Электрогидроударный теплогенератор
Предложен новый оригинальный электрогидроударный кавитационный теплогенератор, содержащий полую камеру с водой, кавитационное устройство, и электрический водяной насос, в котором в качестве электрического водяного насоса, и одновременно, внутреннего кавитатора воды, использована электрогидроударная камера, содержащая корпус в виде полого цилиндра, по краям которого размещены два дисковых кавитатора, и два конических выходными соплами, размещенные по ее торцам, а также и два отводных патрубка, механически присоединенными к торцам сопел, причем в корпус ввернута электроискровая свеча с центральным электродом, кольцевым электродом. электрически и механически соединенным с ее ввертной частью, электроизолятором между ними, и кольцевым магнитом размещенном на электрическом изоляторе, причем данный теплогенератор дополнен электрическим устройством, содержащим повышающий управляемый электрический преобразователь напряжения, с выходным накопительным высоковольтным электрическим конденсатором, и первичный источник электроэнергии, электрически присоединенный по входу к упомянутому преобразователю напряжения, причем первый выходной высоковольтный электрический потенциал преобразователя заземлен на корпус камеры, а второй его выходной электрический потенциал присоединен через высоковольтный коммутатор, к центральному электроду электроискровой свечи, причем отводные патрубки электрогидроударной камеры, механически присоединены через отводные водотрубопроводы и обратные водотрубопроводы к внешним кавитаторам, гидравлически присоединенным к тепловой водяной батарее, причем регулятор интенсивности вырабатываемой тепловой энергии выполнен в виде регулятора частоты и скважности управляемого и бесконтактного высоковольтного коммутатора с изменяемой частотой и длительностью включения, зависимости от температуры воды,, причем внутренние кавитаторы, размещенные в полой электрогидроударной камере, по ее торцам выполнены в виде дисков со сквозной перфорацией — в виде фасонных отверстий с конфигурацией отверстий в виде сопел Лаваля, а внешние кавитаторы данного устройства выполнены виде в виде сопел Лаваля, причем конструктивные параметры данного кавитационного теплогенератора и их соотношения выбирают из условия требуемой производительности тепловой энергии.
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 через вводной тангенциальный патрубок (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 нее 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 поставленной 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 электроводяной насос и кавитатор конструктивно совмещены и выполнены в виде электрогидроударной камеры, содержащей корпус в виде полого цилиндра, по краям которого размещены два дисковых кавитатора, и два конических выходными соплами, размещенные по ее торцам, а также и два отводных патрубка, механически присоединенными к торцам сопел, причем в корпус ввернута электроискровая свеча с центральным электродом, кольцевым электродом,. электрически и механически соединенным с ее ввертной частью, и электрическом изолятором между ними, и кольцевым магнитом размещенном на этом электрическом изоляторе, причем данный теплогенератор дополнен электрическим устройством, содержащим повышающий управляемый электрический преобразователь напряжения, с выходным накопительным высоковольтным электрическим конденсатором, и первичный источник электроэнергии, электрически присоединенный по входу к упомянутому преобразователю напряжения, причем первый выходной высоковольтный электрический потенциал преобразователя заземлен на корпус камеры, а второй его выходной электрический потенциал присоединен через высоковольтный коммутатор, к центральному электроду электроискровой свечи, причем этот повышающий преобразователь напряжения может быть выполнен в виде обычного повышающего индуктивного трансформатора, первичная обмотка которого присоединена к стандартной электросети переменного тока, а вторичная высоковольтная обмотка присоединена через выпрямитель к накопительному электролитическому конденсатора, с рабочим напряжением, согласованном с выходным напряжением, причем отводные патрубки камеры, механически присоединены через отводные водотрубопроводы и обратные водотрубопроводы к внешним кавитаторам, гидравлически присоединенным к тепловой водяной батарее, причем регулятор интенсивности вырабатываемой тепловой энергии выполнен в виде регулятора частоты и скважности управляемого и бесконтактного высоковольтного коммутатора с изменяемой частотой и длительностью включения, зависимости от температуры воды,, причем внутренние кавитаторы, размещенные в полой электрогидроударной камере, по ее торцам выполнены в виде дисков со сквозной перфорацией- в виде фасонных отверстий с конфигурацией отверстий в виде сопел Лаваля, а внешние кавитаторы данного устройства выполнены виде в виде сопел Лаваля, причем конструктивные параметры устройства и их соотношения выбирают из условия требуемой производительности тепловой энергии.
Описание устройства в статике Электрогидроударный (ЭГД) кавитационный теплогенератор, показанный упрощенно на рис.1, содержит электрогидроударную(ЭГД) — камеру 1, состоящую из корпуса 2, в виде полого цилиндра, по краям которого два кавитатора 3, 4 и два конических выходными соплами 5, 6, размещенные прочно по ее торцам, и два отводных патрубка 7, 8, механически присоединенными к торцам сопел 2.3, причем в корпус 2 ввернута электроискровая свеча 9 с центральным электродом 10, кольцевым электродом 11. электрически и механически соединенным с ее ввертной частью (не показана), электроизолятором 12, между ними, и кольцевым магнитом 13, размещенном на электрическом изоляторе 12, причем данный теплогенератор дополнен электрическим устройством, содержащим повышающий импульсный управляемый электрический преобразователь напряжения 13, с выходным высоковольтным электрическим конденсатором 14, и первичный источник электроэнергии 15, электрически присоединенный по входу к упомянутому преобразователю напряжения 13, причем первый выходной высоковольтный электрический потенциал преобразователя 13 заземлен на корпус 2, а второй его выходной электрический потенциал присоединен через высоковольтный коммутатор (ключ) 16 к центральному электроду 10 электроискровой свечи 9, причем отводные патрубки 7, 8 механически присоединены через отводные водотрубопроводы 17, 18 и обратные водотрубопроводы 19, 20 к кавитаторам 21, 22, гидравлически присоединенный к центральной оребренной тепловой водяной батарее 23.
Описание работы устройства
Вначале заливают воду в эту замкнутую гидросистему, содержащую полую камеру 2, сопла 5.6, отводные патрубки 5,8 и прочее, причем неполностью, оставляя и небольшой воздушный промежуток в них. который служит демпфером при гидроударах в ЭГД камере 1 Затем электрически подключают первичный источник электроэнергии 15 к повышающему преобразователю напряжения 13 и от него заряжают накопительный электрический конденсатор с величиной емкости, достаточной для возникновения гилдроударного эффекта Юткина в воде в камере 2. Конкретно, осуществляют этот циклический электрогидроудар в камере 2 путем быстрого замыкания накопительного электрического конденсатора 14 через ключ 16 на центральный электрод 10 и кольцевой электрод 11 в электроискровой свече 9 для возникновения между ними вращающейся кратковременно электрической дуги в в воде.
В результате этого электрического разряда в воде, в месте этого разряда, образуется парогазовая полость от импульсного локального перегрева вводы и, как следствие,
развивается прямая волна давления в многие сотни атмосфер, которая передается всему объему воды в камере 2.
В результате возникновения этого мощного электрогидроудара в воде в таком достаточно простом однокаскадном кавитационном теплогенераторе с замкнутым водоводом, в момент возникновения электрогидравлического удара в воде в камере 2, возникает мощная ударная волна давления в воде и интенсивная кавитация воды при ее скоростном выталкивании из камеры 2 благодаря кавитационным решеткам 3.4. Далее два противоположно направленные кавитирующие поток воды выталкиваются из выходных вихревых конических сопел 5.6 камеры 2. и, далее,. получив ускорение и вращение в них, устремляется по отводным патрубкам 7.8 из камеры 2 и конических сопел 5.6 по отводным трубопроводам 17.18 и обратным трубопроводом 19, 20 и через два внешних сопла Лаваля 21. 22, навстречу друг другу, встречно сталкиваясь в водяном тепловом радиаторе 23, и после выделения тепла от кавитации в нем и в трубопроводах и самой камере 2 — потом эти два встречных потока воды снова стремительно возвращаются в камеру 1 обратной волной давления в воде, образованной вследствие схлопывания парогазовой полости в воде, исходно образованной от первого электрогидро удара. После чего процесс циклически повторяется Частота электрических разрядов и электрогидроударов регулируеся частотой Важное условие надежности устройства ЭГД камеры 1, состоит в наличии в нем хотя бы одного упругого элемента ее конструкции. К примеру, для осуществления этого условия внутренняя поверхность ЭГД- камеры 1 должна быть упругой, чтобы не треснуть ее корпусу 2 при мощных цикличных гидроударах в воде. Отметим, что поскольку вода заливается в эту простую замкнутую гидравлическую систему не полностью, то и воздух. содержащийся внутри этой замкнутой гидросистемы при электроударах в ЭГД камере 1 тоже служит отличным демпфером при ударных нагрузках в ней. Причем, благодаря наличию прямой и обратной волн давления при одном электрогидроударе в камере 2, в такой простейшей конструкции кавитационного теплогенератора, дополнительного водяного насоса, обратных гидроклапанов и системы долива воды не требуется, поскольку данная гидросистема герметизирована, а возвратно — поступательное движение кавитирующнй воды в камере 2 обеспечивают прямая и обратная волны давления в ней. Таким образом предложении простой кавитационный водяной теплогенератор на основе эффекта Юткина, который обладает существенными отличиями от прототипа и полезным эффектом — устранения затратного водяного насоса и тем самым, упрощения устройства и повышения эффективности выработки тепловой энергии при минимуме потребления электроэнергии.
Электрогидроударный кавитационный теплогенератор, содержащий полую камеру с водой, кавитационное устройство и электрический водяной насос, отличающийся тем, что электроводяной насос и кавитатор конструктивно совмещены и выполнены в виде электрогидроударной камеры, содержащей корпус в виде полого цилиндра, по краям которого размещены два дисковых кавитатора и два конических выходных сопла, размещенных по ее торцам, а также два отводных патрубка, механически присоединенными к торцам сопел, причем в корпус ввернута электроискровая свеча с центральным электродом, кольцевым электродом, электрически и механически соединенным с ее ввертной частью, и электрическим изолятором между ними, и кольцевым магнитом, размещенном на этом электрическом изоляторе, причем данный теплогенератор дополнен электрическим устройством, содержащим повышающий управляемый электрический преобразователь напряжения, с выходным накопительным высоковольтным электрическим конденсатором, и первичный источник электроэнергии, электрически присоединенный по входу к упомянутому преобразователю напряжения, причем первый выходной высоковольтный электрический потенциал преобразователя заземлен на корпус камеры, а второй его выходной электрический потенциал присоединен через высоковольтный коммутатор к центральному электроду электроискровой свечи, причем этот повышающий преобразователь напряжения может быть выполнен в виде обычного повышающего индуктивного трансформатора, первичная обмотка которого присоединена к стандартной электросети переменного тока, а вторичная высоковольтная обмотка присоединена через выпрямитель к накопительному электролитическому конденсатору с рабочим напряжением, согласованным с выходным напряжением, причем отводные патрубки камеры механически присоединены через отводные водотрубопроводы и обратные водотрубопроводы к внешним кавитаторам, гидравлически присоединенным к тепловой водяной батарее, причем регулятор интенсивности вырабатываемой тепловой энергии выполнен в виде регулятора частоты и скважности управляемого и бесконтактного высоковольтного коммутатора с изменяемой частотой и длительностью включения в зависимости от температуры воды, причем внутренние кавитаторы, размещенные в полой электрогидроударной камере, по ее торцам выполнены в виде дисков со сквозной перфорацией — в виде фасонных отверстий с конфигурацией отверстий в виде сопел Лаваля, а внешние кавитаторы данного устройства выполнены виде в виде сопел Лаваля, причем конструктивные параметры устройства и их соотношения выбирают из условия требуемой производительности тепловой энергии.
Совместное использование эффекта ЭГД’удара | установки в системе очистки сточных вод, | |||||||||||
и эффекта кавитации позволяет получить | поскольку благодаря малозатратной и мощной | |||||||||||
малозатратным способом тепловую энергию из | ударной кавитации происходит выделение газов, | |||||||||||
внутренней энергии жидкости. Простейшая | например, углеводородов и Н2, из сточных вод и | |||||||||||
конструкция и принцип работы такого | дробление частиц в потоке жидкости, ее | |||||||||||
кавитационного ЭГД’теплогенератора пояснены | обеззараживание, а в сочетании с вихревым | |||||||||||
на Рис. 2. |
|
|
|
|
|
| сепаратором | обеспечивается | удаление и | |||
|
|
|
|
|
|
| переработка сопутствующих отходов из этих | |||||
Устройство проверено ранее на макете в | сточных вод в топливные газы. |
| ||||||||||
лабораторных условиях. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||
|
|
|
|
|
|
| Рассмотрим эти методы преобразования энергии | |||||
б)бестопливное малозатратное | получение | ЭГД’эффекта подробнее. |
|
| ||||||||
механической энергии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
| Способы регулирования силы, давления и | |||||
Энергию | электрогидравлического | удара | мощности | ЭГДCудара | и | применение | ||||||
жидкости в рабочей камере можно достаточно | электрогидродинамических преобразователей | |||||||||||
просто преобразовать в механическую энергию |
|
|
|
|
|
| ||||||
движения жидкости, например, в экономичных | Как | эффективно управлять параметрами | ||||||||||
бестопливных электроразрядных турбинах, | электрогидродинамического удара (ЭГД’удара) | |||||||||||
насосах и иных движителях нового поколения. | и процессами преобразования его энергии в иные | |||||||||||
(Рис. 3,4,5) |
|
|
|
|
|
| виды энергии? Это сделать, на наш взгляд, | |||||
|
|
|
|
|
|
| технически достаточно просто [7]. |
| ||||
в) бестопливное малозатратное получение |
|
|
|
|
|
| ||||||
электроэнергии |
|
|
|
|
| Регулирование мощности, интенсивности и | ||||||
|
|
|
|
|
|
| периодичности электрогидравлического удара и | |||||
В простейшем случае это комбинация | давления в жидкости на рабочий орган | |||||||||||
электроимпульсной | водяной | турбины и | обеспечивается | изменением | параметров | |||||||
электрического генератора на ее валу или | электрического разряда, например, амплитуды и | |||||||||||
получение | пара | посредством | ЭГД’ | частоты электрических импульсов [2]. Этот | ||||||||
теплогенератора и последующее преобразование | способ заключается в осуществлении внутри | |||||||||||
его тепловой энергии, например, стандартным | объема жидкости, в рабочей камере, | |||||||||||
турбогенератором. Возможны и иные методы, | регулируемых по мощности высоковольтных | |||||||||||
получения электроэнергии, например, прямым | электрических разрядов с образованием вокруг | |||||||||||
электрогидродинамическим способом | при | зоны разряда гидравлических давлений пара, | ||||||||||
условии импульсной электрической зарядки | вместе с жидкостью передающих эти удары на | |||||||||||
нейтральных | жидкостей |
|
| или | размещенный в рабочей камере рабочий орган, | |||||||
магнитогидродинамическим способом при | например, водяную турбину. |
|
| |||||||||
условии достаточной электропроводности |
|
|
|
|
|
| ||||||
жидкости. |
|
|
|
|
|
| Таким образом, регулировать силу, частоту и | |||||
|
|
|
|
|
|
| длину перемещения рабочего органа, например, | |||||
г) одновременное бестопливное малозатратное | поршня электрогидродинамического насоса, | |||||||||||
получение | тепловой, | механической | и | двигателя, или скорость вращения и мощность | ||||||||
электрической энергии |
|
|
|
|
| на валу необычной электрогидротурбины можно | ||||||
|
|
|
|
|
|
| изменением |
| частоты | и | мощности | |
Цель достигается комбинацией методов и | высоковольтных электрических разрядов в | |||||||||||
устройств по вышеперечисленным методам п.п. | жидкости. |
|
|
|
| |||||||
а)’в). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Причем, в ряде вариантов момент возникновения | |||||
д) сжигание любых жидкостей и диссоциация | электрического | разряда | в | жидкости | ||||||||
пара ЭГД’методом, превращение его в топливный | синхронизируют с положением рабочего органа. | |||||||||||
водородосодержащий | газ с последующим | Эта | синхронизация подачи | импульсов | ||||||||
сжиганием |
|
|
|
|
|
| напряжения, вероятно, требуется в необычных | |||||
|
|
|
|
|
|
| электроводяных поршневых насосах, двигателях. | |||||
е) малозатратная эффективная очистка сточных | Частоту и мощность возвратно’поступательного | |||||||||||
вод и одновременное получение топливного газа | движения свободно’ходового поршня такого | |||||||||||
|
|
|
|
|
|
| бестопливного электроводяного двигателя | |||||
Возможно и эффективное применение такой | осуществляют путем регулирования частоты и | |||||||||||
оригинальной электрогидродинамической | мощности поочередных электрогидравлических | |||||||||||
Кавитационный генератор своими руками чертежи устройство
Плотно занимаясь вопросами утепления и отопления дома, мы часто сталкиваемся с тем, что появляются какие-то чудо-приборы или материалы, которые позиционируются как прорыв века. При дальнейшем изучении оказывается, что это очередная манипуляция. Яркий тому пример кавитационный теплогенератор. В теории все получается очень выгодно, но пока на практике (в процессе полноценной эксплуатации) доказать эффективность прибора не удалось. То ли времени не хватило, то ли не все так гладко.
Критический взгляд на кавитационный теплогенератор
С позиции обычного пользователя кавитационный теплогенератор вызывает некоторое недоверие. Такова уж природа человека. По заявлениям изобретателей этот прибор выдает КПД в 300%. То есть агрегат, потребляя 1 кВт электрической энергии, выдает 3 кВт тепловой. Но так ли это на самом деле?
На уважаемых форумах нагрев воды кавитацией считают возможным, но эффективность этого процесса не превышает 60%. А по факту, это новшество всерьез никто не воспринимает. Да, на кавитационный теплогенератор есть патент, но это еще ничего не значит. Например, на краску-утеплитель тоже есть сертификаты и некоторые подрядчики даже пролоббировали возможность утеплять ею фасады многоэтажек в рамках государственной программы. Вот только после такого утепления люди оббили пороги судов, чтобы вернуть потраченные деньги, так как эффективность жидкой теплоизоляции не подтвердилась на практике.
Изобретатель может получить на свое детище патент, который в случае успешного внедрения будет приносить доход. Но это не дает гарантии, что прибор будет в будущем работать по заявленному алгоритму. Также нет гарантий, что его будут выпускать серийно.
При замере эффективности опытных образцов использовался какой-то хитрый способ вычисления КПД, понять который простому смертному не дано. Конкретики мало, сплошное замыливание глаз. Грубо говоря, все гладко только в теории. Если образец 100% рабочий, то почему ученым еще не присвоена Нобелевская премия?
На множественных форумах нам не удалось найти ни одного человека, который бы отапливал свой дом кавитационным генератором. Нет реальных доказательств его эффективности. В сети можно найти видео про этот прибор, но толкового объяснения, что и как работает – нет, все вокруг да около и крайне неубедительно. Мы считаем, что данный метод обогрева дома не стоит внимания.
Что такое кавитация
Кавитация – это негативное явление, которое возникает из-за перепада давления в жидкости. Когда давление воды понижается до значения давления насыщенного пара – это приводит к вскипанию. Это когда жидкость частично переходит в состояние пара, то есть образуются пузырьки. Когда давление повышается до уровня выше значения насыщенного пара – пузырьки лопаются. В результате всхлопывания возникают локальные волны давления до 7 тыс. бар. Эти волны давления и называются кавитацией.
Для утепления мансарды изнутри минватой своими руками нужно использовать паробарьеры.
Это касается и технологии утепления крыши изнутри минватой. Но кроме пароизоляции еще используется гидробарьер.
Последствия кавитации:
- эрозия металлов;
- питтинговая коррозия;
- появление вибраций.
Изобретатели кавитационного генератора уверяют, им удалось извлечь из негативного явления пользу.
Сделать своими руками?
Вы можете купить готовый кавитационный теплогенератор, но сделать это устройство своими руками по чертежам вряд ли получиться. В лучшем случае выйдет шумная машина, в которой кавитации не будет. Кроме этого, перед тем как что-то сделать, нужно задать себе вопрос: «Зачем?». Есть масса способов обогреть дом:
Последствия кавитации.
Не верьте тем, кто говорит, что сделать кавитационные теплогенераторы своими руками легко и просто, потратив две копейки. Это не так. Вы потратите только свое время и не получите взамен ничего, кроме разочарования.
Выбор материалов для утепления кровли изнутри минватой относительно невелик.
По сравнению со скатной крышей, утепление чердачного перекрытия минватой является более простым процессом.
Вот на видео ниже пример того, как народный умелец сделать данный прибор. Как думаете, можно им обогреть хоть что-нибудь?
Усовершенствованный кавитационный котел — Infinity SAV
Infinity SAV проводит исследования в области гидродинамической кавитации с целью разработки кавитационного котла — устройства, используемого для эффективного нагрева воды.
Кавитационный котел использует кавитационный нагрев масла с помощью вихревого кавитатора в первом контуре и предназначен для производства горячей воды заданной температуры на выходе из вторичного контура. Никакие другие нагревательные элементы, инструменты или методы не используются в системе кавитационного нагрева, за исключением самого процесса кавитации.
Кавитация относится к процессу образования пузырьков пара, называемых «пустотами» в водяном столбе, которому способствует постепенное снижение давления воды при высоких расходах.
Образование полостей или карманов, заполненных паром, также может быть вызвано акустическими волнами или лазерным импульсным излучением.
Закрытые воздушные карманы или «кавитационные карманы», перемещаемые водой в области высокого давления и схлопывающиеся, могут генерировать интенсивные ударные волны.
Природа явления «кавитации» аналогична кипению жидкости.Однако давление воды и давление пузырьков пара, равные и средние значения во время процесса кипения, различны для процесса кавитации, где давление воды выше среднего и выше давления пара.
Однако падение давления происходит локально.
При создании благоприятных условий молекулы парогазов улетучиваются в полость из окружающей водной среды.
Этот процесс протекает с высокой интенсивностью, так как температура в полостях достигает 1200 ° C из-за постоянного расширения и сжатия пузырьков.
Кавитационный котел состоит из электродвигателя и вала с ротором. Кожух котла выполняет роль статора. Ротор
выполнен в виде диска с множеством глухих отверстий, «ячеек» определенного диаметра и глубины на его поверхности.
«Ячейки» ротора позволяют создавать турбулентность для образования полостей в водной среде, которая находится в постоянном контакте с поверхностью подвижного и неподвижного цилиндра.
В этом же промежутке нагревается жидкость. Для эффективной работы котла минимальный поперечный размер ротора должен быть не менее 30 см, частота вращения около 10000 об / мин.
Первичным теплоносителем в кавитационной системе является техническое масло специальной марки с заданной температурой нагрева масла. установить на панели управления.
Кавитационные процессы позволяют быстро нагревать масло до 100 ° C и выше, при этом диапазон температур кипения для технических составляет 300–320 ° C.
Поскольку при кавитации невозможно достичь температуры воспламенения масла, такая кавитационная система полностью безопасна.
Кавитационный котел может быть подключен непосредственно к водопроводу или использоваться с накопительным баком для нагретой воды.
Температура воды в кавитационном котле регулируется автоматическим клапаном путем изменения расхода вторичного контура.Температуру воды на выходе можно регулировать в диапазоне от 50 до 90 ° C.
По сравнению с устройствами прямого электрического нагрева кавитационный котел имеет большее отношение полезной тепловой мощности к мощности, потребляемой от электрической сети, превышающее значение 1.
Что такое кавитация насоса и как ее предотвратить?
Кавитация — обычная проблема центробежных насосов. Если вы слышите странные звуки, исходящие от вашего насоса, скорее всего, проблема в кавитации. Но что такое кавитация? И как вы можете предотвратить это? Читай дальше что бы узнать.
Что такое кавитация насоса?
Чтобы понять, как предотвратить кавитацию насоса, важно хорошо понимать, в чем проблема и как она возникает. Есть несколько типов кавитации, которые мы обсудим ниже, но процесс аналогичен.
Определение кавитации: Кавитация — это образование и накопление пузырьков вокруг рабочего колеса насоса. Он имеет тенденцию образовываться в жидкостях любой вязкости, когда они перемещаются через насосную систему и вокруг нее.Когда каждый из этих крошечных пузырьков схлопывается или лопается, он создает внутри жидкости ударную волну высокой энергии. Представьте, что вы бросаете камень в пруд. Круговая рябь, возникающая в этом процессе, похожа на взрыв кавитационных пузырей. Разница здесь в том, что из-за огромного количества пузырьков, создающих эти ударные волны, рабочее колесо и другие компоненты насоса могут со временем разрушаться.
Типы кавитации
Существует пять различных типов кавитации. Это важно понимать, когда мы рассматриваем способы предотвращения кавитации.
Типы кавитации:
1. Испарение: Это наиболее распространенная форма, также известная как кавитация недостаточного NPSHa или «классическая кавитация». Это происходит, когда центробежный насос сообщает скорость жидкости, когда она проходит через проушину рабочего колеса. Если крыльчатка не работает должным образом, часть жидкости может быстро закипеть (испариться), создавая те крошечные ударные волны, которые мы обсуждали выше.
2. Турбулентность: Если части системы — трубы, клапаны, фильтры, колена и т. Д.- не соответствуют количеству или типу перекачиваемой жидкости, это может привести к образованию вихрей в указанной жидкости. По сути, это приводит к тому, что жидкость становится турбулентной и испытывает перепады давления повсюду. Эти различия могут со временем разрушить твердые материалы, точно так же, как река размывает землю.
3. Синдром лопасти: Также известный как «синдром прохождения лопасти», этот тип кавитации возникает, когда либо рабочее колесо имеет слишком большой диаметр, либо корпус имеет слишком толстое покрытие.Любой из них или оба создают меньше места внутри самого корпуса. Когда это происходит, небольшое количество свободного пространства создает повышенную скорость жидкости, что, в свою очередь, приводит к более низкому давлению. Это более низкое давление нагревает жидкость, создавая кавитационные пузырьки.
4. Внутренняя рециркуляция: В этом случае насос не может нагнетать с надлежащей скоростью, поэтому жидкость рециркулирует вокруг рабочего колеса. Жидкость проходит через зоны низкого и высокого давления, в результате чего возникает тепло и высокая скорость.Конечный результат? Пузыри испарения. Частая причина этого — закрытие нагнетательного клапана во время работы насоса.
5. Кавитация при аспирации воздуха: Еще одна распространенная форма. Иногда воздух может попадать в насос через неисправные клапаны или другие слабые места, такие как уплотнительные кольца. Попав внутрь, воздуху некуда деваться, кроме как отправиться в путь. Когда жидкость вращается, воздух образует пузырьки, которые затем лопаются под давлением крыльчатки.
Симптомы кавитации
Как и в случае с любой структурной или механической проблемой, важно иметь надежный процесс обслуживания.Проверка компонентов и производительности вашего насоса — отличный способ определить ранние предупреждающие признаки кавитации.
Результатом кавитации может быть один или несколько следующих симптомов:
- Пониженный расход или давление: Если ваш насос не производит объем потока, указанный производителем, это может означать, что имеет место кавитация.
- Неожиданные вибрации: Кавитация может вызывать необычные вибрации, не связанные ни с используемым оборудованием, ни с перекачиваемой жидкостью.
- Эрозия рабочего колеса: Кусочки рабочего колеса в системе или эродированные детали являются верным признаком кавитации.
- Отказ уплотнения / подшипника: Кавитация также может вызвать утечку или выход из строя уплотнений.
- Неустойчивое потребление энергии: Если вокруг рабочего колеса образуются пузырьки или оно уже начало выходить из строя, вы можете заметить, что вашему насосу требуется больше энергии, чем обычно, для транспортировки рабочей среды. Вы также можете заметить колебания потребляемой мощности по мере увеличения и уменьшения всасывания в зависимости от того, как работает крыльчатка.
- Шум: Если есть один признак кавитации, это шум. Когда пузыри лопаются, они могут издавать серию булькающих, трескучих звуков. В качестве альтернативы это может звучать как крошечные шарики или шарикоподшипники, дребезжащие внутри корпуса крыльчатки.
В дополнение к вышесказанному, работа центробежного насоса в крайнем правом углу BEP (или за пределами кривой) может вызвать кавитацию. При увеличении расхода также увеличивается требуемый чистый положительный напор на всасывании (NPSHr), а когда NPSHr превышает имеющийся чистый положительный напор на всасывании (NPSHa), возникает кавитация.
Как предотвратить кавитацию
Теперь, когда вы знаете, что искать, и понимаете различные типы кавитации, с которыми вы можете столкнуться, вы можете сформулировать план по предотвращению кавитации, сэкономив большие средства на обслуживании и замене деталей.
Помните пять различных форм кавитации? Давайте посмотрим, как предотвратить каждую из них.
Кавитация при испарении
Попробуйте следующее:
- Уменьшите скорость двигателя (об / мин).Примечание. Замедление откачки приведет к снижению расхода и напора.
- Установить крыльчатку индуктора
- Включите подкачивающий насос в вашу насосную систему. Это снимет нагрузку с вашего основного насоса.
- По возможности снизьте температуру помпы, жидкости и / или других компонентов.
- Увеличьте уровень жидкости в области всасывания.
- Если возможно, попробуйте увеличить диаметр проушины в центре крыльчатки.
Турбулентная кавитация
Профилактические меры:
- Оцените все компоненты, чтобы убедиться, что они выдерживают нагрузку от скорости потока, объема и свойств транспортируемой жидкости.При необходимости замените компоненты.
- Убедитесь, что вы не превышаете рекомендации производителя вашей помпы. Насосная система, которую слишком сильно толкают, неизбежно выйдет из строя. Например, запуск насоса за пределами кривой производительности. Лучше всего увеличить
- Увеличьте размер всасывающей линии насоса, чтобы уменьшить турбулентность
Синдром лопаточного синдрома Кавитация
Предотвратить прохождение лопатки или кавитацию при синдроме лопасти относительно просто. Убедитесь, что свободное пространство между рабочим колесом и его корпусом составляет 4% диаметра рабочего колеса или более.Чуть меньше — и начнется кавитация.
Внутренняя рециркуляционная кавитация
Чтобы предотвратить этот тип кавитации, выполните следующие действия:
- Откройте клапан ограниченного нагнетания вашего насоса и осмотрите его на предмет засоров.
- Очистите выходной фильтр от мусора или скоплений.
- Убедитесь, что обратный клапан установлен правильно. Распространенной ошибкой при установке является установка этого клапана обратной стороной.
- Проверьте нагнетательный клапан и убедитесь, что он открыт, а не закрыт.
- Оценить давление в нагнетательной линии. Если есть проблема с давлением напора, то возможно, что жатка не подходит для работы и нуждается в замене, или система работает рядом с запорной головкой.
Кавитация аспирации воздуха
Это может быть сложно предотвратить. Даже малейшее количество воздуха, всасываемого в систему, со временем может вызвать кавитацию.Лучше всего выполнить установку с помощью гребешка с мелкими зубьями, чтобы убедиться, что все стыки и соединения надежно герметизированы.
Предотвратить этот тип кавитации можно с помощью:
- Регулярно проверяйте уплотнительные кольца на всасывающих трубопроводах, чтобы убедиться, что они не погибли.
- Определите, вызывает ли пенообразующая жидкость скопление пузырьков. В этом случае запускайте систему медленнее или периодически очищайте ее от всего содержимого, включая воздух.
- Проверьте все уплотнительные кольца и вторичные механические уплотнения.
- Убедитесь, что на всех трубах нет трещин или следов эрозии.
- Убедитесь, что все материалы системы способны работать с жидкостью, которую вы собираетесь транспортировать. Вязкие, абразивные или кислые жидкости могут разъедать материалы до такой степени, что воздух может попасть в систему.
- Регулярные проверки клапанов, соединений и всего остального, что может показаться вероятным в какой-то момент выйти из строя. Как только что-нибудь покажет признаки неисправности, замените.
Предотвращение кавитации критически важно для здоровой помпы
Предотвращая кавитацию, вы значительно увеличите эффективность и срок службы вашего насоса.Помните, что профилактика стоит тысячи лекарств, поэтому найдите время, чтобы провести тщательную программу обслуживания, и она спасет вас в долгосрочной перспективе.
Если вам нужна помощь в определении компонентов, необходимых для вашей системы, не стесняйтесь обращаться к одному из наших экспертов по насосам. Будьте уверены, что вы получите лучший совет от Global Pumps, самого надежного поставщика промышленных насосов в Австралии.
Обнаружение неисправного насоса до того, как это станет серьезной проблемой: узнайте о Мониторинг состояния насосов и другого вращающегося оборудования .Global Pumps предоставляет новейшую технологию удаленного мониторинга состояния, доступную в Австралии.
Предотвращение кавитации насоса в вашей системе нагрева теплоносителя
Кавитация значительно увеличивает износ ваших гидравлических насосов и регулирующих клапанов, что приводит к сокращению срока службы машины и низкой эффективности потока. Таким образом, предотвращение дорогостоящих последствий кавитации насоса в системах нагрева теплоносителя или горячего масла во многом зависит от знания того, как диагностировать и предотвращать это.
Что такое кавитация?
Кавитация возникает, когда воздух, пар или пары теплоносителя захватываются жидкостью. Результатом является помпаж насоса, и это следует исправить как можно скорее.
Процессы на водной основе — одна из наиболее частых причин кавитации. Жидкая вода и водяной пар содержат одинаковое количество молекул. Однако молекулы водяного пара имеют более высокий уровень энергии, что увеличивает объем, необходимый для их безопасного содержания. Если кипящие пузырьки лопаются из-за недостаточного давления, они создают энергетическую ударную волну, которая вызывает помпаж насоса или кавитацию.
КАК ДИАГНОСТИКА И УСТРАНЕНИЕ КАВИТАЦИИ В СИСТЕМАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАГРЕВА
К счастью, кавитация проявляет явные предупреждающие признаки, прежде чем она станет проблемой, угрожающей предприятию. Некоторые из симптомов кавитации включают
- Пониженный расход или давление: Когда насос производит меньший объем потока или давление, чем ожидалось, это может быть результатом образования полостей во внутренних компонентах.
- Шум: Кавитация может вызвать треск или треск в вашем оборудовании.Кавитация корпусов крыльчатки может звучать так, как будто в них вращаются незакрепленные шариковые подшипники.
- Неожиданные вибрации: Большинство насосов и оборудования испытывают некоторую степень вибрации во время работы; однако резкие или неожиданные вибрации могут быть результатом кавитации.
- Неисправность уплотнения или подшипника: Если вам необходимо заменить вышедшие из строя или протекающие уплотнения раньше или чаще, чем ожидалось, вероятной причиной является кавитация.
ВИДЫ КАВИТАЦИИ
Кавитация может возникать как в системах с теплоносителем, так и в системах с горячим маслом, и каждый тип имеет свои уникальные симптомы и причины.Несколько распространенных типов кавитации включают:
- Испарение: Также известное как классическая кавитация, испарение происходит при увеличении скорости и понижении давления, что приводит к кипению и испарению жидкости в насосе
- Всасывание воздуха: Этот тип кавитация возникает из-за различных проблем, связанных с всасыванием воздуха в насос или трубопровод
- Турбулентность: Турбулентные потоки могут возникать, когда такие элементы конструкции, как острые изгибы, неадекватные трубопроводы / фильтры / сетчатые фильтры или другие ограничения потока в системе, создают завихрения на всасывании насоса
КАК ПРЕДОТВРАТИТЬ ИЛИ ИСПРАВИТЬ КАВИТАЦИЮ
Есть много способов исправить кавитацию.Мы излагаем их ниже вместе с некоторыми общими рекомендациями о том, как в первую очередь предотвратить кавитацию:
- Правильный насос и правильная работа: Используйте лучший насос для вашего конкретного применения и запускайте его с максимальной эффективностью (BEP) .
- Более низкие рабочие температуры: Уменьшайте рабочие температуры по мере увеличения высоты над уровнем моря, чтобы предотвратить закипание.
- Надлежащие уровни NPSH: Поддерживайте надлежащие уровни чистого положительного напора на всасывании (NPSH), придерживаясь следующей формулы: NPSHa> NPSHr + 3 фута (или немного больше для запаса прочности), где NPSHa = абсолютное NPSH и NPSHr = требуется NPSH.
Поскольку компоненты насоса со временем изнашиваются или получают повреждения в результате кавитации, соблюдение этих рекомендаций может стать более трудным. В этих обстоятельствах может быть лучше рассмотреть вопрос о замене насосов и связанных с ними деталей в вашей системе.
ЧЕМ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВЫХ ЖИДКОСТЕЙ МОГУТ ДЕЛАТЬ ДЛЯ ВАС? Опытный персонал
Thermal Fluid Systems может помочь вам диагностировать кавитацию в ваших системах технологического нагрева. Мы можем предложить решения, предотвращающие и устраняющие кавитацию в ее источнике.Мы опираемся на более чем 40-летний опыт и можем порекомендовать и установить правильные насосы, клапаны и аксессуары для вашей работы. Наша цель — предоставить высококачественное обслуживание и запасные части для вашей системы масляного отопления.
Свяжитесь с нами, чтобы узнать больше о том, как Thermal Fluid Systems может помочь вам предотвратить или устранить кавитацию насоса на вашем предприятии.
Новый шокирующий насос | NASA Spinoff
Инженеры НАСА хорошо известны своим умением преодолевать препятствия, возникающие при разработке космических миссий; но они также могут предложить решения для более простых проблем.Просто спросите компанию Hydro Dynamics, Inc. из Рима, штат Джорджия, которая получила помощь от Центра космических полетов им. Маршалла.
Запатентованное компанией
Hydro Dynamics устройство Hydrosonic Pump ™ (HPump) постоянно сталкивалось с проблемами с подшипниками, необходимыми для работы ротора внутри устройства. В поисках ответа на вопрос, как решить проблему и сделать устройство товарным, Hydro Dynamics обратилась к Маршаллу. Благодаря соглашению о передаче технологии ученые и инженеры Marshall смогли изучить и проанализировать проблему и предложить некоторые решения для компании.
Испытания, проведенные Hydro Dynamics, показали, что ротор генерирует высокие температуры во время работы насоса. Используемые подшипники не выдерживали высоких температур. НАСА рекомендовало перейти на подшипники, корпуса и монтажное оборудование, которое могло выдержать нагрузку, оказываемую на них из-за высокого уровня выделяемого тепла.
Благодаря инженерным решениям Маршалла, Hydro Dynamics смогла вывести насос HPump на рынок. HPump разработан для более энергоэффективного нагрева жидкостей.Запатентованная технология преобразует механическую энергию в тепловую с высоким КПД.
Секрет успеха HPump, по словам изобретателя, заключается в использовании ударных волн для производства тепла, а не в электрических нагревательных элементах или ископаемом топливе. Эффект ударной волны обычно называют «гидроударом» и обычно считают проблемой, которую необходимо устранить. Основатель Hydro Dynamics Джим Григгс начал свои исследования по использованию преимуществ «гидравлического удара» в 1985 году и основал Hydro Dynamics пятью годами позже.
Ротор внутри насоса высокого давления создает ударные волны, которые, в свою очередь, генерируют миллионы микроскопических пузырьков внутри жидкости. Когда пузырьки схлопываются, выделяется тепло, создавая эффект нагрева «внутри жидкости», а не от внешней поверхности. Традиционные технологии передают тепло жидкостям с использованием высокотемпературных металлических поверхностей или пламени. Это вызывает большую разницу температур между источником тепла и жидкостью, заставляя примеси накапливаться на более горячей поверхности источника тепла.Это накопление примесей называется «накипью», которая может снизить эффективность нагрева. Теперь, после многих лет разработки и некоторой помощи НАСА в решении проблемы подшипников, Hydro Dynamics предоставляет сбережения отраслям, которые нуждаются в немасштабируемом нагревательном устройстве.
Преимущества технологии, используемой в насосе HPump, могут быть применены во многих отраслях промышленности. В настоящее время он используется в целлюлозно-бумажной, нефтяной, химической промышленности и в сфере очистки окружающей среды. Hydro Dynamics также видит будущее применение в разработке отопления без сжигания за счет использования энергии ветра.
Hydrosonic ™ Pump является товарным знаком Hydro Dynamics, Inc.
Устранение неисправностей центробежных насосов — кавитация насоса, как избежать
Есть помпа, которая издает хлопки или звучит так, будто качает шарики? Если это так, возможно, у вас проблема с кавитацией. Кавитация насоса может вызвать ряд проблем для вашей насосной системы, включая чрезмерный шум и потребление энергии, не говоря уже о серьезном повреждении самого насоса.
Что такое кавитация насоса?
Проще говоря, кавитация — это образование пузырьков или полостей в жидкости, возникающих в областях относительно низкого давления вокруг рабочего колеса.Взрыв или схлопывание этих пузырьков вызывает сильные ударные волны внутри насоса, вызывая значительные повреждения рабочего колеса и / или корпуса насоса.
Кавитация насоса, если ее не лечить, может вызвать:
- Неисправность корпуса насоса
- Разрушение рабочего колеса
- Чрезмерная вибрация, ведущая к преждевременному выходу из строя уплотнения и подшипника
- Энергопотребление выше необходимого
- Пониженный расход и / или давление
Есть два типа кавитации насоса: всасывающий и нагнетательный.
Кавитация на всасывании
Когда насос находится в условиях низкого давления или высокого вакуума, возникает кавитация на всасывании. Если насос «истощен» или не получает достаточного потока, пузырьки или полости образуются у проушины рабочего колеса. По мере того, как пузырьки переносятся на нагнетательную сторону насоса, условия жидкости изменяются, сжимая пузырь в жидкость и заставляя его взорваться о поверхность рабочего колеса.
В рабочем колесе, пострадавшем от всасывающей кавитации, не хватает больших или очень маленьких кусочков материала, что делает его похожим на губку.Повреждение крыльчатки появляется вокруг проушины крыльчатки при наличии всасывающей кавитации.
Возможные причины всасывающей кавитации:
- Засоренные фильтры или сетчатые фильтры
- Засор в трубе
- Насос работает слишком далеко вправо на кривой насоса
- Неправильная конструкция трубопровода
- Плохие условия всасывания (требования NPSH)
Кавитация на выходе
Когда давление нагнетания насоса чрезвычайно велико или работает менее 10% от точки наилучшего КПД (BEP), возникает кавитация на нагнетании.Высокое давление нагнетания затрудняет выход жидкости из насоса, поэтому она циркулирует внутри насоса. Жидкость протекает между крыльчаткой и корпусом с очень высокой скоростью, вызывая разрежение на стенке корпуса и образование пузырьков.
Как и в случае всасывающей кавитации, взрыв этих пузырьков вызывает интенсивные ударные волны, вызывая преждевременный износ наконечников рабочего колеса и корпуса насоса. В крайних случаях кавитация на нагнетании может привести к поломке вала рабочего колеса.
Возможные причины кавитации разряда:
- Засорение трубы на напорной стороне
- Засоренные фильтры или сетчатые фильтры
- Слишком левый ход на кривой насоса
- Неправильная конструкция трубопровода
Предотвращение кавитации
Если в насосах наблюдается кавитация, проверьте эти вещи, чтобы устранить проблему самостоятельно:
- Проверьте фильтры и сетчатые фильтры — засорение на стороне всасывания или нагнетания может вызвать дисбаланс давления внутри насоса
- Обратитесь к кривой насоса — Используйте манометр и / или расходомер, чтобы понять, где ваш насос работает на кривой.Убедитесь, что он работает с максимальной эффективностью. Работа насоса с максимальной эффективностью приводит не только к избыточной рециркуляции, ожидаемому чрезмерному нагреву, радиальным нагрузкам, вибрации, высоким температурам уплотнения и снижению эффективности.
- Пересмотрите конструкцию трубопровода. — Убедитесь, что путь, по которому жидкость попадает в насос и из него, идеально подходит для условий эксплуатации насоса. Конструкции с перевернутой буквой «U» на стороне всасывания могут задерживать воздух, а конструкции с углом 90 ° непосредственно перед насосом могут вызвать турбулентность внутри насоса.И то, и другое приводит к проблемам со всасыванием и кавитации в насосе.
Для получения дополнительной информации о том, как обнаруживать и предотвращать кавитацию насоса, обязательно ознакомьтесь с нашим постом: Технологии обнаружения и предотвращения кавитации в насосе.
Кавитация — распространенная проблема в насосных системах, но при правильном выборе размеров насоса, конструкции труб и уходе за фильтрами и сетчатыми фильтрами можно в значительной степени избежать повреждения насосов и их рабочих колес.
Gorman Rupp Pumps использует демонстрационный насос со стеклянным покрытием для обучения групп навыкам кавитации.Посмотрите это в действии ниже.
Решаете проблему кавитации? Спросите нас об этом! Мы с радостью предоставляем техническую помощь предприятиям в Висконсине, Миннесоте, Айове и Верхнем Мичигане.
КАВИТАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — Aho Richard E.
Эта заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США № 62 / 162,970, поданной 18 мая 2015 г. и озаглавленной CAVITATION ENGINE, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.
Настоящее раскрытие относится к кавитационным двигателям.Более конкретно, изобретение относится к конструкциям кавитационного двигателя, которые генерируют пар из жидкой воды, подаваемой в двигатель, таким образом, чтобы обеспечить повышенную эффективность обычных устройств для генерации пара.
Желательно усовершенствовать конструкцию двигателей или аналогичных устройств, вырабатывающих пар из воды, подаваемой в двигатель. Обычные двигатели или подобные устройства, которые преобразуют жидкую воду в пар, неэффективны с точки зрения использования энергии.
Настоящее раскрытие относится к более энергоэффективным конструкциям двигателя, сконфигурированным для впрыска жидкой воды в контролируемом режиме, чтобы способствовать образованию кавитационных пузырьков внутри нагнетаемой воды, и для воздействия впрыскиваемой воды на ударную поверхность ударной камеры для подавления кавитации. пузыри для генерации перегретого пара под очень высоким давлением, который можно использовать для выработки электроэнергии или иным образом использовать в качестве выхода энергии.
Кавитационные двигатели в соответствии с настоящим изобретением сконфигурированы для производства перегретого пара высокого давления из впрыскиваемой жидкой воды.
В одном аспекте кавитационный двигатель согласно раскрытию включает в себя ударную камеру, имеющую ударную поверхность, имеющую температуру не менее 375 градусов по Фаренгейту, и инжектор жидкости, имеющий выпускное отверстие, расположенное для впрыскивания гипербарической жидкой воды на ударную поверхность ударная камера со сверхзвуковой скоростью, при которой в нагнетаемой воде присутствуют кавитационные пузырьки.Выходное отверстие инжектора жидкости и ударная поверхность расположены относительно друг друга таким образом, что выходное отверстие находится на расстоянии от ударной поверхности от 0,150 до 0,450 дюйма, а впрыскиваемая вода попадает на ударную поверхность под углом от 85 до 95. градусов. Воздействие воды на ударную поверхность разрушает кавитационные пузырьки в нагнетаемой воде, создавая давление выше 1000 фунтов на квадратный дюйм и создавая перегретый пар.
В другом аспекте кавитационный двигатель согласно раскрытию включает в себя ударную камеру в форме воронки, имеющую ударную поверхность, имеющую температуру не менее 375 градусов по Фаренгейту, отверстие малого диаметра в нижней части ударной камеры и камеру расширения под ней. отверстие малого диаметра.Двигатель включает в себя инжектор для жидкости, имеющий выходное отверстие, расположенное рядом с наибольшим диаметром ударной камеры и расположенное для нагнетания гипербарической жидкой воды на ударную поверхность ударной камеры со сверхзвуковыми скоростями, так что в нагнетаемой воде присутствуют кавитационные пузырьки. Выходное отверстие инжектора жидкости и ударная поверхность расположены относительно друг друга таким образом, что выходное отверстие находится на расстоянии от ударной поверхности от 0,150 до 0,450 дюйма, а впрыскиваемая вода попадает на ударную поверхность под углом от 85 до 95. градусов.Кавитационные пузырьки в нагнетаемой воде разрушаются при ударе нагнетаемой воды о поверхность удара, и температура газов внутри кавитационных пузырьков быстро увеличивается, создавая перегретый пар и давление. Давление выталкивает перегретый пар через отверстие малого диаметра ударной камеры.
Дополнительные преимущества раскрытия становятся очевидными из ссылки на подробное описание при рассмотрении вместе с фигурами, которые не в масштабе, чтобы более четко показать детали, при этом одинаковые ссылочные позиции указывают на одинаковые элементы на нескольких видах, и где:
ФИГ.1 представляет собой вид в перспективе кавитационного двигателя согласно раскрытию.
РИС. 2 — вид спереди кавитационного двигателя по фиг. 1, с частичным вырезом для демонстрации внутренних деталей.
РИС. 3 — вид в разрезе по линии A-A на фиг. 2.
РИС. 4 — подробный вид части фиг. 3.
РИС. 5 — вид сверху кавитационного двигателя по фиг. 1.
РИС. 6 — вид снизу кавитационного двигателя по фиг. 1.
РИС.7 — прозрачный вид в перспективе кавитационного двигателя, показанного на фиг. 1.
РИС. 8 — прозрачный вид спереди кавитационного двигателя по фиг. 1.
ФИГ. 9-19 показаны различные виды в поперечном сечении и подробные виды кавитационного двигателя, показанного на фиг. 1.
РИС. 20 — график, показывающий работу кавитационного двигателя согласно раскрытию.
Со ссылкой на чертежи раскрытие относится к паровой машине, в частности к кавитационной машине 100 .Кавитационный двигатель 100 вырабатывает перегретый пар путем нагнетания гипербарической жидкой воды со сверхзвуковой скоростью для создания кавитационных пузырьков внутри нагнетаемой воды. Вода впрыскивается в специально сконфигурированные нагретые ударные камеры , 102, , имеющие ударные поверхности , 102, , и , сконфигурированные для дробления или схлопывания кавитационных пузырьков.
Было обнаружено, что нагнетание воды таким образом, что образует кавитационные пузырьки в воде и ударяет по воде, чтобы раздавить кавитационные пузырьки, генерирует перегретый пар очень высокого давления, который можно использовать для выработки электричества или иным образом использовать в качестве выходной энергии.Питающая вода может иметь температуру окружающей среды, но может быть сначала нагрета, но закачана в виде жидкости.
Ударная камера , 102, предпочтительно сконфигурирована для обеспечения воронкообразной кривизны камеры , 102, , как показано на чертежах, которая открывается в сторону инжектора жидкости с наибольшим размером, ближайшим к инжектору. Было обнаружено, что описанная форма и конфигурация ударной камеры , 102, желательно создают очень высокое давление гидравлического удара во время столкновения водной фракции, которая быстро разрушает кавитационные пузырьки.
Двигатель 100 и ударные камеры 102 включают в себя следующие компоненты, как показано на чертежах:
| Ref. # | Компонент | |
| 1 | Топливная рейка высокого давления | |
| 2 | Датчик термопары | |
| 4 | 4 | |
| 7 | Пружина клапана сброса давления | |
| 8 | Вставка для камеры удара 102 | |
| 9 | Вход для форсунки | |
| 12 | Пьезоэлектрический инжектор 13 | Наружная оболочка ударной камеры 102 |
| 14 | Пробка для регулирования давления | |
| 15 | Погружной термопарный зонд | |
| 16 | Нагреватель | для камеры удара |
| 20 | Медная шайба | |
| 21 | Фиксирующий блок форсунки | |
| 22 | Изолирующий блок форсунки | |
| 25 | Изолирующий блок форсунки | |
| 36 | 904 904 906 | |
Каждая ударная камера 102 предпочтительно предварительно предварительно нагрета до 375 градусов по Фаренгейту.Как только двигатель , 100, заработает, подача энергии для предварительного нагрева может быть прекращена, так как было замечено, что температура ударных камер , 102, останется выше 375 градусов по Фаренгейту из-за работы двигателя. 100 . Например, зонд термопары 2 может быть подключен к цифровому контроллеру для обеспечения желаемого предварительного нагрева.
Под кавитацией здесь подразумевается образование паровых полостей в жидкости.Паровые полости представляют собой небольшие зоны, свободные от кавитации жидкости и имеющие характер пузырьков или пустот, которые являются следствием кавитационных сил, действующих на жидкость. Кавитация возникает, когда жидкость подвергается быстрым изменениям давления, вызывающим образование полостей с относительно низким давлением. При воздействии более высокого давления, как в случае кавитационных двигателей в соответствии с описанием, было замечено, что пустоты взрываются или иным образом раздавливаются и создают интенсивную ударную волну и высокое давление.
Таким образом, будет понятно, что конструкции двигателя в соответствии с раскрытием конфигурируются для приема нагнетаемой воды и для содействия кавитации нагнетаемой воды для создания очень высокого давления, которое можно использовать для выработки электроэнергии или иным образом использовать в качестве выходной энергии. То есть инжектор , 12, нагнетает воду таким образом, что в потоке нагнетаемой воды образуются пузырьки или пустоты, называемые здесь кавитационными пузырьками.
В соответствии с описанием и без каких-либо ограничений теории, считается, что когда закачиваемая вода сталкивается с поверхностью удара 102 a камеры удара 102 , возникает ударная волна, и вода разбивается, чтобы раздавить пузыри, и вода мгновенно превращается в перегретый пар.То есть инжектор 12 работает для образования кавитационных пузырьков в воде, а поверхность удара 102 и взаимодействует таким образом, что кавитационные пузырьки в нагнетаемой воде дробятся при ударе воды о поверхность удара 102 а.
Таким образом, кавитационные двигатели в соответствии с раскрытием изобретения включают (1) впрыск жидкой воды таким образом, чтобы образуются кавитационные пузырьки, и (2) воздействие воды на ударную поверхность таким образом, что кавитационные пузырьки быстро разрушаются при ударе.Закачиваемая вода желательно по существу насыщена кавитационными пузырьками. Такое дробление кавитационных пузырьков вызывает быстрое повышение температуры газов внутри пузырьков и повышение температуры окружающей воды и образующегося пара, что создает перегретый пар высокого давления. Описанные конструкции успешно эксплуатировались для нагнетания воды таким образом, чтобы в результате генерировался перегретый пар высокого давления.
Перегретый пар, образующийся при столкновении впрыскиваемой жидкой воды с поверхностью удара 102 a , направляется через отверстие малого диаметра 102 b в увеличенную область, обеспечивающую камеру расширения 102 c ударной камеры 102 (РИС.13). Клапан сброса давления 6 сохраняет давление до тех пор, пока оно не превысит предварительно установленное давление пружины, после чего клапан 6 позволяет сбросить давление, которое может быть направлено для дальнейшего использования. Например, двигатель , 100, может использоваться для питания электрического генератора и т.п.
Для примера, самый верхний диаметр ударной камеры 102 рядом с форсункой 12 составляет около 1,2 дюйма. Предпочтительный наружный диаметр отверстия малого диаметра для такой ударной камеры равен 0.150 дюймов (соотношение 0,150 / 1,2 = 0,125). Кроме того, было замечено, что желательно, чтобы объем камеры расширения 102 c не превышал объем камеры удара.
Было замечено, что угол падения воды, когда она ударяется о поверхность удара 102 a , и близость поверхности удара 102 a камеры удара 102 к отверстию или выпускное отверстие , 12, , , , жидкостного инжектора , 12, имеет решающее значение для функционирования кавитационного двигателя согласно настоящему изобретению.Давление воды во время нагнетания и размер выходного отверстия 12 a также влияют на скорость нагнетаемой воды. Скорость воды напрямую влияет на ударную волну на ударной поверхности 102 a и результирующее давление гидравлического удара внутри капли, содержащей нанопузырьки пара.
Давление нагнетаемой воды предпочтительно находится в диапазоне от примерно 5000 фунтов на квадратный дюйм до примерно 30000 фунтов на квадратный дюйм, наиболее предпочтительно примерно от 20000 фунтов на квадратный дюйм.Предпочтительные скорости воды находятся в диапазоне от 1500 до 2000 метров в секунду. В случае нагнетания воды под давлением 20000 фунтов на квадратный дюйм используется инжектор с отверстием диаметром 0,005 дюйма, работающий для впрыска воды импульсами 0,295 мл / импульс. Вода, закачиваемая таким образом, имеет скорость 1700 метров в секунду.
Также было обнаружено, что желательно, чтобы угол впрыска инжектора 12 a и угол поверхности удара 102 a были сконфигурированы таким образом, чтобы впрыскиваемая вода попадала на поверхность удара. 102 a под углом A примерно от 85 до 95 градусов и наиболее предпочтительно примерно 90 градусов (ФИГ.18). Таким образом, для разных форсунок, имеющих разный угол впрыска, угол наклона ударной поверхности 102 a ударной камеры 102 a выбирается таким образом, чтобы впрыскиваемая вода попадала на ударную поверхность 102 a под углом около 90 градусов.
Например, как показано на фиг. 18 показана ударная камера , 102, с инжектором , 12, , и , обеспечиваемая гидравлическим инжектором, который впрыскивает воду под углом примерно 35 градусов.Как показано, ударная камера 102 сконфигурирована таким образом, что поверхность удара 102 a находится под углом примерно 35 градусов, так что нагнетаемая вода, представленная линией W, попадает в поверхность удара 102 a под углом около 90 градусов.
Следует понимать, что закачиваемая вода будет подаваться в виде полосы на 360 градусов, и что поверхность удара 102 a также является поверхностью на 360 градусов, поскольку она имеет форму воронки.Однако следует понимать, что впрыскиваемая вода следует по линии распыления, представленной линией W, так что инжектор 12, , , , находится на желаемом расстоянии от ударной поверхности , 102, , , , как более подробно описано ниже.
В другом примере на фиг. На фиг.19 показан инжектор 12, , и , предусмотренный как пьезоэлектрический инжектор дизельного топлива Ford, который впрыскивает воду под углом примерно 15 градусов. Как будет видно, ударная поверхность , 102, , , ориентирована так, что впрыскиваемая вода ударяется о ударную поверхность 102 a под углом примерно 90 градусов.Как будет видно, боковые стенки ударной камеры , 102, ниже ударной поверхности 102 увеличиваются в наклоне, чтобы сузить нижний конец камеры 102 до отверстия малого диаметра 102 b.
Что касается близости выхода форсунки 12 к ударной поверхности 102 a, , можно увидеть, что форсунка 12 оканчивается на выходе 12 , который продолжается в верхнюю часть ударной камеры 102 .Выпускное отверстие 12 a предназначено для впрыскивания жидкой воды на ударную поверхность 102 a. Выходное отверстие 12 a желательно расположить на расстоянии примерно 0,150-0,450 дюйма от ударной поверхности 102 a ударной камеры 102 . Это расстояние от выпускного отверстия 12 a до ударной поверхности 102 a представлено длиной линии W на фиг.18 и 19.
Было замечено, что большие расстояния будут иметь тенденцию рассеивать нагнетаемый поток, и пузырьки пара, присутствующие в потоке, будут потеряны. Важно, чтобы нагнетание воды, насыщенной кавитационными пузырьками, воздействовало на поверхность с максимальной силой, чтобы давление гидравлического удара раздавило пузырьки и высвободило энергию, связанную с схлопыванием пузырьков.
Желательно максимально схлопнуть эти пузырьки для получения наибольшей тепловой энергии, которая является функцией куба соотношения пузырьков (расширенный радиус / сжатый радиус) и произведения степени давления.Считается, что именно поэтому тепло, наблюдаемое при работе двигателя, такое сильное. В связи с этим считается, что ковалентное разделение кислородсодержащего водорода происходит там, где для получения примерно 50% диссоциации требуются температуры, превышающие 3000 ° C. Давление гидроудара падает экспоненциально по мере увеличения расстояния от отверстия форсунки. Угол удара также влияет на давление удара. Размещение форсунки близко к ударной поверхности не имеет смысла с точки зрения технологии горения, но в нашем случае это важно.
Соответственно, будет принято во внимание, что синхронизация, расстояние и геометрия ударной камеры , 102, имеют решающее значение для желаемой работы системы двигателя и выделения тепла. Система двигателя работает при давлении примерно 15000-28000 фунтов на квадратный дюйм. Можно использовать различные диаметры отверстий инжектора, при этом следует понимать, что давление и отверстие определяют степень кавитации в потоке нагнетания.
Время впрыска также влияет на работу двигателя.Желательно, чтобы вода вводилась дискретными импульсами. Ширина каждого импульса регулирует объем впрыскиваемой воды. Количество впрысков в секунду контролирует количество пара, производимого в час в фунтах пара в час. Все это требует мгновенного отклика на все датчики. Соответственно, температура в ударной камере регулируется для управления температурой пара на выходе, необходимой для первичного двигателя воды, такого как турбина, роторный детандер, поршневой паровой двигатель и т. Д. Управление объемом пара, производимого в секунду, будет влиять на скорость вращения пара. двигатель, который, в свою очередь, может приводить в действие генератор или другое устройство.Компьютерная система управления, которую желательно использовать для контроля и регулирования скоростей и объемов впрыска, температуры ударной камеры, оборотов генератора и выходного давления.
Как отмечалось выше, считается, что кавитация ответственна за нагрев, который происходит внутри ударной камеры. Кавитация возникает внутри отверстия форсунки топливного инжектора, когда локальное давление потока падает ниже давления пара жидкости. Когда вода под давлением и сжатая вода расширяется через отверстие, жидкость ускоряется.Линии потока сужаются по мере того, как жидкость выходит из сопла, и в соответствии с принципом Бернулли это вызывает уменьшение местного статического давления, которое может стать ниже, чем давление пара воды, что приводит к образованию обширных кавитационных пузырьков. Эти кавитационные пузырьки выбрасываются из сопла со сверхзвуковой скоростью в ударную камеру. При столкновении с поверхностью удара 102 a они раздавливаются от давления.
Дополнительные кавитационные пузырьки образуются по мере продвижения фракции выброса жидкости к ударной поверхности 102 a , поскольку давление окружающей среды внутри ударной камеры значительно меньше давления выходящей воды.Расстояние от отверстия форсунки имеет решающее значение для работы системы и должно составлять от 0,150 до 0,450 дюйма, в противном случае кавитационные пузырьки рассеются до того, как столкнутся со стенкой ударной камеры.
Давление ударной волны гидроудара, возникающее при ударе капли воды о поверхность удара 102 a , может значительно превышать 275 МПа (мегапаскалей). Этого давления более чем достаточно, чтобы раздавить образовавшиеся пузырьки пара. Энергия, выделяемая при этом явлении, может превышать 30 000 градусов К (Кельвина).Поскольку эти температуры намного превышают температуру, необходимую для разделения молекулярного водорода и кислорода в воде (температуры выше 3000 ° C приводят к разделению молекул на 50%), значительная часть воды отделяется и впоследствии сгорает, выделяя тепловую энергию.
В предпочтительном варианте двигатель 100, включает в себя ряды из восьми ударных камер, выстроенных вместе. Не ограничиваясь теорией, считается, что в результате дробления пузырьков пара в точке удара выделяется тепло за счет теплопроводности, а дополнительное тепло представляет собой инфракрасное или излучаемое тепло.Использование нержавеющей стали 310 с относительно низкой теплопроводностью для ударных камер 102 является предпочтительным для поглощения инфракрасного тепла. Нержавеющая сталь 310 при температуре 212 градусов по Фаренгейту имеет теплопроводность 8,0. Нержавеющая сталь 310 также желательна в качестве материала для улавливания излучаемого тепла, поскольку она имеет относительно низкий коэффициент теплового излучения. Коэффициент излучения — это мера эффективности, с которой поверхность излучает тепловую энергию. Коэффициент излучения — это доля энергии, излучаемой по отношению к энергии, излучаемой термически черной поверхностью, имеющей значение коэффициента излучения 1.Значение коэффициента излучения 0 соответствует идеальному тепловому зеркалу. Нержавеющая сталь 310, обработанная для использования в печи, имеет коэффициент излучения от примерно 00,90 до 0,97.
Керамический или другой изолирующий материал может дополнительно использоваться для отделения корпуса инжектора от ударной камеры, чтобы минимизировать тепловые потери и улавливать тепло. Основная потеря тепла происходит через пар, выходящий из предохранительного клапана. Пар, выходящий из предохранительного клапана, является перегретым паром и может использоваться для приведения в действие поршневого парового двигателя или турбины роторного детандерного типа.Было замечено, что захват лучистого тепла внутри ударной камеры дает значительные преимущества для работы кавитационного двигателя.
Скорость вращения парового двигателя или роторного детандера можно контролировать, регулируя поток перегретого пара от кавитационного двигателя. Этот выходной поток пара регулируется путем изменения скорости впрыска (впрысков в секунду) отдельных ударных камер. Поскольку требуется дополнительная выходная мощность, количество используемых ударных камер и скорость впрыска на камеру меняются в реальном времени в соответствии с потребностями.
Система тройного водяного насоса высокого давления может использоваться для подачи воды под высоким давлением (> 20 000 фунтов на кв. Дюйм) в коллектор Common Rail, питающий топливные / водяные форсунки. Скорость насоса и, следовательно, давление регулируются путем управления потоком мощности на электродвигатель постоянного тока. Управляющий компьютер контролирует давление в коллекторе Common Rail и регулирует скорость насоса для поддержания этого давления. Чтобы свести к минимуму энергопотребление, насос работает только при подаче питательной воды к форсункам.
Модуль управления форсункой используется для подачи питания 140 В постоянного тока, необходимого для запуска топливных форсунок пьезоэлектрического типа.Центральный управляющий компьютер управляет электронагревателями ударной камеры, скоростью впрыска в ударную камеру, температурой питательной воды и циклической скоростью вращения первичного двигателя (паровой двигатель, паровая турбина), приводящего в действие генераторы энергии.
Кавитационный двигатель согласно раскрытию успешно работал и дал результаты давления, показанные на ФИГ. 20. Двигатель, использованный для результатов, показанных на фиг. 20 использовали один инжектор и одну ударную камеру. Никакого предохранительного клапана не было, и для получения мгновенных показаний давления использовался датчик давления Omega.Из-за создаваемого давления было трудно непрерывно эксплуатировать двигатель из-за выхода из строя уплотнений. Таким образом, испытания были короткими (1-2 секунды), в то время как были предприняты усилия по увеличению долговечности уплотнений.
В целях примера работы двигателя для результатов, показанных на фиг. 20, ударная камера была первоначально предварительно нагрета до 375 градусов по Фаренгейту с использованием электрического нагревателя, а затем питание нагревателя было отключено после того, как предварительный нагрев был завершен.Предварительно нагретая герметичная ударная камера и расширительная камера двигателя были менее 3 кубических дюймов, а температура подаваемой пресной воды была 160 градусов по Фаренгейту. После двух секунд работы, что привело к 10 впрыскам (5 впрысков в секунду), камера удара была нагрет до 575 градусов по Фаренгейту и произвел давление 1340 фунтов на квадратный дюйм. В другом испытании продолжительностью 3 секунды (5 впрысков в секунду) было достигнуто давление 1950 фунтов на квадратный дюйм, прежде чем уплотнение вышло из строя.
Результаты также могут отличаться в зависимости от солености воды.В связи с этим было замечено, что кавитация увеличивалась с морской водой (4% -ный раствор соли) по сравнению с пресной водой. Считается, что кроме воды можно использовать и другие жидкости.
При срабатывании инжектора нагнетается предварительно нагретая вода под давлением в диапазоне 20 000–25 000 фунтов на квадратный дюйм. Высокое падение давления на сопле для впрыска, когда вода выходит до давления, близкого к атмосферному в камере удара, имеет тенденцию ускорять жидкость в небольших отверстиях сопла.
На острых краях внутри отверстий сопла, таких как входное отверстие сопла, линии тока сужаются, так что эффективное поперечное сечение потока уменьшается, что приводит к увеличению скорости жидкости.Согласно принципу Бернулли, это вызывает снижение местного статического давления, и оно может достигать таких низких значений, как давление пара жидкости. Когда местное давление становится ниже, чем давление пара жидкости при местных температурах, внутри нагнетаемого потока образуется большое количество кавитационных пузырьков.
Поскольку температура эжектируемой жидкости приближается к 90 ° C, давление пара увеличивается в 40 раз по сравнению с комнатной температурой. Эта ситуация дополнительно увеличивает количество образующихся кавитационных пузырьков.Не ограничиваясь теорией, считается, что по мере того, как капли воды, образующие нагнетаемый поток, движутся к ударной камере, газ в кавитационных пузырьках расширяется. При ударе о стенку камеры происходит внезапное увеличение гидравлического давления внутри капли из-за эффекта гидроудара. Мгновенное внутреннее давление может быть порядка десятков тысяч фунтов на квадратный дюйм. Столкновение впрыскиваемых капель со стенкой ударной камеры вызывает дробление кавитационных пузырьков внутри капли.
Когда пузырьки сжимаются до очень маленького диаметра в результате удара, газ внутри пузырька достигает чрезвычайно высоких температур, и пузырьки взрываются и схлопываются. Температура внутри этих сжатых кавитационных пузырей может достигать многих тысяч градусов К (Кельвина). При таких высоких температурах газ превращается в перегретую плазму, в которой молекулы воды сокращаются до составляющих их атомных компонентов за вычетом окружающих электронов. Коллективное тепло от этого огромного количества пузырьков может повысить температуру окружающей воды и образующегося пара.
Было замечено, что кавитационные двигатели в соответствии с настоящим изобретением имеют существенно улучшенный КПД по сравнению с обычными паровыми двигателями, такими как традиционные паровые котлы с внешним сгоранием по циклу Ренкина.
Вышеупомянутое описание предпочтительных вариантов осуществления для этого раскрытия было представлено в целях иллюстрации и описания. Оно не предназначено для того, чтобы быть исчерпывающим или ограничивать раскрытие точной раскрытой формой. В свете изложенного выше возможны очевидные модификации или вариации.Варианты осуществления выбраны и описаны в попытке предоставить наилучшие иллюстрации принципов раскрытия и его практического применения, и тем самым дать возможность среднему специалисту в данной области техники использовать раскрытие в различных вариантах осуществления и с различными модификациями, которые подходят. к конкретному предполагаемому использованию.
Сбор энергии с помощью микромасштабной гидродинамической связи кавитации и термоэлектрической генерации: AIP Advances: Vol 9, No. 10
A. Характеристики устройства
Есть много параметров, влияющих на явление кавитации.Для характеристики кавитации учитываются число кавитации (σ) и расход кавитации. Число кавитации выражается следующим образом: где p и p vap являются эталонным (которое в данном случае является давлением на входе) и давлением насыщения пара рабочей жидкости, соответственно. ρ и V — плотность и скорость рабочего тела. Величина этого безразмерного числа дает ценную информацию об интенсивности кавитации.С другой стороны, скорость кавитационного потока — это критическая скорость потока, при которой давление в удлинении становится равным давлению паронасыщения жидкости. Это индикатор взаимосвязи между геометрией микроотверстия и падением давления. При расходах, превышающих скорость кавитационного потока, вероятно возникновение кавитации. Этот параметр задается как:
| Qcav = Wh2ρPout − PvapWwCc − 112 | (2) |
, где W и w — ширина расширения и ширина микроканала, соответственно. H — высота каналов, а C c — коэффициент сокращения, который представляет собой площадь поперечного сечения контракта вены до ширины микроканала.
Все микроотверстия были испытаны при различных давлениях на входе, чтобы зафиксировать возникновение кавитации, развитие кавитации и суперкавитацию в конфигурациях микродиафрагм.
Рабочая жидкость — вода плотностью и динамической вязкостью 998,2 кг / м 3 и 1.002 мПа с при 20 ° C соответственно. Давление водяного пара при этой температуре составляет 2,33 кПа . Начало кавитирующего потока было достигнуто для второго устройства (микроканал с гидравлическим диаметром 75,2 мкм м ), когда давление достигло 2,96 МПа в случае 2, где скорость потока была измерена как 454,5 мкм L / с . Следовательно, восходящая скорость жидкости составляла 10,1 м / с . После микрожидкостного устройства рабочая жидкость попадает в область микроканала.В результате скорость жидкости увеличивается до 82,23 м / с . Число Рейнольдса на этом участке и число кавитации равны 12451 и 2,019 соответственно.
Как видно в формуле. Согласно (2) скорость кавитационного потока зависит от теплофизических свойств рабочего тела. Для этого в систему вводится другая рабочая жидкость. Концентрация PFC5 при комнатной температуре составляет 0,027 об.%, Который 20 раз разбавляют дистиллированной водой для приготовления суспензии для экспериментов в качестве второй рабочей жидкости.Плотность и давление пара новой рабочей жидкости при 20 ° C составляют 1029,79 кг / м 3 и 6,41 кПа соответственно. В результате отношение скорости кавитационного потока суспензии капель PFC5 к воде составляет 0,92. Таким образом, использование этой рабочей жидкости приводит к более раннему возникновению кавитации по сравнению с чистой водой. Результаты экспериментов согласуются с этим аналитическим предсказанием. Давление в начале кавитации для суспензии капель PFC5 равно 2.29 МПа . Все три микрофлюидных устройства исследуются при различных расходах воды и капель в качестве рабочей жидкости. Результаты показаны на рисунке 4. Как видно, начальная скорость потока во всех случаях с суспензией меньше, чем в случае с водой. Следовательно, число Рейнольдса, при котором происходит зарождение, также меньше. Таким образом, можно рассчитать, что более высокое давление насыщения пара и более высокая плотность капель PFC5 могут быть полезны для увеличения интенсивности кавитации и эффективности устройств сбора энергии.Только в устройстве 3 этот эффект не очень значителен, где существует преобладание геометрических размеров над свойствами рабочего тела. Число кавитации показано на рисунке 4 (пунктирными линиями) для каждого рабочего тела при различных давлениях на входе. . Увеличение давления на входе приводит к увеличению скорости жидкости в микроканале. Учитывая уравнение. Согласно (1) число кавитации уменьшается до состояния суперкавитации. После суперкавитации скорость потока больше не может быть увеличена, и скорость потока остается почти постоянной, что приводит к увеличению числа кавитации.Эту тенденцию можно увидеть для каждого из микроотверстий. В большинстве случаев число кавитации для суспензии капля-вода ниже, чем для случая чистой воды, что происходит из-за более низких давлений в момент вступления, суперкавитации и условий заторможенного потока с каплями PFC5. Другой причиной этого наблюдения является более высокая плотность, сжимаемость и давление паронасыщения капель по сравнению с водой, что влияет на значение числа кавитации (уравнение (1)).
Б.Оценка рабочих характеристик
Как упоминалось в разделе, рост пузырьков продолжается до тех пор, пока они не достигнут критического радиуса перед схлопыванием. Образовавшиеся пузырьки несут потенциальную энергию, которая преобразуется в различные виды энергии, такие как тепловая энергия при схлопывании, так что эта концепция может предложить источник энергии, генерируемый с помощью соответствующего устройства сбора энергии. Образование и развитие пузырьков исследовались в литературе как в адиабатических, так и в изотермических условиях. 16,17 16. M. Jiang et al. , «Динамика кавитационного пузыря при импульсной лазерной абляции металлического стекла в воде», Extreme Mechanics Letters, , 11, , стр. 24–29 (2017). https://doi.org/10.1016/j.eml.2016.11.01417. J. J. Yoh et al. , «Биобаллистическая микроструя для инъекции лекарств в кожу животных с использованием лазера Nd: YAG», Shock Waves, 26 (1), 39–43 (2016). https://doi.org/10.1007/s00193-015-0565-4 Энергетический баланс вновь образованного пузыря без учета кинетики и параметров потенциальной энергии выражается на основе контрольного объема, который включает границу зародыша пузыря на начало микроканала и рост до начала расширения, как:
| ΔQ − P4πR2ΔR = (43πR3) ρgCvgΔT | (3) |
где ΔQ — тепло, поглощаемое пузырьком из окружающей жидкости.Второй член — работа, переданная через границы контрольного объема. Поскольку на этом этапе размер пузырька увеличивается, в систему не поступает никакая работа, но существует работа, выходящая из системы, что объясняет отрицательный знак этого члена в уравнении баланса энергии. Правая часть этого уравнения представляет изменение внутренней энергии газа внутри пузырька в течение периода теплопередачи, где R — средний радиус пузырька, а C vg — удельная теплоемкость .Некоторые газы, состоящие из водяного пара и растворимых газов, задерживаются внутри образовавшегося пузырька. Теплопередача через пузырек создает тепловую границу вокруг пузыря. Толщина образовавшейся тепловой границы вокруг пузыря записывается как: 18 18. Ж.-П. Франк и Ж.-М. Мишель, Основы кавитации , Vol. 76, 2006, Springer science & Business media. Δ t — характерное время теплопередачи, а α l — коэффициент температуропроводности.Здесь ожидаются два сценария при сравнении характерного времени пузырька для теплопередачи и времени жизни пузырька. Первый сценарий соответствует случаю, когда характерное время для теплопередачи пузырька больше, чем время жизни пузырька. В этом сценарии пузырек растет и схлопывается до того, как процесс теплопередачи может быть завершен. Во втором сценарии характерное время для теплопередачи пузыря намного короче, чем время жизни пузыря, и пузырек длится достаточно долго, чтобы позволить теплопередаче произойти, прежде чем он схлопнется.Чтобы исследовать данный случай, закон теплопередачи Фурье применяется к тепловой границе вокруг пузыря, включая определение α l = λ l / ρ l C pl как:
| ΔQ = −λlCPlρlΔt4πR2ΔT | (5) |
где λ l — теплопроводность.В адиабатических условиях ΔQ будет равно нулю в уравнении. (3). Тогда адиабатическая температура этого процесса может быть записана как: С другой стороны, если процесс не адиабатический, и влияние работы на повышение температуры не учитывается. Тогда закон Фурье может быть объединен с энергетическим балансом пузыря (Ур. (3), что приводит к формулировке характеристического времени теплопередачи как:
| Δtr = (RρgCvg) 29λlCplρl | (7) |
На рисунке 5 распределение пузырьков по размерам представлено в свете высокоскоростной камеры. изображения взяты из экспериментов для рабочей жидкости, состоящей из воды при 20 ° C и водно-капельной суспензии при той же температуре.Диаметр пузырька измеряли с помощью программного обеспечения ImageJ (версия 1.50b, Национальные институты здравоохранения, США) для определения распределения по размерам. График распределения Гаусса со средним значением и стандартным отклонением от экспериментальных данных. Собственный сценарий MATLAB ™ для обнаружения краев изображений (MathWorks Inc., Натик, Массачусетс) был реализован для анализа изображений и предоставления распределения по размеру и объему. Следует отметить, что при обработке изображений не учитывались размеры частиц менее 1 мкм .Соответственно, средний диаметр пузырьков составляет 3,5 мкм для воды и 3 мкм для суспензии капля-вода PFC5. Подставив размер пузырьков вместе с теплофизическими свойствами воды ( ρ г = 0,0173 кг / м 3 , C vg = 717 J кг . K , λ l = 0,653 W / м . K , ρ л = 998,2 кг / м 3 и C pl = 4182 J / кг . K ) к уравнению. Согласно формуле (7) характерное время теплопередачи для пузырька в устройстве 2, работающем с водой, рассчитано как 1,92 × 10 −11 мкс . Расстояние между началом микроканала и его торцевой стенкой на продолжении составляет 4 мм для всех трех устройств.Скорость рабочего тела при суперкавитации с водой для устройства 2 можно рассчитать как 82,23 м / с . Следовательно, пузырьку, который движется с той же скоростью, что и рабочая жидкость, требуется 48,64 мкм с , чтобы переместиться из начала микроканала и лопнуть в конце расширения. В таблице II показано расчетное время между зарождением пузырьков и их схлопыванием для всех трех устройств.
ТАБЛИЦА II. Расчетное время между зарождением и схлопыванием пузырьков в устройствах для случаев водной суспензии и водно-капельной суспензии.
| Расчетное время между зародышеобразованием и коллапсом [мкс] | |||
|---|---|---|---|
| Вода | Капля-водная суспензия PFC5 | ||
| Устройство 1 | Устройство 2 | 48,64 | 66,88 |
| Устройство 3 | 46 | 36 | |
Поскольку Δ t r является коротким по сравнению с расчетным временем образования пузырьков , можно сделать вывод, что доминирующим механизмом в развитии кавитирующих пузырьков является испарение / конденсация (теплопередача).Хотя расширение и сжатие также могут быть важны, особенно в начале и в конце стадий образования и схлопывания, изотермическое испарение / конденсация играет более важную роль в этом случае. Упомянутое обсуждение может быть количественно уточнено с помощью следующего выражения: Чтобы найти падение температуры в окружающей жидкости из-за образования пузырьков, тепловой поток из окружающей среды в пузырь выражается как:
| q̇ = −λlTb − T∞ αlΔt | (9) |
Тепловой поток испарения / конденсации также определяется как: где L — скрытая теплота испарения, а Ṙ — скорость роста пузырьков.Пренебрегая начальным радиусом пузырька и комбинируя уравнения. (9) и (10), разница температур, вызванная образованием пузырьков в окружающей жидкости, получается как:
| Tb − T∞ = −RαlΔtρvLρlCpl | (11) |
Поскольку приведенные выше оценки основаны на давление, при котором в микроканале возникает суперкавитация, разность температур в этой области рассчитывается по формуле. (11). Для этого предполагается, что радиус пузырька равен ширине микроканала.Таким образом, снижение температуры рабочей жидкости для устройства 2 составляет 0,13 K . В результате образование пузырьков в микроканале в основном контролируется испарением / конденсацией, а температура рабочей жидкости снижается на 0,13 K . Пузырьки, которые образуются в микроканале, входят в расширение и там схлопываются. Каждый пузырь несет потенциальную энергию, выраженную формулой. (12): 19 19. Б. Уорд и Д. К. Эммони, «Энергии и давления акустических переходных процессов, связанных с оптической кавитацией в воде», Журнал современной оптики 37 (4), 803–811 (1990).https://doi.org/10.1080/0950034
50861
| Epot = 43πR3 (Pstat − Pvap) | (12) |
Соответственно, каждый пузырь в устройстве 2 несет 2,22 × 10 −12 Дж энергии для случая воды перед обрушением. Половина потенциальной энергии кавитирующих пузырьков после схлопывания преобразуется в тепло. 20 20. Р. Печа и Б. Гомпф, «Микровзрывы: кавитационный коллапс и излучение ударной волны в наносекундном масштабе времени», Physical Review Letters 84 (6), 1328 (2000).https://doi.org/10.1103/physrevlett.84.1328 Таким образом, определение количества пузырьков, входящих в расширение и схлопывающихся там, может дать оценку тепловыделения кавитирующих пузырьков, поскольку весь объем микроканала занят пузырьками , когда в микроотверстии происходит суперкавитация, объемная доля пара при вычислении плотности пузырьков может быть приблизительно равна единице. Умножение плотности числа пузырьков на объем, занимаемый паром, приводит к количеству пузырьков в этом контрольном объеме Ур.(13): Как показано на рисунке 1, контрольный объем, который исследуется для количества генерируемой энергии, представляет собой кубоид с шириной и глубиной микроканала и длиной одного пузырька. Контрольный объем движется со скоростью рабочего тела в сторону удлинителя. В результате V occ в уравнении. (13) — объем этого контрольного объема. Средняя скорость жидкости внутри микроканала устройства 2 составляет 82,23 м / с . Таким образом, требуется 24.32 мкс для слива одного C V в удлинителе. Каждый контрольный объем содержит 6,5 × 10 -4 мкДж энергии, подводимой к торцевой стенке в виде тепла. Следовательно, область на оптимальном расстоянии от конца микроканала получает 26,79 мкВт тепла для устройства 2, работающего с водой, которое может быть преобразовано в электричество с помощью термоэлектрического генератора. Таблица III показывает потенциальную энергию, переносимую контрольными объемами во всех трех устройствах для случаев водной суспензии и водной суспензии, а также тепловой поток к торцевой стенке микрофлюидного устройства.
ТАБЛИЦА III. Потенциальная энергия каждого контрольного объема для всех устройств как для жидкости, так и для теплового потока к торцевой стенке устройств.
| Потенциальная энергия контрольного объема [μ Дж ] | Тепловой поток к торцевой стенке [ Вт / м 2 ] | |||
|---|---|---|---|---|
909
Хотя в таблице III показано, что потенциальная энергия Корпус подвески с каплями воды меньше корпуса с водой, энергоэффективность выше, чем у корпуса с водой.В случае воды системе требуется больше входных данных для достижения суперкавитации по сравнению со случаем водно-капельной суспензии. Это более очевидно в устройстве 1, где суперкавитация происходит при 5,9 МПа для воды, в то время как такая же картина потока появляется при 2,89 МПа для случая суспензии капля-вода.
C. Реализация термоэлектрического модуля
Термоэлектрические генераторы основаны на эффекте Зеебека. Таким образом, чем больше разница между коэффициентом Зеебека столбов p-типа и n-типа в устройстве, тем больше энергии может быть получено.Максимальная выработка энергии термоэлектрическим генератором рассчитывается как P max = ( S Δ T ) 2 /4 R . Коэффициент Зеебека и сопротивление зависят от повышения температуры. Результаты, представленные в литературе, предполагают, что оба они линейно увеличиваются с увеличением температуры. Следовательно, существует компромисс, который следует учитывать при проектировании термоэлектрического генератора.
Zhang et al. 12 12.W. Zhang, J. Yang и D. Xu, «Микротермоэлектрический генератор с высокой плотностью мощности, изготовленный с помощью интегрированного восходящего подхода», Journal of Microelectromechanical Systems 25 (4), 744–749 (2016). https://doi.org/10.1109/jmems.2016.2565504 изготовил устройство μ-TEG, используя Bi 2 Te 3 в качестве термоэлектрического материала n-типа и Sb 2 Te 3 в качестве материала p-типа. . Их термоэлектрическое устройство состояло из 127 пар материалов p-типа и n-типа.Коэффициент Зеебека для Bi 2 Te 3 при тех же условиях гальваники, что и в их проекте, в предыдущем исследовании был представлен как -63 мкВ / K . 21 21. A. Zhou et al. , «Улучшение термоэлектрических свойств пленок Bi2Te3 с гальваническим покрытием путем настройки отношения продолжительности импульса», Electrochimica Acta, 178, , 217–224 (2015). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.07.164 Коэффициент Зеебека материала p-типа также был включен как 116 мкВ / K .Таким образом, суммарный коэффициент Зеебека термоэлектрического модуля будет S = (116 + 63) × n = 179 n мкВ / K . n — количество столбов, которое в этом устройстве равно 127. Если верхний слой устройства термоэлектрического генератора изготовлен из обычного чипа из диоксида кремния толщиной 500 мкм м , а эффективная площадь устройства составляет 0,65 × 0,5 см 2 , как сообщается в Zhang et al., 12 12. W. Zhang, J. Yang, D.Сюй, «Микротермоэлектрический генератор с высокой плотностью мощности, изготовленный с помощью интегрированного восходящего подхода», Журнал микроэлектромеханических систем, 25 (4), 744–749 (2016). https://doi.org/10.1109/jmems.2016.2565504 скорость повышения температуры на этой стене рассчитывается как:
| Q̇ = mCdTdt = ρ.VCdTdt | (14) |
где ρ и C — 2650 кг / м 3 и 680 J / кг . K соответствует диоксиду кремния соответственно. Объем интересующей области в этом уравнении представляет собой объемный объем пластины диоксида кремния с площадью 0,65 × 0,5 см 2 , такой же большой, как эффективная площадь термоэлектрического устройства. Скорость повышения температуры на этой стенке составляет 0,91 × 10 −3 K / с . Важно также рассчитать повышение температуры на такой большой площади, как конец удлинения (50 × 900 мкм 2 ), а не на эффективной площади μ-ТЭГ.Скорость повышения температуры для устройства 2 в этом случае составит 0,66 К / с . Как упоминалось ранее, термоэлектрический модуль следует устанавливать на оптимальном расстоянии от конца микроканала, чтобы улавливать больше тепловой энергии от схлопывающихся пузырьков. Стоит отметить, что чем ближе термоэлектрический модуль к концу микроканала, тем больше энергии будет собираться от схлопывающихся пузырьков. Причина в том, что когда термоэлектрическая стенка находится близко к концу микроканала, количество пузырьков на единицу площади больше, чем в случае, когда стенка находится далеко от этой точки, потому что меньше пузырьков схлопывается в нежелательной области перед торцевой стенкой. в этом случае.Рассматриваемый μ-ТЭГ состоит из четырех различных материалов: SiO 2 , SU-8, Sb 2 Te 3 и Bi 2 Te 3 . Сетевой подход с тепловым сопротивлением используется для оценки потерь тепла и разницы температур между горячей и холодной стороной устройства. Тепловое сопротивление термоэлектрических материалов и СУ-8 параллельны друг другу, и их общее тепловое сопротивление считается последовательным с верхними слоями диоксида кремния (рис.6). Теплопроводность диоксида кремния SU-8, Sb 2 Te 3 и Bi 2 Te 3 составляет 1,4, 0,2, 4,7 и 2,9 W / мК соответственно. 22,23 22. М. Дж. Смит, Р. Найт и К. Спенсер, «Свойства сплавов Bi2Te3-Sb2Te3», Журнал прикладной физики 33 (7), 2186–2190 (1962). https://doi.org/10.1063/1.172892523. S.H. Oh et al. , «Микродатчик теплового потока с использованием медного гальванического покрытия в микроструктурах SU-8», Журнал микромеханики и микротехники. 11 (3), 221 (2001).https://doi.org/10.1088/0960-1317/11/3/310 Принимая во внимание сопротивление теплопроводности как R = L / KA , (где L — длина, K — теплопроводность, и A — площадь), скорость теплопередачи через термоэлектрический модуль может быть записана как Eq. (15) Общее тепловое сопротивление термоэлектрического модуля рассчитано как 22,54 К / Вт . Следовательно, разница температур между двумя сторонами устройства составит 2,58 К .Это показывает, что при использовании надлежащего радиатора на холодной стороне термоэлектрического устройства можно получить необходимую разницу температур для выработки электроэнергии. В этих условиях после временного шага в 6 часов общее повышение температуры в результате схлопывания пузырьков кавитационного облака в устройстве 2 на этой стене составит 19,76 ° 1, хотя рассчитанный коэффициент Зеебека составляет 22730 мкВ / K , измеренный коэффициент Зеебека их устройства составил 7700 мкВ / K на основании экспериментальных результатов.Утверждалось, что эта разница связана с тем, что фактическая разница температур на устройстве была меньше ожидаемого значения. В случае интеграции этого устройства μ-TEG в существующую кавитационную систему с водой в качестве рабочего тела генерируемое напряжение будет 156,45 мВ . Этот μ-TEG имеет внутреннее сопротивление 13 Ом. В результате максимальная выработка энергии устройством сбора энергии составит 0,47 мВт . Изготовленный μ-ТЭГ имеет максимальную выработку мощности 2.9 мВт при 52,5 ° C, что соответствует эффективной плотности мощности 9,2 мВт / см 2 . Площадь торцевой стенки устройств в экспериментах можно найти, используя ширину микроканала и глубину каналов. В результате максимальная мощность, генерируемая устройством 2, составит 0,7 мк Вт . Каскадная конструкция кавитационной системы состоит из 10 параллельно работающих микрофлюидных устройств. Для случая, когда три каскада работают параллельно, выработка электроэнергии равна 0.7 мВт можно было получить от устройства сбора энергии. Это значение вдвое больше, чем значение, указанное в системе без обратной связи, которая была протестирована ранее. 6 6. M. Ghorbani et al. , «Сбор энергии в микромасштабе с кавитационными потоками», ACS Omega 2 (10), 6870–6877 (2017). https://doi.org/10.1021/acsomega.7b01204 Стоит отметить, что максимальная выработка энергии системой сбора энергии на временном шаге будет 3,2 мВт для устройства 2, работающего в условиях суперкавитации (с водой).Такая же тенденция наблюдается для всех устройств с обоими μ-TEG. Это означает, что высокопроизводительный термоэлектрический модуль в сочетании с представленной системой сбора энергии приведет к значительному производству электроэнергии. Существуют некоторые различия между выработкой энергии для случая чистой воды и для случая водной суспензии капель. Во-первых, диаметр пузырьков в случае капель на 0,5 мкм на м на меньше, чем у пузырьков воды (рис.5), что влияет на количество пузырьков в контрольном объеме, а также на величину потенциальной энергии (уравнение.(12)). Однако основное различие между этими случаями заключается в давлении пара водно-капельной суспензии, которое на 4,08 кПа меньше, чем у чистой воды. Эта разница снижает потенциальную энергию пузырьков. Если сделать такие же расчеты, как показано выше, скорость повышения температуры на торцевой стенке будет 0,54 × 10 −3 K / с , а выходное напряжение и максимальная выработка энергии устройством сбора энергии. будет 129,38 мВ и 0.32 мВт в устройстве 2 для случая водно-капельной суспензии. Таблица IV показывает скорость повышения температуры на торцевой стенке (как площадь термоэлектрического модуля, так и фактическое расширение) для всех устройств, работающих для обеих рабочих жидкостей.
ТАБЛИЦА IV. Скорость нарастания температуры на торцевой стенке во всех устройствах, работающих для случаев водно-водной суспензии.
| Скорость повышения температуры на торцевой стенке [ K / с ] | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Вода | PFC5 капля 68 4 водная суспензия 0 | Расширение | Термоэлектрический модуль | Расширение | |||
| Устройство 1 | 1.23 × 10 −3 | 0,88 | 0,84 × 10 −3 | 0,61 | |||
| Устройство 2 | 0,91 × 10 −3 | 0,66 | 0,39 | ||||
| Устройство 3 | 1,02 × 10 −3 | 0,74 | 1,08 × 10 −3 | 0,78 | |||
Roth et al. 13 13. R. Roth et al. , «Разработка и определение характеристик микротермоэлектрических генераторов с поперечной плоскостью с гальваническим покрытием Bi2Te3, SbxTey» и пайка оплавлением 23 (4), 961–971 (2014).https://doi.org/10.1109/jmems.2014.2303198 изготовил термоэлектрический генератор с использованием отожженного Bi 2 Te 3 и меди в качестве термоэлектрических материалов. Их экспериментальные результаты показали линейную зависимость между разностью температур и коэффициентом Зеебека, а также электрическим сопротивлением и разностью температур. Подгонка линии к экспериментальным данным привела к S ( T ) = (56,55 + 0,34 T ) n [ мкВ / K ] и R ( T ) = 3.42 + 0,02 T [Ом]. Они установили 71 опору на генераторе. В результате напряжение холостого хода и максимальная выходная мощность для устройства 2, работающего в условиях суперкавитации с водой в качестве рабочего тела, составляют 88,79 мВ и 0,26 мВт соответственно. Они показали, что максимальная генерируемая мощность 2,33 мВт была получена при разнице температур 38,64 ° C по всему устройству, что соответствует эффективной плотности мощности и площади 2.4 мВт / см 2 и 0,681 см 2 соответственно. В результате, выработка энергии устройством 2 с площадью торцевой стенки (152 × 50 мкм м 2 ), соединенным с этим μ-TEG, составит 0,18 мкм Вт . Когда используется каскадная конфигурация, вся эффективная площадь покрывается микрожидкостным устройством, и может быть получено максимальное количество выработки электроэнергии. Подобно первому μ-TEG, для оценки практичности этого устройства реализован подход сети теплового сопротивления.Теплопроводность меди как материала p-типа принята равной 387,6 Вт / мК . Те же расчеты выполнены для этого устройства, и общее тепловое сопротивление составляет 36,64 К / Вт . Уравнение (15) приводит к разнице температур между горячей и холодной сторонами термоэлектрического модуля 8,8 К . Вышеприведенные расчеты справедливы для устройства 2, работающего в режиме суперкавитации. На рисунке 7 показана выработка электроэнергии всеми тремя устройствами с обоими предлагаемыми μ-TEG.Устройства работают лучше с точки зрения сбора энергии для случая чистой воды. Во всех случаях вода достигает максимально допустимой выработки энергии термоэлектрическими устройствами раньше, чем в случае водно-капельной суспензии.