давление примерно до 50 атм. Однако прочность жидкостей на разрыв уменьшается за счет газа "захватываемого" трещинами на микроскопических твердых частицах, присутствующих в жидкости. Этот эффект аналогичен снижению прочности, обусловленному трещинами в твердых материалах. В области пониженного давления захваченный газ начинает выходить из трещин, образуя маленький пузырек, переходящий в раствор. В большинстве случаев жидкости бывают достаточно сильно загрязнены пылью и другими твердыми примесями. В водопроводной воде, например, пузырьки образуются при давлении всего на несколько атмосфер. Пузырек в жидкости нестабилен: если он велик, то будет всплывать на поверхность и лопаться; если он мал, то будет сдавливаться жидкостью и исчезать. Однако при взаимодействии с ультразвуковой волной пузырек будет непрерывно поглощать энергию в течение чередующихся циклов сжатия и разрежения. Это взаимодействие приводит к росту и сжатию пузырьков, нарушая динамическое равновесие между паром внутри них и жидкостью снаружи. В одних случаях ультразвуковые волны будут поддерживать существование пузырьков, вызывая лишь колебания его размера. В других случаях средний размер пузырьков будет увеличиваться. Рост пузырька определяется интенсивностью ультразвука. Ультразвук высокой интенсивности может привести к столь быстрому расширению пузырька в цикле разрежения, что он уже не сожмется в цикле сжатия. Следовательно, в таком процессе пузырьки могут быстро вырасти за один период ультразвуковой волны.

В случае ультразвука низкой интенсивности размер пузырька колеблется в фазе с давлением в течение циклов разрежения и сжатия. Поверхность такого пузырька во время цикла разрежения несколько увеличивается по сравнению с циклом сжатия. Поскольку количество газа, диффундирующего в пузырек или из него, зависит от площади поверхности пузырька, диффузия в пузырек во время циклов разрежения будет несколько большей, чем диффузия из него в течение циклов сжатия. Следовательно, за каждый период ультразвуковой волны пузырек расширяется несколько больше, чем сжимается, и с течением времени пузырьки будут медленно расти. Растущий пузырек может постепенно достичь критического размера, при котором он наиболее эффективно поглощает энергию ультразвука. Этот размер зависит от частоты ультразвуковой волны. При 20 кГц, например, критический размер (диаметр) пузырька составляет приблизительно 170 мкм. Такой пузырек может быстро вырасти за один период волны. После того как размер пузырька быстро увеличился, он уже не может эффективно поглощать энергию ультразвука. Без подвода энергии извне пузырек не может существовать. Жидкость сдавливает его, и он схлопывается. При схлопывании пузырьков образуются условия для протекания необычных химических реакций. Газы и пары внутри пузырька сжимаются, интенсивно выделяя тепло, за счет которого повышается температура жидкости в непосредственной близости от пузырька, и, таким образом, создается горячая микрообласть. Несмотря на то что температура этой области чрезвычайно высока, сама область настолько мала, что тепло быстро рассеивается. Согласно оценкам Иллинойского университета в Эрбана-Шампен скорости нагрева и охлаждения жидкости превышают 10^9oC/с. Это соответствует скорости охлаждения расплавленного металла при его выплескивании на поверхность, охлажденную до температуры вблизи абсолютного нуля. Таким образом, в любой момент времени основная масса жидкости имеет температуру окружающей среды. Точные значения температур и давлений, достигаемыe при схлопывании пузырька, трудно определить как теоретически, так и экспериментально. Однако эти величины имеют фундаментальное значение при описании звукохимических явлений. Для приближенного описания динамики схлопывания пузырька были предложены различные теоретические модели, характеризующиеся разной степенью точности. Недостаток всех этих моделей - невозможность точного описания динамики пузырька на заключительных стадиях схлопывания. Hаиболее сложные модели дают значения температур порядка 10^3oC, давлений 10² - 10³ атм и времени нагрева менее 1 мкс. Температуру схлопывающегося пузырька невозможно измерить термометром, поскольку рассеивание тепла происходит слишком быстро. Один из путей измерения температуры - определение скорости известных химических реакций, поскольку температура связана с отрицательным обратным логарифмом скорости реакции. Если измерить скорости нескольких различных реакций, протекающих в созданной ультразвуковой среде, то можно рассчитать температуру, достигаемую после схлопывания пузырька. При определении относительных скоростей ряда звукохимических реакций Д.Хаммертон установил наличие двух различных температурных областей, связанных со схлопыванием пузырька. Газ, содержащийся в пузырьке, достигает температуры около 5500^oC, тогда как жидкость в непосредственной близости от пузырька - 2100^oC. Для сравнения - температура пламени ацетиленовой горелки составляет около 2400^oC. Хотя давление, достигаемое при схлопывании пузырька, труднее определить экспериментально, чем температуру, между этими двумя величинами существует корреляция. Таким образом, для максимального давления можно получить оценку 500 атм, что составляет половину величины давления в глубочайшем месте Мирового океана - Марианской впадине. Несмотря на то что локальные значения температуры и давления, достигаемые при схлопывании пузырька экстремальны, можно успешно контролировать протекание звукохимических реакций. На интенсивность схлопывания пузырьков и, следовательно, на характер реакции влияют такие факторы, как частота ультразвуковой волны, ее амплитуда, температура окружающей среды, статистическое давление, природа жидкости и газа, растворенного в ней. Звукохимические процессы в жидкостях зависят главным образом от физических эффектов при быстром нагреве и охлаждении, вызываемых схлопыванием пузырька. Например, доказано, что при облучении воды ультразвуком под действием энергии ультразвуковых волн вода (H₂O) расщепляется на высокореакционноспособные атомы водорода (H₂) и радикалы гидроксила (OH). На быстрой стадии охлаждения атомы водорода и радикалы гидросила рекомбинируют с образованием перекиси водорода (H₂O₂) и молекулярного водорода H₂. Если к воде, облученной ультразвуком, добавить другие соединения, то в ней могут происходить многие вторичные реакции. Органические соединения интенсивно разлагаются в такой среде, а неорганические могут окисляться или восстанавливаться. В некоторых органических жидкостях при облучении ультразвуком протекают физико-химические реакции. Так, алканы - основные компоненты сырой нефти - могут расщепляться на меньшие фрагменты (например, бензин), обычно для этого сырую нефть подвергают крекингу при нагреве до температуры выше 500^oC. Однако обработка алканов ультразвуком вызывает их расщепление при комнатной температуре, причем продуктом этого процесса является ацетилен, который нельзя получить в достаточном количестве простым нагревом. Возможно, наиболее удивительное химическое явление, связанное с ультразвуком, заключается в его способности создавать микроскопические "очаги пламени" в холодных жидкостях, в результате так называемой звуколюминесценции. Это происходит, когда при схлопывании пузырька в жидкости возникает микрообласть с повышенной температурой; молекулы в этой области могут возбуждаться с переходом в высокоэнергетические состояния. При возвращении молекул в основное состояние они излучают свет. Э. Флинт в 1987 г., обнаружил, что облучение ультразвуком углеводородов дает удивительный результат: цвет излучаемого света такой же, как у пламени газовой горелки. Действие ультразвука на жидкости использовалось также для ускорения химических реакций в растворах. Пример металлоорганических соединений, содержащих связи металл-углерод, особенно показателен. Этот широкий класс веществ играет важную роль при получении пластмасс в производстве микроэлектронных схем и синтезе лекарственных препаратов, гербицидов и пестицидов. В 1998 г. П.Шуберт впервые исследовал действие ультразвука на металлоорганические соединения, в частности на пентакaрбонил железа Fe(CO)₅. Полученные результаты при сравнении с данными по действию света и нагревания на Fe(CO)₅ свидетельствуют о своеобразии химических процессов, вызываемых ультразвуком. Когда Fe(CO)₅ подвергается нагреванию, он разлагается на монооксид углерода (CO) и тонкий порошок железа, который самопроизвольно воспламеняется на воздухе. Когда на Fe(CO)₅ воздействует ультразвуковое излучение, он сначала распадается на Fe(CO)₄ и свободные фрагменты CO. Молекулы Fe(CO)₄ могут затем рекомбинировать с образованием соединения Fe(CO)₉. Схлопывание пузырька приводит к иному результату. Оно сопровождается выделением такого количества тепла, которого достаточно для отщепления нескольких групп CO, но в результате последующего быстрого охлаждения эта реакция прекращается до ее завершения. Таким образом, когда на Fe(CO)₅ действует ультразвук, образуется необычное кластерное соединение Fe₃(CO)₁₂. Звукохимия двух несмешивающихся жидкостей, например масла и воды, определяется способностью ультразвука эмульгировать масло в жидкости, в результате которой микрокапли одной жидкости образуют эмульсию в другой. Ультразвуковые сжимания и разрежения вещества вызывают накопление энергии молекулами на поверхности жидкости, которые в дальнейшем преодолевают силы сцепления, удерживающие их в большой капле, затем происходит дробление капли на более мелкие фрагменты, и постепенно жидкость эмульгируется. Эмульгирование может ускорить химические реакции между несмешивающимися жидкостями благодаря сильному увеличению поверхности их контакта. Большая поверхность контакта облегчает проникновение молекул из одной жидкости в другую - эффекта, в результате которого некоторые реакции ускоряются. Например, эмульгирование ртути в различных жидкостях приводит к особенно интересным реакциям; по А. Фраю из университета Уэсли, который обнаружил, что многие реакции ртути с бромоорганическими соединениями представляют промежуточные стадии образования новых углерод-углеродных связей. Такие реакции играют решающую роль в синтезе сложных органических веществ. Экстремальные условия, создаваемые вблизи твердых поверхностей, могут быть использованы также для придания химической активности "нереакционноспособным" металлам. Например, Р.Джонсон изучал реакции монооксида углерода с молибденом и танталом, а также с другими металлами, близкими к ним по реакционной способности. Для образования карбонилов металлов обычными методами требуется давление 100-300 атм и температуры от 200 до 300^oC. Однако при облучении ультразвуком их образование может происходить при комнатной температуре и атмосферном давлении. Схлопывание пузырька в дополнение ко всем описанным выше эффектам может сопровождаться выходом ударной волны в жидкость. Звукохимические процессы на твердых частицах в жидкости в большой степени определяются такими ударными волнами, под действием которых происходит взаимное сближение микроскопических частиц металлического порошка со скоростью превышающей 500 км/ч. Подобные столкновения настолько интенсивны, что вызывают плавление частиц в месте удара. Это плавление повышает реакционную способность металла, поскольку приводит к удалению металлооксидного покрытия (пленки). Такие защитные оксидные покрытия обнаруживаются на большинстве металлов и являются причиной появления патины на медных изделиях и бронзовых скульптурах. Поскольку ультразвуковая обработка повышает реакционную способность металлических порошков, она увеличивает также их каталитическую активность. Для многих реакций необходим катализатор, чтобы они протекали с требуемой или хотя бы заметной скоростью. Катализатор не расходуется в реакции, а только ускоряет реакцию других веществ. Влияние ультразвука на морфологию частиц, состав поверхности и каталитическую активность исследовалось Д.Касадонте и С.Доктичем. Они обнаружили, что под действием ультразвука происходит резкое изменение морфологии поверхности у таких катализаторов, как порошки никеля, меди и цинка. Поверхности отдельных частиц сглаживаются и частицы объединяются в обширные агрегаты. Эксперимент по определению состава поверхности никеля показал, что оксидное покрытие удаляется, вследствие чего сильно увеличивается каталитическая активность никелевого порошка. В целом облучение ультразвуком повышает эффективность никелевого порошка как катализатора более чем в 10⁵ раз. В таких условиях никелевый порошок также активен как некоторые специальные катализаторы, используемые в настоящее время, однако он не воспламеняется и стоит дешевле.

Ультразвук оказывается полезен почти в каждом случае, когда должны реагировать жидкость и твердое вещество. Кроме того, он может проникать через большой объем жидкости и поэтому хорошо подходит для промышленных применений. В будущем использование ультразвука в химических процессах должно быть очень разнообразным. Что касается синтеза лекарственных препаратов, то ультразвук позволяет увеличить выход продуктов по сравнению с традиционными методами.

Однако наиболее высокие достижения в звукохимии могут быть связаны с получением новых материалов, обладающих необычными свойствами. Например, очень высокие температура и давление, достигаемые во время реакции, могут привести к синтезу огнеупорных материалов (таких как карборунд, карбид вольфрама и даже алмаз). Огнеупорные материалы обладают высокой термостойкостью и огромной структурной прочностью. Они находят важное применение в промышленности как абразивы и вставные резцы с повышенной твердостью.

Чрезвычайно быстрое охлаждение, сопровождающееся схлопыванием пузырька, может быть использовано для создания металлических стекол. Такие аморфные металлы имеют необычайно высокие коррозионную стойкость и прочность.

Хотя химические применения ультразвука находятся еще на начальных стадиях разработки, в ближайшие годы следует ожидать быстрого прогресса в области звукохимии. Использование ультразвука в лабораторных реакциях широко распространяется, и перенос имеющихся технологий на реакции промышленного масштаба, по-видимому, не за горами. В основе разрабатываемых технологий лежат последние достижения в исследованиях химических эффектов ультразвука.

Эффекты, приведенные выше (в т.ч. и кавитация), вызываются действием на жидкую среду ультразвука, достаточного для возникновения этих эффектов интенсивности. При всем великолепии гаммы достигаемых физико-химических эффектов ультразвуковой кавитации (или ультразвуковой кавитационной обработке) присущи и следующие недостатки.

Все результаты достигаются вблизи ультразвукового излучателя, и по мере удаления от излучателя энергия обработки резко снижается, что препятствует ее широкому применению в промышленных объемах. Гидродинамическая кавитация аналогична ультразвуковой кавитации по условиям зарождения кавитационных полостей, их развития и последующего схлопывания, по воздействию, оказываемому на среды, находящиеся в зоне ее действия, и отличается только лишь природой возникновения, т.е. видом "излучателя". Однако это вроде бы незначительное отличие является существенным, поскольку гидродинамическая кавитация характеризуется тем, что вся масса жидкости участвует в процессах образования (развития и схлопывания) кавитационных полостей. Далее используется термин "кавитационный режим течения жидкости", который (по мнению авторов) наиболее полно характеризует происходящие явления, а именно - создаются условия генерирования кавитационных пузырьков, близких по величине диаметра и не зависящих от положения относительно "излучателя"; возможны условия, когда вся жидкость будет превращена в кавитационные пузырьки. Очевидно, что это граничное условие больше необходимого. Реально достаточно, чтобы в паровую фазу (кавитационные пузырьки) переходило около или немного больше половины объема жидкости, тогда при схлопывании кавитационных пузырьков будет что обрабатывать. Количество генерируемых пузырьков можно определить объемом каверны, где собираются кавитационные пузырьки. Экспериментально установлено, что диаметр пузырьков приблизительно одинаков, что приводит к существенно большей (чем при ультразвуковой кавитации) величине выделяемой суммарной энергии. То, что количество кавитационных пузырьков при гидродинамической кавитации во много раз больше, делает последний вывод неоспоримым.

Эффективность кавитационной обработки (любой природы) определяется величиной удельной энергии кумулятивных микроструй, образующихся при схлопывании кавитационных пузырьков, возникающих вследствие распада каверны за кавитатором ("излучателем"), помноженной на количество кавитационных пузырьков.

Считается, что удельная энергия кумулятивных струй пропорциональна квадрату их скорости, а скорость прямым образом зависит от корня квадратного из давления в проточной камере. Таким образом, энергия диспергирования пропорциональна первой степени давления в камере диспергирования, т.е.

где v_k - скорость кумулятивных струй;

P - давление в проточной пузырьковой камере;

E - энергия диспергирования.

Для повышения энергии диспергирования в кавитационных системах предусмотрено расширение потока с помощью диффузора. Максимальное увеличение давления при этом даже при неограниченно бесконечном расширении потока будет стремиться к величине скоростного напора до расширения



и при скорости потока в проточной части, например v = 2 м/с, составит P = 0,02 атм, а при v = 10 м/с P = 0,5 атм максимум.

Более строго с точки зрения происходящих физико-механических процессов удельная энергия кавитационного воздействия единичного кавитационного пузырька может быть представлена зависимостью

E = kP/R³-R³₀,

где k - коэффициент;

P - давление в зоне смыкания каверны;

R, R₀ - радиусы кавитационных пузырьков максимальный и минимальный (в момент схлопывания).

Анализ приведенной зависимости, с точки зрения достижения наивысшей интенсивности выделения энергии, доказывает необходимость достижения наибольших величин максимального радиуса образовавшегося и готовящегося к схлопыванию кавитационного пузырька и роста давления в зоне схлопывания. Однако это взаимоисключающие условия. При росте давления в зоне схлопывания размер пузырьков уменьшается. При снижении давления пузырьки образуются достаточно большими, однако из-за небольшой разности давлений внутри и вне пузырька схлопывание происходит недостаточно энергично.

Для увеличения выделяемой "излучателем" гидродинамической кавитации энергии используется генератор пульсаций давления, выполненный в виде прерывателя потока, состоящий из неподвижного диска и вращающегося диска с радиальными окнами. Установка прерывателя потока за "излучателем" (кавитатором) по ходу потока позволяет обеспечить (при большом проходном сечении прерывателя) условия роста микропузырьков большего размера - при открытом прерывателе (и схлопыванию их) - при перекрытии прерывателя (существенно повышенном давлении). Это может быть достигнуто только при установке прерывателя за кавитатором по ходу потока и свойственно только кавитационному смесителю. Это является одной из отличительных особенностей настоящего технического решения. Создание пульсаций при расположении средства для создания пульсаций до кавитатора приводит к изменению скорости потока жидкости, натекающей на кавитатор. Это приводит к изменению размеров каверны, образующейся за лопатками за счет изменения количества кавитационных микропузырьков, что и обеспечивает некоторую интенсификацию процесса смешения. Изменения давления за кавитатором в каверне при этом не происходит, так как давление за кавитатором в каверне при кавитационном режиме течения постоянно и равно давлению насыщенных паров жидкости, которое не зависит от скорости обтекания кавитатора. Следовательно, удельная энергия, генерируемая при кавитационном режиме течения должна быть представлена зависимостью

E = K/P-P_нпR³-R³₀;

где E - энергия, выделяемая при смешении;

K - коэффициент пропорциональности;

P, P_нп - давление в зоне схлопывания и давления насыщенных паров жидкости;

R₀, R - радиус кавитационного пузырька максимальный и в момент схлопывания.

Очевидно, что энергия, генерируемая кавитационным течением, прямо пропорционально зависит от давления в зоне схлопывания. Особенно эта зависимость проявляется при кавитационной обработке жидкостей, находящихся при температуре, приближающейся к температуре кипения. В этом случае разность (P - P_нп) приближается к нулю, а следовательно, никакие изменения скорости, пульсации скорости до лопаток, изменение профиля лопаток и т.д. не могут обеспечить условия смешения, т.е. пузырьки будут образовываться хоть и больших размеров, но они либо не схлопнутся, либо энергия будет минимальной (физический смысл происходящего аналогичен кипению воды в чайнике). Данный вопрос до сих пор почти не исследовался, однако чрезвычайно актуален, поскольку открывает новые возможности резкой интенсификации процесса кавитационной обработки. При мгновенном перекрытии прерывателя генерируется ударная волна, распространяющаяся против движения диспергируемой среды приблизительно со скоростью звука в данной среде. Давление на фронте ударной волны определяется по формуле Н.Е.Жуковского: P₂= Cv, где C - скорость распространения ударных волн в среде, - плотность среды; v - скорость движения среды.

Даже при небольшой скорости потока на выходе v = 2 м/с давление на фронте ударной волны составит: P = 15501002 = 31 атм.

Таким образом, если вместо применяющегося расширения канала и диффузора установить генератор ударных волн на выходе, то удельная энергия диспергирования увеличится в



если P₂ принимается при v = 2 м/с и P₁ при v = 10 м/с.

Если же P₁ принять при v = 2 м/с, то увеличение энергии диспергирования будет



Движение ударной волны с таким высоким давлением на ее фронте навстречу потоку вызывает весьма значительное локальное его сжатие. Это явление используется при гидродинамической кавитационной обработке жидкостей (любой природы и происхождения), находящихся при температуре кипения.

В свете вышеуказанного, следует пояснить, что в предложенном устройстве, тормозное устройство выполняет новую функцию - генератор усилитель энергии схлопывания кавитационных пузырьков. В случае известных методов достижения кавитации (в том числе ультразвуковой) - это путь повышения подводимой энергии к "излучателю". Гидродинамической кавитации свойственна "коварная" особенность, позволяющая использовать условия обтекания кавитаторов для создания условий генерирования большого количества кавитационных пузырьков большого диаметра. Остановимся на некоторых процессах генерирования кавитационных пузырьков. В процессе гидродинамической кавитации различают несколько стадий: наличие зародыша кавитационного пузырька (центр образования); зарождение кавитационного пузырька; рост размеров кавитационного пузырька за счет разности давлений внутри и вне пузырька; рост размеров кавитационного пузырька за счет сил инерции - инертное состояние; схлопывание кавитационных пузырьков. Каждая стадия характеризуется отрицательным временем реализации или, что нагляднее, длиной пробега каверны. Очевидно, что длина каверны должна быть достаточной для завершения всех стадий процесса.

Далее задачей является увеличение наводнения каверны, т.е. достижение необходимой величины миделя каверны. Это может быть достигнуто увеличением количества излучателей, решеток излучателей и т.д. Гидродинамическая кавитация и здесь открывает новые возможности ее использования. Установка по оси потока лопаток клиновидной формы, обеспечивающих закручивание потока, генерирующее образование микровихрей, а значит и образование дополнительного их количества. За счет охвата центральных лопаток по наружному диаметру периферийными лопатками обеспечивается закручивание потока жидкости в противоположном направлении, и генерируются новые зоны микровихрей, взаимодействие которых с микровихрями, генерируемыми за лопатками, установленными на оси, удваивают относительные скорости микропотоков, что способствует их взаимопроникновению друг в друга и обеспечивает полное по миделю заполнение кавитационными пузырьками каверны. При снижении скорости потока интенсивность образования микропузырьков снижается вплоть до исчезновения кавитации. Создание стабильного режима кавитации в ее развитой стадии при изменении производительности позволяет снизить удельные энергозатраты. Установлено, что кремнийорганическое покрытие КНН-121 способствует частичному смачиванию поверхности. Это обеспечивает проскальзывание жидкости вдоль поверхности лопастей кавитатора. Возникновение этих условий обтекания позволилo резко, на 30-40%, увеличить длину каверны и количество кавитационных микропузырьков, что обеспечило значительное повышение интенсивности процесса, полностью исключило эрозию элементов смесителя.

Наилучшие результаты достигнуты при толщине покрытия 0,1 мм для кремнийорганического покрытия КНН-121. Испытания показали стойкость покрытия КНН-121 в различных средах и переменных температурах. Интенсивность эрозии прямо пропорционально зависит от длины каверны (обычно используется безразмерный параметр - относительная длина каверны, являющаяся отношением длины каверны к диаметру корпуса). Величина эрозии оценивается по изменению массы кавитатора за определенный период времени.

На фиг. 1 показан общий вид кавитационного теплогенератора; на фиг. 2 - прерыватель потока; на фиг. 3 - вид А на фиг. 2.

Кавитационный генератор, содержит корпус 1, оснащенный ускорителем движения жидкости и тормозным устройством; ускоритель движения жидкости выполнен в виде проточной камеры 2 с патрубком подвода 3, конфузором 4 и патрубком 5 отвода обработанной жидкости. Внутри проточной камеры 2 установлен рабочий элемент в виде внутренних суперкавитирующих лопаток 6, закрепленных на ступице 7, которые по наружной поверхности охвачены коаксиальным цилиндром 8, на наружной поверхности которого расположены суперкавитирующие лопатки 9, направление закручивания потока которых противоположно направлению закручивания потока внутренними суперкавитирующими лопатками 6, закрепленными на ступице 7, а тормозное устройство выполнено в виде прерывателя потока с приводом, расположенным за рабочим элементом по ходу потока. Патрубок отвода 5 соединен с аккумулятором тепла 10, выход которого соединен с коммерческим потребителем тепла 11 и сетевым насосом 12, выход которого соединен с патрубком подвода 3. Проточная камера 2 соединена с патрубком 5 отвода обработанной жидкости через диффузор 13. Сетевой насос 12 соединен с патрубком 3 через конфузор 14. Прерыватель потока выполнен в виде дисков 15 и 16 с радиальными окнами 17 и 18. Диск 15 установлен неподвижно, а диск 16 установлен на приводе 19, который соединен с исполнительным механизмом (двигателем) 20. Между диффузором 13 и диском 15 установлена диафрагма 21. Между рабочим элементом и прерывателем потока установлено устройство 22 отбора расхода жидкости, соединенное с дополнительной проточной камерой 23, внутри которой установлен рабочий элемент, обеспечивающий суперкавитационный режим течения в виде суперкавитирующих лопаток 24, закрепленных на ступице 25, которые по наружной поверхности охвачены коаксиальным цилиндром 26. На наружной поверхности цилиндра 26 расположены суперкавитирующие лопатки 27. В проточной камере 23 ступица 25 закреплена профилями 28, за проточной камерой по ходу потока установлен дополнительный прерыватель потока, снабженный приводом. Упомянутый прерыватель, состоит из дисков 29 и 30 с радиальными окнами 31 и 32. Диск 29 установлен неподвижно, а диск 30 установлен на приводе 33. Между диском 25 и проточной камерой 23 выполнено сужение 34. Выход проточной камеры 23 соединен магистралью 35 через корпус 1 со ступицей 7, выполненной полой, и коллектором 36, охватывающим наружную поверхность проточной камеры 2, имеющую перфорацию в зоне размещения рабочего элемента, причем в корпусе 1 перед рабочим элементом установлен турбулизатор, выполненный в виде прерывателя потока с приводом 37, соединенным с приводом 33 дополнительного прерывателя потока, который соединен с приводом 19 прерывателя потока.

Турбулизатор выполнен в виде дисков 38 и 39 с радиальными окнами 40 и 41. Диск 38 установлен неподвижно, и диск 39 установлен на приводе 37.

Между сетевым насосом 12 и корпусом 1 размещен предвключенный кавитационный активатор, выполненный в виде конфузора 14 проточной камеры 42, тангенциально соединенной с корпусом 1, внутри которой на полой ступице установлен рабочий элемент, полая ступица 43 соединена с аккумулятором тепла 10, преимущественно в верхней точке. Рабочий элемент выполнен в виде суперкавитирующих лопаток 44, закрепленных на полой ступице 43, которые по наружной поверхности охвачены коаксиальным цилиндром 45, на наружной поверхности цилиндра 45 расположены суперкавитирующие лопатки 46.

В проточной камере 42 за рабочим элементом по ходу потока установлены сопла 47 и 43 преимущественно перпендикулярно направлению потока, входы которых соединены с выходом сетевого насоса 12 через вентили 49 и 50.

Оси сопл 47 и 48 расположены под углом друг к другу. Исполнительный механизм 20 приводов прерывателей соединен через регулятор 51 с датчиком температуры 52, причем один из входов регулятора 51 соединен с датчиком шума 53 за рабочим элементом.

Турбулизатор, выполненный в виде прерывателя потока, оснащен дополнительными направляющими потока, выполненными, например, в виде пластин 54 (фиг. 3), установленными на подвижной части прерывателя под углом к набегающему потоку.

Прерыватель и дополнительный прерыватель соединены таким образом, чтобы обеспечить смещение момента начала импульсов в прерывателях.

Передняя кромка коаксиальных цилиндров 8, 26, 45, на которых установлены суперкавитирующие лопатки 9, 27, 46, направленная навстречу потоку жидкости, выполнена острой, со скошенной внутренней поверхностью, выполненной в виде плавного вогнутого профиля, а передняя кромка ступицы 7, 25, 43, направленная навстречу потоку жидкости, выполнена острой, со скошенной наружной поверхностью, выполненной в виде плавного вогнутого профиля.

На выходе теплового генератора установлен регулятор давления 55, выход которого соединен с исполнительным механизмом 56.

Все узлы, контактирующие с жидкостью, выполнены с кремний-органическим покрытием, например следующего состава: Al₂O₃ - 10-40 мас.%, асбест - 10-30 мас.%, слюда-мусковит 1-10 мас.%, связующее - остальное.

При включении в работу насоса 12, жидкость через диффузор 14 попадает в проточную камеру 42 под давлением 4-8 атм, где происходит разделение потока. Одна часть потока поступает на лопатки 44, где за счет сужения проходного сечения и закручивания потока скорость потока жидкости возрастает, а давление понижается. При достижении величины давления насыщенных паров после лопаток 44 образуется кавитационная каверна, в хвостовой части которой образуется поле микропузырьков. В результате схлопывания кавитационных пузырьков возникают поля кумулятивных микроструй со скоростью порядка 10⁵ м/с и ударными давлениями до 10⁵ атм.

Кроме того, за счет закручивания потока происходит образование микровихрей, способствующих образованию кавитационных пузырьков. Другая часть потока поступает на суперкавитирующие лопатки 46, за которыми также возникают каверны, причем последние взаимодействуют с каверной, образованной лопатками 44. Из-за разнонаправленного закручивания потоков происходит взаимное влияние и проникновение микровихрей и образовавшихся кумулятивных микроструй и их ударное взаимодействие. Суммарная каверна характеризуется высокой интенсивностью образования кавитационных пузырьков, микроструек и микровихрей. Часть потока жидкости после насоса 12 попадает в сопла 47 и 43, направленныe встречно. Взаимодействуя, струи жидкости образуют каверну (кавитация по методу академика Л. Седова), которая вносит дополнительную нестационарность в основную каверну и интенсифицирует процесс. В случае когда оси сопл 47 и 43 направлены под углом друг к другу, происходит дополнительное закручивание потока и как следствие увеличивается нестационарность каверны, что обеспечивает рост количества микропузырьков. Суммарная каверна через патрубок 3 попадает в корпус 1, где заканчивается схлопывание кавитационных пузырьков.

Газы и пары из аккумулятора тепла 10 эжектируются в полую ступицу 43 и попадают в каверну. Эти газы являются центрами образования дополнительных кавитационных пузырьков и, кроме того, деаэрируют горячую воду, подающуюся коммерческому потребителю тепла 11, что снижает коррозию металлоконструкций.

Установлено, что наибольшая интенсивность генерирования кавитационных пузырьков достигается при наложении на кавитационный режим течения пульсационного воздействия, который обеспечивается прерывателем потока жидкости. При вращении диска 35 с радиальными окнами 41 происходит поочередное перекрытие радиальных окон 40 диска 38, что приводит к пульсации давления потока. Наибольший эффект проявляется при совпадении частот пульсаций каверны за рабочим элементом в проточной камере 42 и пульсаций давления, вызванным прерывателем потока, т.е. при резонансе частот. В этом участке теплогенератора происходит генерирование тепла и жидкость разогревается. Дополнительным неожиданным эффектом, явилось то, что на участке между проточной камерой 42 и проточной камерой 2 не все пузырьки полностью схлопнулись, часть газа не успела раствориться в жидкости, т.е. перед проточной камерой 2 образовалась активированная жидкость, причем активация жидкости проявляется двояко; нагретая жидкость более легко переходит в режим кавитационного течения, но более важным является то, что вся жидкость насыщена активными центрами-зародышами кавитационных пузырьков. Поток жидкости через конфузор 4, разгоняясь, поступает на лопатки, где за счет сужения проходного сечения и закручивания скорость потока возрастает, а давление понижается. При достижении величины давления насыщенных паров после лопаток 6 образуется кавитационная каверна, в хвостовой части которой образуется поле микропузырьков. В результате схлопывания кавитационных пузырьков возникают поля кумулятивных микроструй со скоростями порядка 10⁵ м/с и ударными давлениями до 10⁵ атм. Кроме того, за счет закручивания потока происходит образование микровихрей, способствующих образованию кавитационных пузырьков (следует отметить нестационарный характер хвостовой части каверны). Другая часть потока жидкости поступает на суперкавитирующие лопатки 2, за которыми также возникает каверна, причем последняя взаимодействует с каверной, образованной лопатками 6. Ввиду разнонаправленного закручивания потоков происходит взаимное проникновение кавитационных микроструек и их ударное взаимодействие. Кроме того, наблюдается взаимодействие микровихрей. Суммарная каверна характеризуется высокой интенсивностью образования кавитационных пузырьков, микроструек и микровихрей. Хвостовая часть суммарной каверны также имеет нестационарный характер. Установлено, что наибольшая интенсивность генерирования тепла достигается при наложении на кавитационный режим течения пульсационного режима, который обеспечивается прерывателем потока. При вращении диска 16 с окнами происходит поочередное перекрытие радиальных окон 17 диска 15, что приводит к пульсации потока. Наибольший эффект проявляется при совпадении частот пульсаций хвостовой части каверны и пульсаций расхода, т.е. при резонансе. В этом случае значительно повышается интенсивность кавитационных шумов, которые передаются корпусу смесителя и воспринимаются первичным преобразователем 53 (например, пьезоэлектрический гидрофон). Аналоговый выходной сигнал первичного преобразователя 53 поступает на вход вторичного показывающего и регистрирующего прибора 51, имеющего блок регулирования напряжения. В качестве двигателя 20 выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором с включенными в сеть статора дросселями насыщения. Интенсивность шума, измеряемого блоком 53, преобразуется в напряжение и с помощью регулятора 51 управляют частотой вращения двигателя 20 за счет изменения частоты вращения пульсатора (следовательно, и частотой генерируемых пульсаций).

В табл. 1 приводятся сравнительные (с a.c. СССР N 1083782) данные испытаний.

Зону схлопывания кавитационных микропузырьков определяют непосредственным измерением по уровню кавитационных шумов. В зоне схлопывания интенсивность шумов наивысшая, и, перемещая датчик шумомера вдоль проточного участка, определяют местоположение зоны схлопывания. С другой стороны, схлопывание кавитационных пузырьков происходит в области изменения сечения потока, а именно в области диффузора 13. В этом месте происходит уменьшение кинетической энергии потока с увеличением потенциальной энергии. Скорость потока снижается, а давление увеличивается, что и определяет энергию и место схлопывания кавитационных пузырьков.

Использование прерывателя приводит к пульсации как расхода, так и давления потока и, что очень важно, после рабочего элемента по ходу потока. Кавитатор и поток несжимаемой жидкости до кавитатора служат демпфером. После кавитатора по ходу потока образуется жидкогазовая среда, которая сжимается. Таким образом, пульсации воздействуют на каверну, вызывая увеличение нестационарности каверны, и интенсифицируют схлопывание пузырьков, и за счет сжимаемости почти не сказываются во всем сечении потока (каверны).

Измеритель температуры 52 корректирует управляющий сигнал регулятора 51, корректируя частоту вращения двигателя 20 при изменении температуры в патрубке 5.

Пульсации давления жидкости, генерируемые на диске 15, воздействуют на каверну образованную за рабочим элементом в проточной камере 2 через диафрагму 21. Диафрагма 21 играет двоякую роль: она служит и для создания повышенного давления за проточной камерой 2, и при воздействии пульсаций давления диском 15 перед диафрагмой генерируются вторичные пульсации давления. Таким образом, между проточной камерой 2 и диском 15 образуется два объема жидкости, где происходят ударные пульсации давления, что значительно интенсифицирует процесс схлопывания кавитационных пузырьков, а значит и процесс генерирования тепла. Нагретая жидкость через патрубок 5 отводится в аккумулятор тепла 10, откуда подается коммерческим потребителям тепла 11. На выходе патрубка 5 установлен исполнительный механизм 56, регулирующий величину давления в патрубке 5, Управляющий вход исполнительного механизма 56 соединен с регулятором давления 55, управляющий величиной давления в патрубке 5. Таким образом, поддерживается общее избыточное давление в теплогенераторе, что на всех стадиях интенсифицирует процесс.

Между диафрагмой 21 и диском 15 установлено устройство 22 отбора жидкости, соединенное с проточной камерой 23. Жидкость через устройство 22 поступает в проточную камеру 23, где происходит разделение потока жидкости. Одна часть потока жидкости поступает на лопатки 24, где за счет сужения проходного сечения и закручивания потока скорость жидкости возрастает, а давление понижается. При достижении величин давления насыщенных паров после лопатки 24 образуется кавитационная каверна, в хвостовой части которой образуется поле микропузырьков. В результате схлопывания кавитационных пузырьков возникают поля кумулятивных микроструй со скоростями порядка 10⁵ м/с и ударными давлениями до 10⁵ атм. Кроме того, за счет закручивания потока происходит образование микровихрей, способствующих образованию кавитационных пузырьков. Другая часть потока жидкости поступает на суперкавитирующие лопатки 27, за которыми также возникает каверна, причем последняя взаимодействует с каверной, образованной за лопатками 24. Ввиду разнонаправленного закручивания потоков происходит взаимное проникновение кавитационных микроструек и их ударное взаимодействие. Кроме того, происходит взаимодействие микровихрей. Суммарная каверна характеризуется высокой интенсивностью образования кавитационных пузырьков, микроструек и микровихрей.

Установлено, что наибольшая интенсивность генерирования тепла достигается при наложении на кавитационный режим течения пульсационного режима, который обеспечивается прерывателем потока. При вращении диска 30 с окнами 32 происходит поочередное перекрытие радиальных окон 31 диска 29, что приводит к пульсации давления потока жидкости. Наибольший эффект происходит при совпадении частот пульсаций хвостовой части каверны и пульсаций давления жидкости, т.е. при резонансе частот. Разогретая жидкость из проточной камеры 23 через магистраль 35 поступает через полую ступицу 7 в каверну за рабочим элементом в проточной камере 2. Из магистрали 35 через кольцевой коллектор 36 жидкость поступает в область каверны снаружи ее в зону интенсивного генерирования тепла. Разогрев жидкости в проточной камере 23, наличие несхлопнувшихся пузырьков и нерастворившихся газов активируют жидкость, с которой они попадают по оси внутрь каверны и через кольцевой коллектор 36 снаружи каверны и создают условия для дальнейшего увеличения количества генерируемых пузырьков.

Таким образом, на рабочий элемент, расположенный в проточной камере 2, активированная разогретая жидкость подается в три области: на суперкавитирующие лопатки 6 и 9; полую ступицу 7; снаружи каверны через кольцевой коллектор 36, что создает условия генерирования максимально возможного количества кавитационных пузырьков и как следствие генерирования максимального количества тепла.

Размещение пластин 54 на диске 39 под углом к набегающему потоку обеспечивает дополнительную турбулизацию потока за диском 39, чем достигается равномерность распределения нерастворившихся газов в жидкости и способствует повышению ее однородности. Кроме того, расположение пластин 54 под углом позволяет использовать для вращения жидкости часть энергии потока.

Смещение момента начала импульсов в прерывателях позволяет подавать максимальное количество активированной жидкости в проточную камеру 2 в момент перекрытия окон 17 и 18, увеличивая этим амплитуду пульсаций.

Выполнение внутренней поверхности коаксиальных цилиндров 45, 26, 8 в виде плавного вогнутого профиля позволяет снизить гидравлическое сопротивление цилиндров, плавно сжать поток к оси, снизив трение о стенки цилиндра. В дополнение к этому выполнение ступиц 43, 25, 7 с наружной поверхностью в виде плавного вогнутого профиля формирует поток, направляя его на лопатки 44, 24, 6 - соответственно.

Установка на выходе теплового генератора за патрубком 5 регулятора давления позволяет при прочих равных условиях поддерживать избыточное давление, необходимое для интенсивного генерирования тепла.

Использование для покрытия внутренних поверхностей кремнийорганических покрытий позволяет снизить энергозатраты теплового генератора, повысить ресурс его работы. Данные испытаний сведены в табл. 2. В табл. 3 приведены составы КОП (кремнийорганического покрытия).

В табл. 4 приведены параметры, определяющие получение положительного эффекта, в зависимости от состава покрытия. Следует отметить, что начальная эрозия, даже незначительная, приводит к цепной реакции разрушения кавитатора.

Испытания предлагаемого покрытия показали его надежность и эффективность.

Необходимо отметить, что известные покрытия неустойчивы к воздействию смачивающих веществ, что приводит к интенсивному износу покрытия, и, кроме того, поверхность этих покрытий характеризуется такой шероховатостью, которая негативно влияет на эффективность работы кавитатора.

В то же время предлагаемое покрытие при чрезвычайно высокой устойчивости к механическому износу и высокой термостойкости и химической стойкости отличается повышенной гладкостью. Это повышает эффективность работы за счет увеличения длины каверны при неизменном расходе.

Приведенный состав покрытия, позволил получить наилучшие условия работы (т. е. достигнуть максимальной длины каверны при стабильном расходе) кавитационного теплогенератора при повышении механической прочности и термохимической стойкости.

Промышленная применимость предложенного изобретения гарантируется, поскольку при его использовании значительно повышается эффективность теплогенерации, особенно в технологических производствах с переменной производительностью.