О теплотворной способности гидродинамической кавитации

В сообщении представлены некоторые энергетические аспекты, сопровождающие работу кавитационных теплогенераторов, широко рекламируемых в качестве высокоэффективных источников тепловой энергии. Показано, в частности, что возникновение сверхвысоких градиентов температур и давлений возможно только в специально подготовленных «чистых» гомогенных жидкостях. В условиях «технической», используемой в системах отопления, заявляемые авторами проектов эффекты принципиально невозможны. 

В последнее время в научно-технических изданиях популярной и информационной направленности, включая Internet, широко рекламируются гидродинамические устройства, предназначенные, в частности, для использования в локальных системах отопления. Принцип действия таких аппаратов на первый взгляд кажется достаточно простым. 
Характерной особенностью многочисленных описаний таких уникальных нагревателей является практически полное отсутствие их теоретического обоснования, что не позволяет, к сожалению, количественно оценить объективность заявляемых параметров.

Рис. 1. Принципиальная схема малой котельной [1]

На рис. 1, в качестве примера, представлена принципиальная схема котельной, активным элементом которой является роторный кавитационный теплогенератор, который представляется как новое поколение тепловых машин, преобразующих механическое, электрическое и акустическое воздействия на жидкость в тепло.

Увеличение температуры теплоносителя происходит, по мнению авторов, за счет следующих эффектов: преобразование механической энергии за счёт внутреннего трения, возникающего при движении теплоносителя; преобразование электрической энергии в тепловую энергию за счет электрогидравлического эффекта и нагрева тепловых элементов; гидроакустической энергии в тепловую энергию за счет кавитационных и вихревых эффектов. На схеме рис.2 авторами [1] приняты следующие обозначения: 1 - электродвигатель, 2 - кавитационный теплогенератор, 3 - манометр, 4 - бойлер, 5 - воздушный кран, 6 - трубопровод подачи нагретого теплоносителя, 7 - термодатчик, 8 - блок автоматического управления, 9 - теплообменник, 10 - радиатор топления, 11 - расширительный бачок, 12 - фильтр для очистки теплоносителя, 13 - циркуляционный насос.

Таким образом, основным элементом схемы является кавитационный теплогенератор 2, представляющий собой в рассматриваемом случае аппарат роторного типа, которые широко применяются в химической промышленности (например, роторные устройства класса ГАРТ [2]). Кроме роторных аппаратов в настоящее время активно рекламируются и ведутся попытки научного обоснования высоких энергетических показателей вихревых устройств, конструируемых на основе трубы Ранка [3].

Системы кавитационных теплогенераторов, несмотря на самые разнообразные названия (о терминологии вторы проектов, судя по всему, ещё не успели договориться) состоит из четырёх основных элементов (Рис. 2): приводного электродвигателя 1, насоса 2, собственно кавитационного теплогенератора 3 посредством которого осуществляется преобразование механической энергии в тепловую энергию и потребитель тепловой энергии 4.

Рис. 2.Типичная структурная схема кавитационного теплогенератора

Элементы упрощённой структурной схемы 2 являются стандартными, практически, для любой гидравлической системы предназначенной для транспортировки жидкости или газа.

Принцип действия таких трансформаторов энергии можно наблюдать на примере общедоступного насоса для полива грядок и газонов на дачных участках. Необходимо наполнить водой обычную трёхлитровую банку и заставить насос забирать из банки воду и туда же её сбрасывать. Уже через 5 - 10 минут можно убедиться в полной правоте Джемса Прескотта Джоуля (1818 - 1889) о возможности преобразования механической работы в тепло. Вода в банке нагреется. Ещё ярче эффект проявляется при «замыкании» входа и выхода домашнего пылесоса. Но это рискованная демонстрация, температура нарастает настолько стремительно, что можно не успеть разъединить «вход» и «выход», что приведёт к порче устройства.

Нагреватель, схема которого приведена на рис. 2 работает примерно так, как система охлаждения автомобильного двигателя, только решается обратная задача, не понижения температуры, а её увеличения. При пуске установки рабочая жидкость с выхода гидродинамического кавитационного преобразователя энергии 3 посредствам насоса 2 подаётся по короткому пути на вход теплогенератора. После нескольких циркуляций по малому (вспомогательному) контуру, при достижении водой заданной температуры, подключается второй (рабочий) контур. Температура рабочей жидкости падает, но затем, при удачно выбранных параметрах системы, восстанавливается до требуемой величины.

Многочисленные конструкции активаторов, рекламируемых производителями, по сути, представляются устройствами, сообщающими рабочей жидкости кинетическую энергию. Как утверждают авторы проектов, им удаётся путём использования «специальных» конструктивных особенностей теплогенераторов и «нетрадиционных» физических эффектов достигать высоких значений коэффициента полезного действия h > 0,9. В ряде интригующих случаев h, по результатам испытаний, превышает единицу. Объясняя столь необычные характеристики достаточно изученных гидродинамических устройств и процессов, исследователи настаивают на том, что им удаётся использовать неизвестные свойства кавитационных явлений (вплоть до «холодного» термоядерного синтеза) или торсионных полей, возникающих при вращательном движении жидкости.

Как правило, термодинамические системы с кавитационными теплогенераторами в качестве исходного источника механической энергии имеют реже один, а чаще - два электродвигателя, обеспечивающих циркуляцию теплоносителя по системе и создание условий для поддержания гидродинамической кавитации. Другими словами, электрическая энергия Е1 с соответствующими потерями k1 преобразуется в механическую энергию

, (2)

где k₂ - коэффициент преобразования (по терминологии авторов - трансформации) механической энергии потока теплоносителя в его внутреннюю энергию, причём величина колеблется, в большинстве своём от 0,9 до 4. Если величина k₂ @ 0,9 при определённых теоретических упрощениях может рассматриваться как высокая, но в некоторой степени реальная, то значения k₂ ≥ 1 требуют серьёзных теоретических обоснований. Энергетический феномен объясняется авторами проектов, тем, что в их конструкциях используется уникальный способ преобразования электрической энергии в тепловую энергию за счёт использования «флуктуирующего вакуума в условиях жёсткой кавитации» и «энергии молекул воды».

Не затрагивая далее, по вполне очевидным причинам, торсионную и термоядерную проблематику, как и энергетику физического вакуума, рассмотрим некоторые особенности использования энергетических эффектов гидродинамической кавитации в тело и массообменных процессах. Процессы кипения, акустической и гидродинамической кавитации могут быть представлены как явление образования в сплошной жидкости конкурентной фазы в виде полостей заполненных паром рабочей жидкости и растворёнными газами.

Отметим, что явление гидродинамической и акустической кавитации, несмотря на более чем вековой период изучения не представляется описанным в полной мере. Все исследователи, занимавшиеся кавитационными процессами, сходятся во мнении, что явление в некоторых своих проявлениях ещё не предсказуемо. Параметры инженерных сооружений и устройств, работа которых сопряжена с возникновением и протеканием кавитации (гидротурбины, судовые движители, насосы, перемешивающие устройства, технологические установки), наряду с результатами теоретических исследований дополняются экспериментальными данными, основу которых составляет моделирование кавитационных явлений на специальных стендах [4-7]. Вместе с тем, о кавитации уже многое известно. По крайней мере, к настоящему времени установлены основные закономерности, связанные с её возникновением и протеканием. Учёные и инженеры научились достаточно успешно предотвращать разрушительные проявления (например, суперкавитирующие судовые винты) и использовать их в технологических процессах, когда нужно что-то разрушить, например частички нерастворимых жидкостей, или организовать не протекающие в обычных условиях химические реакции.

На энергетические эффекты, сопровождающие появление в жидкости конкурентной фазы в условиях давлений, соизмеримых с давлением насыщенных паров рабочей жидкости исследователи обратили внимание давно. В 1917 г. лордом Рэлеем была решена задача о давлении, развивающемся в жидкости при схлопывании «пустой» сферической каверны [4]. Для случая сферической симметрии при безвихревом радиальном течении жидкости, окружающей полость было получено уравнение кинетической энергии K_L

, (3)

где p_L - плотность жидкости, u - радиальная скорость на произвольном расстоянии r > R от центра полости, v_r - радиальная скорость стенки полости. В соответствии с теоремой, изменение кинетической энергии жидкости должно быть равно работе, совершаемой массой жидкости при замыкании полости

(4)

где - давление в жидкости на расстоянии , R_max - радиус полости в момент начала её коллапса, R₀ - конечный радиус полости. Приравнивая (3) и (4), можно прийти к уравнению скорости движения поверхности сферической полости

. (5)

Так, например, для случая R_max=10^-3 м и R₀ = 10^-6 м при = 105 Па, p_L=103 кг/м³ скорость стенки полости получается равной v_r @ 1, 4 ×10⁴ м/с, что на порядок превышает скорость звука в воде. Величина кинетической энергии жидкости, заполняющей кавитационную полость, составит в соответствие с уравнением (3) величину

, (6)

Если предположить, что только 10% кинетической энергии жидкости преобразуется в тепло, то максимальное локальное изменение температуры в области коллапса полости примерно составит

, (7)

где с @ 4200 Дж/кг ×К - удельная теплоёмкость воды. Естественно предположить, что при столь высоких температурах возможны процессы на молекулярном и атомном уровне. Надо полагать, что именно подобные результаты вычислений привели конструкторов кавитационных теплогенераторов к предположениям о возможности реакций «холодного» термоядерного синтеза.

Данные М. Корнфельда получены для случая возникновения конкурентной паровой фазы одновременно во всём объеме жидкости, чего на практике никогда не наблюдается. Если бы вода обладала указанной прочностью, то получить кавитацию в условиях обсуждаемых устройств было бы невозможно. На практике в условиях специально подготовленных порций жидкостей, не содержащих неоднородностей, паровые ядра, могут возникать вследствие тепловых флуктуаций. Увеличение объёма паровых ядер возможно в случае превышения давления насыщенных паров жидкости внешнего давления, т.е.

, (9)

где p_sp - давление насыщенных паров жидкости, s_L/sp - коэффициент поверхностного натяжения на границе жидкость - пар. Число ядер, способных терять устойчивость в единицу времени в единице объёма жидкости определяется уравнением Я.Б. Зельдовича [5]

, (10)

где n₀ - число образовавшихся ядер, F - постоянный множитель, k_B@1,4 ×10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, A(R₀) - работа образования ядра

, (11)

первое слагаемое характеризует величину энергии, потраченной на создание свободной поверхности, второе слагаемое (11) - работа образования новой полости радиусом R₀, третье - работа необходимая для заполнения полости паром. 
Таким образом, для создания в однородной жидкости микронеоднородностей внешними силами должна быть проделана определённая работа. Другими словами, изменение состояния жидкости, включая образование кавитационных ядер, происходит вследствие подвода энергии от внешних источников. Образовавшееся кавитационное ядро может увеличивать или уменьшать свой объём в зависимости от соотношения внешнего давления и давления пара внутри ядра. Условие роста ядра можно получить, совмещая уравнения (11) и (10), т.е. из уравнения (11) определить величину R₀ и подставить это значение в условие (9)

, (12)

где 1/t = dn₀/dt, t - время ожидания разрыва сплошности единичного объёма жидкости. Полагая, что единичное кавитационное ядро в объёме 1 см³ образуется в течение одной секунды и принимая по Корнфельду А@10³¹ с^-1 м³ получается

В этом случае

.(12)

В соответствие с (12) величина прочности на разрыв для воды получается равной z  @ 1,6 ×10⁸ Па, почти в два раза меньше теоретического значения Корнфельда и в три раза меньше молекулярного уравнения (8).

Как установлено экспериментально [4 - 7], кавитационная прочность жидкостей на несколько порядков ниже теоретических значений. Так, например, М.Г. Сиротюком [7] и Г. Флином [6] были опубликованы данные об измерениях кавитационной прочности дистиллированной очищенной и водопроводной воды. При измерениях пороговых значений акустического давления на разных частотах, при которых фиксировалось возникновение конкурентной фазы, были получены минимальные значения давления для водопроводной необработанной воды p_cr  @ 5 ×10⁴ Па, а для дистиллированной подготовленной воды - p_cr  @ 4 ×10⁷ Па.

Рис.3. Экспериментальные пороги возникновения кавитации в воде [6,7]

Основной причиной столь значительного разброса кавитационной прочности воды является её неоднородность, т.е. присутствие в ней кавитационных ядер, заполненных газом и парами жидкости, другими словами, возникновение конкурентной фазы происходит на уже присутствующих в жидкости ядрах критического радиуса R_cr при их попадании в зоны пониженного давления.

Если принять, что процесс расширения ядра протекает по адиабатической схеме, то взаимосвязь начального P_G(0) и текущего P_G давления газа в увеличивающей объём ядре можно представить на основании уравнения Пуассона можно представить следующим образом

, (13)

где g - показатель адиабаты. В этом случае кинематические параметры прилегающих к изменяющему свой объём ядру можно выразить следующим дифференциальным уравнением [5]

. (14)

Для максимального значения радиальной составляющей скорости, вместо уравнения (5) необходимо записать следующее соотношение, являющееся первым интегралом уравнения (14)

. (15)

Принимая = 105 Па, р_G(0)  @ 1 ×10³ Па, максимальное значение скорости составит v_r(max) @ 534 м/с, что в 26 раз меньше, гипотетический градиент температуры в соответствие с уравнением (7) составит

,(16)

что несоизмеримо меньше «термоядерных» температур, о которых упоминается в публикациях, посвящённых кавитационным теплогенераторам. Следует так же иметь в виду, что в системах отопления используется обычная водопроводная вода с высоким уровнем газосодержания, в которой заведомо присутствуют относительно крупные Кавитационные газонаполненные ядра. При попадании таких ядер в зоны пониженного давления ядра будут увеличивать свой объём до некоторого максимального значения, а затем их объём будет периодически изменяться на собственной частоте

. (18)

Энергия, запасённая кавитационной полостью, будет частично генерироваться в форме акустических колебаний, с коэффициентом трансформации в тепловую энергию не превышающим 1% от общей энергии полости.

Следует иметь в виду, гидродинамические системы кавитационных теплогенераторов являют-ся замкнутыми (Рис. 2), что предполагает наличие циркуляционного контура. Жидкость, прошедшая зону пониженных давлений в теплогенераторе через непродолжительное время снова попадает туда. Такая циркуляция жидкости через кавитационную зону характеризуется гистерезисными явлениями [8], когда количество и распределение по размерам кавитационных ядер изменяется. Кавитационная прочность жидкости падает, в системе циркулируют газонаполненные пузырьки, с размерами, не позволяющими им достигать водной поверхности в расширительном бачке (Рис.1).

Таким образом, на основании проведенного анализа можно прийти к заключению, что в условиях теплогенераторов гидродинамическую кавитацию нельзя рассматривать как источник дополнительной энергии. Ансамбль расширяющихся, схлопывающихся и пульсирующих кавитационных каверн представляется как своеобразный энергетический трансформатор энергии, коэффициент полезного действия которого в принципе, как и любого трансформатора не может превосходить единицу.

Литература

1. tstu.ru/structure/kafedra/doc/maxp/eito6.doc

2. Фридман В.М. Ультразвуковая химическая аппаратура. - М.: Машиностроение, 1967. - 211 с.

3. Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиций теории движения. - Кишинев – Черкассы: ОКО-Плюс. ,2000. - 387 с.

4. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974. - 678 с.

5. Перник А.Д. Проблемы кавитации. - Л.: Судостроение, 1966. - 435 с.

   ");

6. Флин Г. Физика акустической кавитации в жидкостях. В кн. Физическая акустика, // под ред. У. Мэзона, Т 1, - М.: Мир, 1967, С. 7 - 128.

7. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации. В кн. Мощные ультразвуковые поля, // под ред. Л.Д. Розенберга, 1968. С. 168 - 220.

8. Васильцов Е.А., Исаков А.Я. Гистерезисные свойства кавитации // Прикладная акустика. Вып. 6. -Таганрог: ТРТИ, 1974. -С.169-175.

Автор: Исаков Александр Яковлевич

Разместил статью: isakov
Дата публикации:  26-08-2007, 17:36

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Исаков Александр Яковлевич  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!