Термодинамические основы получения тепла с использованием водо-пузырьковой смеси на основе гидродинамической кавитации

УДК 621.1  №2, 2014г. МРНТИ 31.15.25, 44.31.03

 

Скачать

 

У.К.Абдалиев,  Ы.Ташполотов,  А.Ы. Ысламидинов

 Институт природных ресурсов Южного отделения Национальной академии наук
г.Ош, Киргизская Республика

 

Получено термодинамическое уравнение, показывающее возникновение разности давления в тонких прослойках из-за разности концентрации атомов и молекул газа в жидкости на  границе раздела. При мгновенном исчезновении этой границы раздела фаз происходит выравнивание значений поверхностной энергии и в результате выделяется избыточная, свободная  энергия в виде тепла. По результатам исследований сделан вывод, что выделенная тепловая энергия, приблизительно в 2 раза больше, чем электроэнергия, затраченная на создание кавитационного движения воды. Полученную в виде тепла избыточную энергию можно использовать для отопления зданий и сооружений, поскольку  она является ресурсо- и энергосберегающей, а также экологически чистой технологией.
Ключевые слова: термодинамика, водо-пузырьковая смесь, кавитация, энергосберегающая технология, отопление, энергосберегающее отопление, экологическая технология.

__________________________________

Абдалиев У.К., Ташполов Ы., Ысламидинов А.Ы.  
ГИДРОДИНАМИКАЛЫҚ КВИТАЦИЯ НЕГІЗІНДЕГІ СУ-КӨБІРШІКТІ ҚОСПАНЫ ПАЙДАЛАНЫП ЖЫЛУ АЛУДЫҢ ТЕРМОДИНАМИКАЛЫҚ НЕГІЗІ

 Бөлімнің шекарасында газ бен сұйықтың атомдары мен молекулаларының жинақталу айырмашылығына байланысты жіңішке қабатшаларда қысым айырмашылықтарының пайда болуын көрсететін термодинамикалық теңдеу алынған. Фаза бөлігінің осы шекараның бір сәтте жоғалып кетуінен беттік энергияның түзетілуі жүріп, нәтижесінде жылу түріндегі артық бос энергия бөлінеді. Зерттеу нәтижесі бойынша бөлінген жылу энергиясының судың кавитациялық қозғалысын жасауға жұмсалған электроэнергияға қарағанда 2есе артық деген қортынды жасалған. Жылу түрінде алынған артық энергияны ғимараттарды жылытуға пайдалануға болады, себебі ол ресурс- және энергоүнемдеуші, және сондай-ақ экологиялық таза технология болып табылады.
Түйінді сөздер: термодинамика, сулы-көбіршікті қоспасы, кавитация, энергоүнемдеуші жылу, экологиялық технология.

___________________________________

Abdaliev U.K., Tashpolotov Y., Yslamidinov  A.Y   
THERMODYNAMIC BASICS OF RECEIVING OF HEAT WITH USING WATER-BUBBLE MIXTURE BASED ON HYDRODYNAMIC CAVITATION

Having received a thermodynamic equation showing because of difference in concentrations of atoms and molecules of gas and liquid at the pressure difference in thin interlayer. At instantaneous disappearance of this phase boundary occurs alignment values ​​of the surface energy and the resulting excess free energy is released as heat. By results of researches made conclusion that emitted thermal energy, about 2 times more than the electricity consumed by the creation of cavitations and the resulting movement of water in the form of heat excess energy can be used for heating buildings.
Keywords: thermodynamics, heat, water-bubble mixture, cavitation, energy saving technology, heating, energy saving heating, ecological technology.

 

 

Введение. Известно, что при изучении границы раздела фаз в соответствии с тремя состояниями вещества (твердое, жидкое и газообразное) необходимо рассматривать следующие типы поверхности раздела: газ-жидкость, газ-твердое тело, жидкость-жидкость, жидкость-твердое тело и твердое тело-твердое тело. При этом,  граница раздела фаз представляет  собой не просто геометрическую поверхность, а промежуточную фазу, имеющую определенную толщину с избыточной свободной энергией, которая  связана с силами, участвующими в формировании границы раздела. Атомы или молекулы  в межфазной области находятся в непрерывном движении; во всех случаях они поступают в эту область и покидают ее с высокими скоростями, так что время их пребывания в ней очень мало (Н-Р, порядка 10-6с для молекул на поверхности жидкости) [1]. Толщина промежуточной фазы в типичных случаях составляет 1-10нм. Необходимым условием стабильного существования поверхности раздела между двумя фазами  дисперсных систем является положительное значение свободной энергии образования поверхности раздела.

 В соответствии с работы [2] стабильность дисперсных систем, в частности растворов, может нарушаться при достижении определенных предельных концентраций, когда стабильное термодинамическое равновесие переходит в метастабильное. В результате возникает  новая фаза, т.е. происходит диспергирование одного вещества в другом. Таким образом, область стабильности, например, раствора, определяется термодинамическими критериями.При термодинамическом анализе межфазная граница может рассматриваться как открытая или в определенных случаях как закрытая система.

 

Методы исследований. Рассмотрим замкнутую плоскую поверхность раздела постоянного состава с тангенциальным натяжением g в качестве интенсивной переменной.

Для рассматриваемой системы первый закон термодинамики может быть записан в виде

 

dU=TdS — PdV + \large \gamma dA             (1)

 

где  \LARGE \gammadA — увеличение энергии системы и выражается в джоулях, как и термодинамическая  работа рdV,

\LARGE \gamma -межфазное натяжение.

Для свободной энергии  F, в дифференциальной форме имеем:

dF=dU-TdS-SdT                      (2)

Подставив уравнение (1) в (2), получим

dF=-SdT — PdV + \LARGE \gamma dA             (3)

Из (3) имеем:

аб 14

Для свободной энергии Гиббса (G=H-TS=U+PV-TS) дифференцируя, получим

dG=dU+рdV+Vdр-TdS-SdT            (7)

Тогда из (7) получим:

аб 16

Если промежуточная фаза открытая с переменным составом, то обозначая химический потенциал и число молей i-го компонента как \LARGE \mui и ni  соответственно, можно записать

dU=TdS-рdV+\gamma dA+ \Sigma \mudni       (11)
i
Соответственно для  энтальпии Н, свободной энергии F и свободной энергии Гиббса G можно получить:

dH=dU+рdV+Vdр =TdS+Vdр+\gammadA+ \Sigma \mudni
                            (12)

dF=dU-TdS-SdT =-SdT-рdV+\gammadA+ \Sigma \mudni
i                                 (13)

dG=dH-TdS-SdT =-SdT+Vdр+\gammadA+  \Sigma \mudni
i                              (14)

Из соотношений (12) –(14) для химического потенциала получим:

аб.1

Интегрируя уравнении (15) – (18) при постоянных значениях интенсивных параметров, получим

аб 5

 

 

 

 

Полученные уравнения (11)-(14) применимо только для плоской поверхности. В случае малых сферических капель введение дополнительного количества вещества в каплю должно приводить к изменениям величины А.  Соответствующие изменение объема могут быть записаны в виде

аб 6

 

где   \nui -парциальный   мольный объем     i- компонента жидкости.

Объем и поверхность капли определяются соотношениями 4\LARGE \pir3/3  и  4\LARGE \pir 2 соответственно. Потому

аб 7
Совместное решение уравнений (14) и (24) дает

аб 8

Химический потенциал iго компонента в капле \mu¢i тогда будет равен

аб 9

Таким образом, величины химического потенциала для плоской и искривленной поверхностей могут быть записаны в виде:

аб 10

где рi – давление пара над плоской поверхностью,

рi` — давление над искривленной поверхностью. Постановка этих соотношений в уравнение (27) дает

 аб 11

Если вместо капли жидкости в паровой фазе мы рассмотрим пузырек пара в жидкости(двух компонентная система), где радиус кривизны принимается отрицательным, то (29) примет вид:

аб 12

 

 аб 15

Результаты и обсуждение. Последнее уравнение (35) показывает, что в приповерхностном тонком слое  между двумя фазами конденсируются компоненты с небольшим поверхностным натяжением. Из-за разности концентраций атомов и молекул газа и жидкости на их границе раздела возникает разность давления в тонких прослойках. Толщины таких слоев и прослойки определяются радиусом действия молекулярно-поверхностных или электроповерхностных сил и структура жидкости на границе фаз отлична от объемной. При возможном мгновенном исчезновении этой границы раздела фаз происходит выравнивания значений поверхностной энергии и в результате выделяется избыточная свободная  энергия в виде тепла.

В лабораторных условиях получение таких условий можно  путем создания водо-пузырьковой  гетерогенной смеси. Такую смесь получили в сосуде емкостью 500 мл, термостатируемой термостатом. Температура воды в термостате фиксируется термометром и регулируется при помощи контактного термометра. Вода подается из емкости путем регулирования  расхода с помощью вентиля. В дальнейшем для получения водо-пузырьковой смеси использовали следующую связку: водяной насос выкачивает воды через отверстия малого сечения сопло Лаваля. Из-за изменения давления жидкости в сопле Лаваля происходит образование пузырьков и получим водо-пузырьковой смеси. Далее смесь попадает в гидроударную камеру большего сечения, где водо-пузырьковая струя направляется под углом на твердую стенку  в цилиндрической ёмкости реактора. В цилиндрической ёмкости реактора формируется также вихревое течение, в котором дополнительно образуются кавитационные пузырьки[3], а те что сформировались в кавитационной камере (сопло Лаваля)»схлопываются» и делятся на более мелки пузырьки, которые далее «схлопываются».

Как известно,  вода не сжимаема, но она очень хорошо разжимаема, с образованием пузырьков. Когда эти пузырьки обратно сжимаются, из-за ускорения, возникает высокое давление. При этом молекулы жидкостей, по-видимому, соединяются, формируя объёмные кластерные структуры. В результате разрушения этих кластерных структур термодинамические и физико-химические  характеристики воды изменяютсятся.

Поэтому благодаря гидродинамическому кавитационному воздействию водо-пузырьковая смесь превращается в «гетерогенную суспензию» с измененными термодинамическим свойствами.

Эти изменения происходит в момент захлопывания пузырьков около твердой стенки реактора. Под действием разности давлений, действующих на кавитационные пузырьки, они ускоряются, приобретают дополнительно и кинетическую энергию. Величина приобретенной кинетической энергии (энергия удара о поверхности) оказывается достаточной для разрыва связи между молекулярными кластерами.  В результате в локальной области вещества в момент исчезновения кавитационного пузырька (захлопывания) происходит выделения большого количества энергии.  Данная энергия, выделяющаяся в зоне «схлопывания», преобразуется в тепло в объеме жидкости.

Дискуссия. Основанием для объяснения этих процессов могут быть вихревые теплогенераторы [4], в которых поток воды в вихре разгоняет­ся до больших скоростей,  вследствие чего давление в воде становится значительно ниже ат­мосферного, и в результате этого образуются кавитационные пузырьки. Далее этот поток тормозится механической преградой, давление в воде резко повышается, и кавитационные пузырьки захлопываются. При этом выделеннаяя тепловая энергия, приблизительно в 2 раза больше, чем электроэнергия, затраченная на создание вихревого и кавитационного движения воды.

Могут возникнуть некоторые вопросы, в частности, что при прохождении воды через  водяной насос, через отверстие малого сечения сопла Лаваля и гидроударную камеру большего сечения, где водо-пузырьковая струя направляется под углом на твердую стенку  в цилиндрической ёмкости реактора, возникает шумовой эффект. И для использования данного устройства в техническом подвале жилого дома надо будет выполнить шумоизоляцию данного технологического процесса. Что даст дополнительные экономические затраты. Однако эксперимент подтвердил, что в исследованиях не замечены никакие шумовые эффекты. Если даже  и возникает такие эффекты они незначительны и поэтому нет необходимости создавать шумоизолирующие устройства.

Безусловно, надо учесть тепловые и линейные потери во время подачи воды потребителям, а также климатические условия местности, где будет устанавливаться данное устройство. Так как в наиболее холодную пятидневку зимнего периода отопления подающая вода для систем отопления должна быть в северных регионах 110оС и при  необходимости надо создавать перепад давления и урегулировать температуру

Еще один важный дискуссионный момент. По  последним научным исследованиям свойств воды результаты разрушения кластерных структур при термодинамических и физико-химических воздействиях  характеристики воды изменяютсятся. И эти изменения не дают положительных результатов. Свойство воды во многих случаях не востанавливается. И при многократном использовании данного деления тепловой эфект может угасать. Соответственно нет гарантии выделения постоянной температуры данного устройства при использовании в системах отопления, что черевато последствиями. Особенно в зимней период когда отопление зданий происходит в пиковом режиме.

Можно констатировать, что  действительно в процессе разрушения кластеров воды отдельные физико-хъимические параметры  изменяются, но незнатительно. Поскольку, как известно, у  водородной связи сранительно низкая прочность. Она в 5…10 раз слабее химической ковалентной связи. Энергия водородной связи составляет 5-10 ккал/моль., в то время энергия ковалентной связи -109 ккал/моль.Т.е водородная связь в жидком состоянии относительно слабы и неустойчивы: они могут легко возникать и исчезать в результате тепловых флуктуаций. Но водородная связь обладеет другим важным свойством – кооперативность взамодействия,  т.е одна молекула воды в конденсированном состоянии способна образовывать водородные связи с четырьмя молекулами воды. Однако, время релаксации при комнатной температуре составляет 10-11 с. А время одного колебания молекулы воды значительно меньше -10-13 с. Поэтому каждая молекула воды совершает около 100 колебаний относительно одного и того же положения равновесия, прежде чем сменит свое место.  Отсюда можно сделать вывод, что те изменения, которые происходит в процессе разрушения “мгновенных” кластеров дает незначительный вклад на изменения физико-химических свойств воды. В данном случае рассматривается вопрос термодинамических свойств воды при кавитации.

 Выводы.  Таким образом выделенную в виде тепла избыточную свободную  энергию раздела фаз водо-пузырьковой смеси, в гидродинамической кавитационной установке, можно использовать для отопления зданий и сооружений, поскольку данная технология  является ресурсо- и энергосберегающей, а также экологически чистой  технологией.

Литература

 1 Адамсон А. Физическая химия поверхностей. Пер. с анг. –М.: Мир, 1979.-568с.

2 Дерягин Б.В. теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. –М.:Наука, 1986. -206с.

3 Кнэпп Р., Дэйли ДЖ., Хэммит Ф. Кавитация: Пер. с англ.-М.: Мир, 1974.-687с.

4 Потапов Ю.С., Фоминский Л.П. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиции теории движения. Изд-во «ОКО-Плюс», Кишинев-Черкассы, 2000. –160 с.

Киргизия

 

Комментарии закрыты.

Яндекс.Метрика