НИУ МЭИ

Кафедра

Кафедра котельных уставовок и

экологии энергетики

Кавитационные нагреватели на жидкостных средах

Студент Трофименко Н.Н.

Группа ТФ-04-11

Преподаватель Кормилицын В.И.

Москва 2011 г.

Содержание.

1. Понятие кавитация.

2. Кавитационный нагреватель и его принцип действия.

3. Вредные воздействия кавитации.

4. Число кавитации (расчётная формула).

5. Список литературы.

1. Понятие кавитация.

«Кавитус» в переводе с латинского означает – «ВАКУУМ».

Кавитация отличается от обычного кипения тем, что при повышении относительной скорости потока относительно тела понижается давление потока до давления насыщенных паров (ваккума). При этом жидкость вскипает, и образуются кавитационные парогазовые пузырьки микроскопических размеров. Кавитационные пузырьки, попадая в область повышенного давления, схлопываются (замыкаются, конденсируются) кумулятивными струйками в точки. В этих точках, а их огромное количество, кумулятивные эффекты приводят к точечному повышению давлений до десятков тысяч атмосфер, с образованием точечных температур в десятки тысяч градусов по Кельвину. Кроме того, резкое (внезапное) исчезновение кавитационных пузырьков приводит к образованию гидравлических ударов, и как следствие к созданию волны сжатия и растяжения в жидкости с ультразвуковой частотой. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она разрушает его поверхность. Кавитационных пузырьков довольно много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, поэтому кавитация может привести к значительным разрушениям.

Энергия схлопывающихся пузырьков расходуется на излучение ударных волн, на локальный нагрев газа, содержащегося в сжимающихся кавитационных полостях, на возбуждение сонолюминисценции, на образование свободных радикалов, а также на создание шума.

Согласно определению Кристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями. Возможно и другое образование кавитационных пузырей путем местной подачи энергии. Это может быть достигнуто фокусировкой интенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или искрой электрического разряда».

Явление кавитации известно в науке и технике немногим больше сотни лет. Впервые обнаружил это явление английский ученый Рейнольд в 1894 году на английских миноносцах.

2. Кавитационный нагреватель и его принцип дейсвтия.

Существуют несколько проектов использования тепловой энергии, выделяемой при кавитации, для обогрева помещений (так называемый вихревой тепловой генератор).

Вихревые нагреватели – это качественно новое отопительное оборудование, производимое на основе зарегистрированного в России изобретения, которое по своим потребительским качествам существенно превосходит другие типы нагревателей и отопительных систем как отечественного, так и импортного производства. Высокая надёжность, безопасность, экономичность и неприхотливость в обслуживании являются неоспоримыми преимуществами вихревых тепловых генераторов.

Принцип действия Вихревого теплового генератора (отсюда и далее ВТГ) состоит в превращение механической энергии, затрачиваемой электронасосом на перемещение потока жидкости в энергию теплового излучения. Этот процесс напоминает работу авиационной форсунки (Рис.1) при подаче жидкости через сечение 1-1 и сужении выходного отверстия до сечения 2-2 при постоянном движении возникают центробежные силы, прижимающие поток жидкости к стенкам форсунки и образующие тонкую пленку.

Вдоль оси завихрителя (форсунки) образуется воздушный вихрь, аналогичный той воронке, которая образуется при опорожнение наполненных жидкостью сосудов через донные отверстия (Рис.2), только в форсунке он значительно интенсивнее. Однако не всё выходное отверстие завихрителя диаметром 2rо заполнено потоком жидкости (Рис.3). Если завихритель соединить с трубой соответствующего диаметра, поток жидкости продолжит свое движение вдоль трубы с интенсивным вращением вокруг ее оси.

П оскольку струя жидкости за счет центробежных сил вращения разрывается при образовании вихря, внутри самого вихря пониженное давление заставляет соприкасающуюся с ним жидкость интенсивно «закипать». Происходит непрерывный процесс образования кавитационных пузырьков по всей внутренней поверхности соприкосновения вихря со столбом жидкости.

Образовавшиеся микроскопические (размером примерно 0,5-3 микрон) пузырьки, перемешиваясь, насыщают жидкость и уносятся потоком, а на их месте непрерывно образуются новые.

Сила поверхностного натяжения в таких пузырьках достигает величины 104 кг/см2.

При насыщении всей массы жидкости пузырьками, в ней аккумулируется энергия, которая при схлопывании пузырьков преобразуется в тепловую энергию, нагревая жидкость.

Одновременно вращение приводит (на молекулярном, атомном и иных уровнях) к появлению дополнительных связей между микрочастицами жидкости, и интенсивному выделению энергии в виде тепла. Это процесс происходит при наличии ускорения частиц движущейся жидкости. Работа вихревого теплового генератора, схематично изображена на Рис.4.

1. Насос под давлением нагнетает в завихритель жидкость, сообщая ей запас кинетической энергии.

2. Завихритель раскручивает поступающую в него жидкость до образования на его выходе и вдоль оси вихревой трубы устойчивого вихря.

3. Поток жидкости с вихрем внутри, вращаясь, движется вдоль вихревой трубы, при этом:

а) жидкость нагревается за счет выделения энергии образующихся связей между ее частицами (молекулами, атомами, нуклонами);

б) под воздействием пониженного давления в вихре (на границе вихря и потока жидкости) интенсивно образуются и сразу же смешиваются с потоком вращающейся жидкости кавитационные пузырьки, аккумулирующие энергию в виде сил поверхностного натяжения. При схлопывании кавитационных пузырьков эта энергия выделяется в виде тепла;

в) за счет трения о поверхность вихревой трубы вращающегося потока жидкости выделяется тепло, передаваемое металлу трубы и жидкости.

4. Вращающаяся жидкость, достигнув гидротормоза, при ударе о его поверхность отдает в виде тепла часть кинетической энергии, затраченной насосом на образование вращательного движения. Одновременно в момент удара схлопываются кавитационные пузырьки, выделяя при этом тепло.

5. При достижении жидкостью определенной температуры насос выключается, жидкость приходит в исходное состояние, и после остывания ее до заданной температуры насос включается.

С позиции теории движения, доказано, что при наличии ускорения вращения тел их суммарная масса – энергия уменьшается. Появление дополнительных связей между частицами вещества приводит к выделению значительного количества энергии связей в виде тепла. Согласно теории на каждый Дж механической энергии, вкладываемой во вращение, должно выделяться до 2Дж энергии в виде излучений.

Таким образом, затрачивая энергию на механическое движение жидкости, мы в результате получаем ее приращение за счет выделения других видов энергии, что в сумме превышает затраченную механическую в 1,5-1,85 раз. Это подтверждается многочисленными измерениями в ходе экспериментальных работ и длительной (более 10 лет) эксплуатацией ВТГ на объектах различного назначения.