Статья носит постановочный характер и не должна рассматриваться как покушение на сложившиеся устои современной энергетики. В условиях кризиса с ресурсами (углеводороды, ядерное горючее и др.) поиск новых путей решения энергетических проблем становится чрезвычайно актуальным. Но у данной статьи имеется и другая цель – привлечь внимание ученых к принципиальной необходимости полной децентрализации получения, в частности, тепловой энергии.
В статье рассмотрен ряд методов нетрадиционного получения тепловой энергии, пригодных для решения поставленных целей.
Кавитация (от лат. cavitas — пустота), образование в жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения pkp (в реальной жидкости pkp определяется значением давления насыщенного пара этой жидкости при данной температуре и давлением атмосферного столба над поверхностью жидкости). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитацию называют гидродинамической, а если вследствие прохождения акустических волн — акустической.
Поскольку в реальной жидкости всегда присутству,ет в растворенном виде газ, то, двигаясь с потоком и попадая в область давления р < ркр, газ приобретает способность к выделению (к выходу) из воды, образуя газовые пузырьки микроскопических размеров. Если же давление в жидкости ниже значений, соответствующих температуре кипения при данном давлении, то в полости газовых пузырьков начинается испарение жидкости. Это есть парогазовая фаза кавитации. Если же давление в жидкости продолжает оставаться ниже значений кипения жидкости, то в образовавшихся пузырьках преобладающим становится пар. Это паровая фаза кавитации.
После перехода в зону повышенного давления рост пузырька прекращается, и он начинает сокращаться. Если в пузырьке содержится достаточно много газа, то по достижении им минимального радиуса он может совершать нескольких циклов затухающих колебаний, а если газа мало, то пузырёк захлопывается полностью в первом периоде жизни. Таким образом, вблизи обтекаемого тела (например, в трубе с местным сужением, рисунок 1) создаётся довольно четко ограниченная “кавитационная зона”, заполненная движущимися пузырьками.
Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом (своего рода гидравлическим ударом) тем более сильным, чем меньше пара содержит пузырёк. Если степень развития кавитации такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от нескольких сотен герц до сотен и тысяч килогерц. Если кавитационная каверна замыкается вблизи от обтекаемого тела, то многократно схлопывающиеся пузырьки приводят к разрушению (к так называемой кавитационной эрозии) поверхности обтекаемого тела (лопастей гидротурбин, гребных винтов кораблей и других гидротехнических устройств).
Нижеследующий материал на данном этапе необходим лишь для того, чтобы мы могли иметь для анализа ряд показателей процесса кавитации, которые определены экспериментально.
Непонимание явления кавитации породило модели, объясняющие процессы, протекающие при этих условиях, как процессы холодного термоядерного процесса. На этом, в частности, строится объяснение процесса, при котором коэффициент полезного действия, определяемый в соответствии с канонами классической термодинамики, превышает 100%. Например, установки Ю. Потапова, выпускаемые серийно последние 20 лет, имеют энергоэффективность порядка 120%. Установки, разработанные Колдамасовым, предъявляют жесткие требования к качеству исходной воды и при их использовании требуется добавка “тяжелой” воды. По этим причинам использование установок Колдамасова не нашло никакого применения, хотя в этих установках энергоэффективность достигает 250%.
Исследования Ф. Гайтана и Л. Крума в университете штата Миссисипи, проведенные в 80-е годы, показали, что одиночный кавитационный пузырек, удерживаемый в сконструированной ими ультразвуковой установке, раздувается до 50 мкм, затем стремительно сжимается в миллионы раз и излучает световую вспышку длительностью ~ 50x10-12 сек. При этом вспышки из одного и того же пузырька повторяются с потрясающе чёткой периодичностью, стабильность которой можно сравнить со стабильностью работы кварцевого генератора.
При прохождении ультразвука через жидкость (при ряде условий) волны плотности вызывают явление сродни кавитации – быстрый рост и стремительное схлопывание миниатюрных пузырьков газа, растворённого в этой жидкости, либо – пара самой жидкости. По некоторым данным, стенки этих пузырьков устремляются навстречу друг другу со скоростью до полутора километров в секунду.
Некоторые экспериментаторы рапортуют о миллионах градусов и даже о достижении ядерного синтеза в пузырьках. Не один год вокруг таких “открытий” идут очень жаркие споры. Саслик и Флэнниган говорят, что сделали запись самых интенсивных вспышек света, когда-либо видимых в таких пузырьках (и видимых простым глазом) и впервые детально замерили всё, что происходило внутри (рисунок 2).
Коллапсирующие пузырьки газа в их установке развивали температуру порядка 15 тысяч градусов Цельсия. При этом образовывалась плазма. Для возбуждения исследователи использовали звуковые волны с частотой 20-40 килогерц, направленные на сосуд с концентрированной серной кислотой, содержащей аргон. Сверхбыстрое колебание давления в жидкости вызывало рост и коллапс пузырьков. Их высокая температура была способна отделять электроны от их “родных” атомов. Доказательство существования в сосуде плазмы заключается, в числе прочего, в обнаружении там ионизированных молекул кислорода (O2+).
Некий процесс должен был удалить электрон из молекулы, не нарушая химическую связь двух атомов. Само по себе нагревание разбило бы молекулу на два отдельных атома, а значит, рассуждают авторы работы, кислород был ионизирован, когда столкнулся с электронами высокой энергии или другими ионами в горячем плазменном сгустке.
Однако при интерпретации эксперимента Саслик и Флэнниган допустили ряд ошибок. При правильности проведенных замеров температуры авторы неверно трактовали момент появления плазмы (см. рисунок 3). Непонимание авторов эксперимента как раз обнаруживается при рассмотрении модели плазмы, использованной авторами, как модели ионизированного газа, что дает совершенно неверную интерпретацию процесса. Дело в том, что плазма может появиться только в виде квантов (фотонов высокой энергии), возникающих при разрушении электромагнитной оболочки ядер атома – разрушение электронов, нейтронов, протонов. Об этом говорит торсионная модель вещества.
Основатель электрической теории сонолюминесценции Я. И. Френкель еще в 1940 г. предположил, что кавитационные полости в воде возникают точно так же, как трещина в твёрдом теле. Это, в общем, понятно, поскольку вода имеет квазикристаллическую структуру. А так как молекулы воды полярны, то на противоположных сторонах таких “трещин” в жидкой воде, по мнению Френкеля, появляются значительные заряды противоположных знаков, как при растрескивании ионных кристаллов. Затем между стенками полости начинают происходить электрические разряды в парогазовой среде, ведущие к возбуждению молекул и атомов газа с последующим высвечиванием ими фотонов.
Но опыты Гайтана и Крума продемонстрировали совершенно иное. Одиночный кавитационный пузырёк, не делясь, продолжает исправно излучать всё новые и новые импульсы света в течение многих циклов его расширения и сжатия в ультразвуковом поле. Как в нём за столь малое время между импульсами излучения восстанавливается электрический заряд, необходимый для следующего разряда? Восстанавливается без нарушения целостности поверхности пузырька! Отсутствие ответа на этот вопрос пошатнуло позиции электрической теории сонолюминесценции и заставило многих вернуться к термической теории. Вместе с тем, эти исследования показывают, что в кавитационных пузырьках нет, и не может быть никаких электрических разрядов.
Затем появились гипотезы о том, что в кавитационных пузырьках высвобождается энергия физического вакуума. Само по себе такое объяснение ни о чем не говорит и ничего не объясняет, так как все в мире объясняется свойствами физического вакуума. Следовательно, такое объяснение не более чем никак не обоснованное предположение, направленное на то, чтобы уйти от истинного объяснения процесса. Каждая из перечисленных моделей не имеет практически ничего общего с реальностью. Только признание факта электромагнитной природы любого вещества и, соответственно, торсионной модели вещества способно хоть как-то объяснить происходящие процессы.
Обычно разрыв в жидкости возникает при давлениях лишь немного меньших давлениях насыщенного пара. Считают, что низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков твёрдого тела, твёрдых частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопических газовых пузырьков, ионных образований, возникающих под действием космических лучей. В ряде работ обнаружено влияние электрического тока и магнитного поля на кавитацию, возникающую при обтекании цилиндра в гидродинамической трубе.
В одной из работ, посвященных рассмотрению технических характеристик кавитационных преобразователей, отмечалось, что при постоянной работе кавитационного преобразователя, работающего на воде, в конкретной реализации приходится добавлять воду в количестве примерно 2% от общего объема воды при работе установки в течение месяца. Данный цифровой показатель не является абсолютным, и дефект массы воды может быть совершенно иной. Однако это может означать только лишь то, что именно вода преобразуется в энергию. Причем это преобразование необратимо, поскольку происходит отбор тепла тем или иным образом. С позиций традиционной физики данное явление не может получить хоть какое-то обоснование, поскольку в процессах, протекающих в кавитационных преобразователях, скорости движения жидких сред далеки от скорости света, чтобы можно было хоть как-то воспользоваться релятивистскими соотношениями А. Эйнштейна. Следовательно, вещество может преобразовываться в энергию при сравнительно малых скоростях движения тела.
Выше приводились данные замеров движения схлапывающихся стенок кавитационных каверн. Эти значения сравнительно невелики - порядка полутора километров в секунду. И если при этих скоростях движения среды возникают явления, сопровождаемые выделением плазмы, это может быть объяснено только при условии принятия торсионной модели вещества. Суть этой модели заключается в том, что все частицы, образующие атомы вещества (электроны, позитроны, нейтроны и протоны), являются такой структурной реализацией электромагнитного поля, при котором вихревое электромагнитное поле, всегда имеющее замкнутый, ограниченный объем, фокусирует в себе сгустки плазмы, порождаемой физическим вакуумом.
При прямолинейном движении вещества сквозь структуру абсолютно неподвижного физического вакуума начинаются сказываться эффекты, описываемые уравнением Лоренца для движущегося стержня.
Лоренц разрабатывал свою модель, исходя как раз из электромагнитной природы вещества, и не его вина, что А. Эйнштейн воспользовался этой моделью в своих целях, исказив идеи Лоренца. Чтобы представить себе, как может происходить сокращение линейных размеров физического образования, образующего то, что принято обозначать как вещество, дадим сечение вихревого образования, входящего в структуру “вещества”.
Рисунок 4а представляет собой торсионную модель сечения какого-либо элемента, входящего в структуру “вещества” (электрона, позитрона, нейтрона, протона), которое при этом абсолютно неподвижно относительно абсолютно неподвижного физического вакуума. Рисунок 4б представляет собой модель этого же сечения, когда тело движется относительно физического вакуума со скоростью V. На рисунке показано изменение взаимодействия приведенного сечения элементарной частицы при ее движении (относительно физического вакуума)
При любых ситуациях (движение или абсолютная неподвижность) физический вакуум возбуждается (поляризуется) вращающимся вихрем электромагнитного поля (ЭМП) так, что в центральной зоне вихря происходит вытеснение самого физического вакуума, за счет чего из “недр” физического вакуума рождается плазма, представляющая собой “чистую энергию”. Именно этими свойствами, возникающими при взаимодействии вихря ЭМП, объясняются большинство физических свойств тел – масса, инерция, твердость и так далее. Однако нас сейчас интересует лишь один вариант этого взаимодействия – взаимодействие с физическим вакуумом при движении тела.
Объяснение происходящих изменений формы возбуждения физического вакуума связано с тем, что при появлении движения в направлении, указанном стрелкой, условия возбуждения вакуума меняются и при определенной скорости плазма начинает касаться оболочки вихря ЭМП, которая является электромагнитным стабилизатором положения плазмы в шнуре вихря ЭМП. Дальнейшее повышение скорости движения вызывает разрушение вихря ЭМП, и шнур вихря ЭМП разрушается, приводя к распаду атомных структур вещества. При этом частицы, образующие атом, распадаются на фотоны высоких энергий, несущих в себе тепловую энергию. Данные фотоны поглощаются веществом, сохраняющим исходную форму вихрей ЭМП, приводя вещество к интенсивному нагреву.
Это и вызывает появление энергии из “ниоткуда”, поскольку выделяющейся энергии может быть существенно больше, чем ее было затрачено на приведение в движение исходного вещества. Естественно, при этих процессах исходного вещества остается меньше, чем было до начала эксперимента. Следует сказать также, что при таком разрушении вещества не происходит излучение каких-либо иных образований (альфа-частицы, гамма-излучение и т.п.), кроме фотонного излучения.
Подобное явление возникает не только при кавитационных процессах, но и вообще при любых движениях любого вещества со скоростями, превышающими критическую скорость, которой является такая скорость, когда начинается относительно массовое разрушение атомных структур. Например, известен итог эксперимента белорусского ученого С. Ушеренко, производившего в 1974 г. “обстрел” массивной стальной плиты песчинками со скоростями порядка 1 км/сек. В результате оказывалось, что в значительном числе случаев песчинки прожигали насквозь массивную стальную плиту толщиной 200 мм. На основе этого эксперимента можно положить, что нижним порогом (критическим значением скорости линейного движения), при котором может начинаться разрушение атомной структуры вещества, является скорость движения вещества относительно физического вакуума, равная 1 км/сек. При дальнейшем повышении скорости линейного движения все большее количество вещества разрушается до состояния плазмы. При этом выделяется все большее количество энергии. Наконец, верхним критическим значением линейной скорости движения вещества будет значение 15 км/сек. При этой скорости все вещество полностью распадается на тепловые фотоны, воспринимаемые нами как плазма.
Следовательно, в соотношение Лоренца для определения значения сокращения длины движущегося стержня следует подставить вместо скорости света значение верхней критической скорости, т.е. 15 км/сек (или близкое к этому значение, которое можно определить эмпирически). Правда, в реальных условиях практически всегда присутствует действие силы гравитации, которая, в свою очередь является “смазкой” и не дает разрушаться веществу, если вектор силы тяжести действует согласно с направлением движения. Дело в том, что гравитацию следует рассматривать как особую форму поляризации физического вакуума. Этим объясняется то, что планеты и звезды, обладающие собственной активной формой гравитации, при движении в космосе со скоростями, существенно превышающими 15 км/сек, не разрушаются, а кометы, не обладающие такой формой гравитации, напротив, активно и непрерывно разрушаются.
Таким образом, источником тепловой энергии, выделяемой при кавитационных процессах, является механизм распада вещества на высокоэнергетические фотоны, разогревающие остальную часть вещества. Общее количество вещества, которое было до начала процесса, не будет равно количеству вещества, остающемуся после завершения процесса. Убыль вещества прямо пропорциональна выделившейся при процессе тепловой энергии. Однако коэффициент пропорциональности в этой зависимости на сегодня не известен. При этом нельзя использовать никаким образом формулу Эйнштейна для соотношения энергии и массы вещества.
С другой стороны, при надлежащем выборе механизма формирования кавитационных процессов в жидкости можно получать тепловую энергию в количествах, существенно превышающую значения энергии, затрачиваемой на приведение жидкости в движение.
В ряде работ было обосновано, что на наноуровне (на границе некоторого твердого тела) обязательно будет проявляться действие сил гравитации, которыми “склеиваются” между собой протоны и нейтроны. Эти силы до сих пор в определенной мере не были идентифицированы как силы гравитации, поэтому их открытие оказалось связано с именем физика Казимира, первым предсказавшим наличие этих сил.
На процесс вытекания жидкости из калиброванного сосуда при измерении кинематической вязкости через калиброванный капилляр будет оказывать эффект механического воздействия на жидкость со стороны стенок капилляра, обуславливаемый действием эффекта Казимира. Этот эффект, в частности, объясняет различие в степени смачиваемости поверхностей твердых материалов и вносит погрешности в измерения кинематической вязкости жидкости. В научных исследованиях вязкости жидкостей на это обстоятельство до сих пор не обращали внимания. Тем не менее, открытие эффекта Казимира исходно обусловлено как раз с исследованиями жидкостей, о чем в последующем более не вспоминали при постановке тех или иных исследований.
Суть эффекта Казимира состоит в следующем. Факт, что между двумя близко расположенными пластинами будет существовать сила притяжения, был предсказан в 1948 году физиком Хендриком Казимиром (Hendrik Casimir, 1909—2000) из Philips Research Laboratories в Нидерландах. В то время Казимир изучал свойства коллоидных растворов. Это вязкие вещества, такие, как краска или майонез, имеющие в своем составе частички микронных размеров. Свойства таких растворов определяются Ван-дер-Ваальсовыми силами - дальнодействующими силами притяжения между нейтральными атомами и молекулами.
Один из коллег Казимира, Тео Овербек (Theo Overbeek), обнаружил, что теория, используемая для объяснения Ван-дер-Ваальсовых сил, развитая Фрицем Лондоном (Fritz London) в 1932 году, не может адекватно объяснить полученные данные экспериментов. После этого Овербек попросил Казимира исследовать эту проблему. Работая вместе с Дирком Полдером (Dirk Polder), Казимир открыл, что взаимодействие между двумя нейтральными молекулами не может быть правильно описано исходя только из постоянства скорости света. Именно поэтому обоснование своего открытия Казимир распространил на твердые тела.
Казимир рассмотрел две плоские металлические нейтральные – незаряженные – пластины, расположенные в вакууме параллельно друг другу на некотором расстоянии. Поскольку электрическое поле не проникает в глубь металла, электрическая составляющая нулевых колебаний, направленная вдоль пластин, должна обращаться в нуль. А значит, рассуждал Казимир, вакуумное море обязано претерпеть определенные искажения, хотя его энергия как была бесконечной, так и останется такой. И все же, как первым заметил Казимир, если вычесть эту бесконечность из исходной (до внесения пластин), то получится некоторая конечная энергия, заключенная между пластинами. Эта энергия отрицательна и, следовательно (по правилам механики), должна привести к тому, что пластины будут притягиваться друг к другу.
Необычность такой силы притяжения, называемой вакуумной или казимировской, состоит в том, что она не зависит ни от масс, ни от зарядов, ни от других аналогичных постоянных, называемых физиками константами связи, а определяется только расстоянием между пластинами. Подобная сила, с точки зрения многих теоретиков того времени, выглядела какой-то неправдоподобной экзотикой, однако через 10 лет, в 1958 году, казимировское притяжение было обнаружено экспериментально, причем в соответствии с предсказаниями теории. На сегодня уже нельзя не учитывать действие силы от эффекта Казимира, например, при проектировании и изготовлении наномеханизмов.
Фактически действие сил от эффекта Казимира многогранно и проявляется, в частности, на границах раздела жидких и твердых сред, что создает определенные технические и технологические эффекты. Эти эффекты постоянно наблюдаются. В частности, наблюдается такое свойство жидкостей как изменение вязкости за счет действия сил от эффекта Казимира при взаимодействии с твердыми телами. Принято, что кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости к плотности среды. Тем самым дается понятие о вязкости среды в определенных условиях - под действием силы тяжести Земли. Это связано с методом измерения вязкости в капиллярном вискозиметре, когда измеряется время вытекания жидкости из калиброванной емкости через отверстие под действием силы тяжести. Видно, что при таком методе измерения кинематической вязкости никак не учитывается материал, из которого сделан капилляр, и действие силы от эффекта Казимира на протекающую жидкость.
Рассмотрим влияние сил от эффекта Казимира на свойства жидкости.
На рисунке 5а приведена условная граница раздела жидкой среды 1 и твердого тела 2. Слой жидкости Д1, непосредственно прилегающий к стенке твердого вещества, можно рассматривать как условную пластину, на которую действует сила притяжения F1 (силы Казимира) от имеющегося эффекта Казимира. Действие этой силы приводит к тому, что при движении твердого тела условная пластина Д1 будет жестко связана с твердым телом и будет оставаться совершенно неподвижной относительно твердого тела, т.е. будет полностью увлекаться движущимся твердым телом.
От действия силы Казимира в жидкости межатомные связи вещества, образующего жидкую среду, усиливаются, что и изменяет механические и другие физические характеристики жидкости. Характеристики слоя жидкости Д1 при действии силы от эффекта Казимира при этом изменяются так, что жидкость становится более жесткой, подобной твердому веществу. На следующий слой жидкости Д2 первоначально сформированный слой Д1 будет оказывать точно такое же воздействие, как и стенка твердого тела. Иначе говоря, вновь возникнет действие силы от эффекта Казимира, которая в данном случае будет несколько меньше, чем в первом случае. В итоге, от слоя к слою, сила от действия эффекта Казимира будет постепенно снижаться и впоследствии останется на некотором минимальном уровне Fмин, что показано на рисунке 5б. Минимальное значение этой силы характеризует действие силы Казимира одного атома на другой, соседний. Именно этим обуславливается и объясняется вязкость жидкости.
При движении твердого тела вдоль своей поверхности со скоростью V (см. рисунок 5а) за счет действия силы от эффекта Казимира жидкость будет увлекаться движущимся телом. При этом скорость перемещения слоя Д1 будет равной скорости движения тела. Скорость движения слоя Д2 будет меньше в пропорции уменьшения силы от эффекта Казимира. Каждый последующий слой будет иметь меньшую скорость по сравнению с предыдущим. Распределение скоростей слоев жидкости будет соответствовать распределению силы от эффекта Казимира (см. рисунок 5б). При этом движении слоев жидкости относительно друг друга будет происходить перестройка межатомных связей в жидкости.
При достижении скорости движения твердого тела некоторого критического значения Vкрит. межатомные связи в жидкости начнут разрываться, что приведет к выделению тепловой энергии, и жидкость будет разогреваться. Чем выше скорость движения твердого тела относительно жидкости, тем большее количество атомных связей в единицу времени будет разрываться, тем большее количество тепловой энергии будет накапливаться в жидкости. При достаточно большой скорости движения твердого тела разрыв межатомных связей будет происходить практически рядом с поверхностью твердого тела (вблизи слоя Д1), что будет эквивалентно активному трению двух твердых тел.
Таким образом, на практике возможна реализация способа получения тепловой энергии на основе действия сил от эффекта Казимира, который заключается в обеспечении такой скорости движения твердого тела относительно жидкости, при которой плавная перестройка межатомных связей в жидкости будет нарушаться, что и будет происходить с выделением тепловой энергии.
Представленные материалы показали, что существует ряд технологических процессов, в которых может быть получена тепловая энергия без сжигания, например, углеводородов. Внутренняя энергия вещества, выделяемая в вихревых процессах или за счет действия эффекта Казимира для жидких сред, а также при кавитационном возбуждении жидких сред, представляется более привлекательной по сравнению с другими технологиями получения тепловой энергии. При этих методах нет необходимости как-то защищаться от радиоактивного излучения или от радиоактивного “мусора”, утилизировать какие-либо остатки вещества, не попавшего в процесс “сжигания” этого вещества и т.д. Однако для получения энергии в промышленных целях и объемах необходимо научиться создавать условия, при которых процент вещества, “сгорающего” при этих процессах будет достаточно высок, т.е. необходимо научиться стабильно вести процесс полного разрушения вещества до уровня фотонов.
Материалы параграфа в части обоснования механизма разрушения вещества при движении с высокой скоростью (см. параграф “Торсионная модель при кавитационных процессах”) позволяют сделать заключение о том, что главной целью при создании нового процесса высвобождения внутренней энергии вещества должно быть создание тем или иным образом высокой скорости движения вещества. Именно это является отличительным признаком вихревых процессов, процессов разрушения межатомных связей при действии эффекта Казимира в жидких средах и процессов схлопывания кавитационных пузырьков. Наиболее целесообразным представляется использование, в первую очередь, процесса кавитации, поскольку при этом можно (теоретически) получить дополнительной энергии во много раз больше, чем при ядерной реакции.
С этой точки зрения рассмотрим ограничения, которые возникают при организации кавитационного процесса возбуждения жидких сред. Для этого вновь проанализируем движение жидкой среды через трубу переменного сечения. На рисунке 6 представлена картина кавитационного возбуждения при разных скоростях движения жидкости.
На рисунке выделены тональностью серого цвета три зоны кавитационного возбуждения жидкой среды, например, воды при разных скоростях движения жидкости. Очевидно не просто расширение зон кавитационного возбуждения, но и качественное изменение этого возбуждения. При значении скорости движения жидкости V1 время существования кавитационного пузырька будет существенно меньше, чем при скорости движения жидкости V2 и, тем более, - при скорости V3.
Размер пузырьков в первой зоне будет мал, и при их схлопывании время схлопывания будет существенно меньше, чем в других зонах кавитационного возбуждения. Кроме того, поскольку размер пузырьков в первой зоне будет мал, а время их существования будет мало, то в этой зоне кавитационные пузырьки будут существовать с газовой средой пузырька, что способствует быстрому схлопыванию пузырьков при движении их вместе с движущейся жидкостью. В зоне 2 – процесс перейдет в парогазовую стадию, а в зоне 3 – в паровую.
Следовательно, в зоне 1 при схлопывании кавитационных пузырьков будет выделяться большое количество тепловой энергии. В зоне 2 выделяемой энергии будет существенно меньше, поскольку кавитационный пузырек может схлопнуться только до какого-то минимального значения, определяемого количеством пара жидкости, остающегося в пузырьке. Кроме того, часть выделяемой энергии будет поглощена паром жидкости, что еще больше сократит выделяемую в жидкость тепловую энергию. В третьей зоне, где преобладающей средой в пузырьке будет пар жидкости, схлопывания пузырька вовсе не произойдет, и тепловой энергии при этом выделиться не может.
Необходимо также отметить, что при достижении скорости движения жидкости некоторого критического значения, поток жидкости полностью оторвется от стенок трубы, и никакого кавитационного возбуждения жидкости происходить вообще не будет. Это предъявляет особые требования к скорости движения жидкости через заданное сечение трубы. Следовательно, указанные ограничения по характеру и качеству возбуждения жидкости вынуждают ограничивать в конструкции устройства создания нужной скорости движения жидкости по минимальному и максимальному значениям.
Таким образом, скорость движения жидкости, при которой может выделяться значительное количество тепловой энергии, лежит в определенном диапазоне значенийVмин. < Vраб. < Vмакс., где
Значения минимальной и максимальной скорости движения жидкости следует подбирать экспериментально для каждого типа жидкости и для каждой конкретной конструкции. Анализ механизма схлопывания кавитационных пузырьков показал, что выбор конструкции для реализации нужного процесса тепловыделения – очень ответственный момент. По этой причине, а также по причине слабого понимания сути процесса кавитации большинство разработок сверхединичных теплогенераторов оказалось малоэффективными. Кроме того, очевидно и то, что кавитационное возбуждение жидкости не должно происходить рядом со стенкой конструкции, т.к. выделяющаяся энергия плазмы начнет сразу же разрушать стенку конструкции. Это означает, что кавитация должна быть объемной, удаленной от стенок конструкции. Это также накладывает определенные ограничения на конструкцию теплогенератора.
Еще один вывод из анализа процесса кавитационного возбуждения, представленного на рисунке 6, заключается в том, что зона кавитационного возбуждения не может быть очень большой (длинной) из условий обеспечения максимальной активации процесса схлопывания кавитационных пузырьков. Это также ограничивает потенциальные возможности метода получения тепловой энергии за счет кавитационного возбуждения жидкости.
Следовательно, необходимо искать конструкторские решения, позволяющие искусственно расширять эту зону настолько, чтобы эффект был усилен максимально возможно при минимальной длине зоны кавитации, т.е. при максимально возможной выделяемой мощности. Наконец, конструкция должна обеспечивать принудительное схлопывание кавитационных пузырьков, т.е. в конструкции необходимо предусматривать такие зоны, в которых давление в жидкости быстро восстанавливается, что и способствует скорейшему схлопыванию кавитационных пузырьков.
Иначе говоря, конструкция должна иметь “зону активации”, в которой осуществляется кавитационное возбуждение жидкости за счет падения давления в жидкой среде, и “зону гашения”, в которой давление жидкости быстро восстанавливается до исходного (до начала процесса активации), что и приводит к схлопыванию кавитационных пузырьков.
Кроме того, конструкция устройства получения тепловой энергии за счет кавитационных процессов должна обладать минимально возможными динамическими характеристиками, не должна создавать какие-либо завихрения жидкости, что приводит к турбулентности тока жидкости и к возрастанию нагрузки на приводной механизм, что снижает эффективность процесса.
Дата публикации: 6 ноября 2008
Источник: SciTecLibrary.ru
Дата публикации на данном сайте: 10.04.2011
