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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Абдалиев У.К.

Получено термодинамическое уравнение показывающее возникновения из-за разности концентраций атомов и молекул газа и жидкости на границе раздела разность давления в тонких прослойках. При мгновенном исчезновении этой границы раздела фаз происходит выравнивания значений поверхностной энергии и в результате выделяется избыточная свободная энергия в виде тепла. По результатам исследований сделан вывод, что выделеннаяя тепловая энергия, приблизительно в 2 раза больше, чем электроэнергия, затраченная на создание кавитационного движения воды и полученную в виде тепла избыточную энергию можно использовать для отопления зданий и сооружений.

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.

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

Для рассматриваемой системы первый закон термодинамики может быть записан в виде

dU=TdS - PdV + dA (1)

где dA - увеличение энергии системы и выражается в джоулях, как и термодинамическая работа рdV, -межфазное натяжение.

Для свободной энегии F, в дифференциальной форме имеем:

dF=dU-TdS-SdT (2)

Подставив уравнение (1) в (2), получим

dF=-SdT - PdV + dA (3)

Из (3) имеем: (4) ; (5) ; (6)

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

dG=dU+рdV+Vdр-TdS-SdT (7)

Тогда из (7) получим: (8) ; (9) ; (10)

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

dU=TdS-рdV+ dA+ . (11)

Соответственно для энтальпии Н, свободной энергии F и свободной энергии Гиббса G можно получить:

dH=dU+рdV+Vdр =TdS+Vdр+dA+. (12)

dF=dU-TdS-SdT =-SdT-рdV+dA+ . (13)

dG=dH-TdS-SdT =-SdT+Vdр+dA+ . (14)

свободная энергия тепло фаза

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

i= (15)

i= (15)

i= (15)

i= (15)

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

U=TS-рV+A+ (16)

H=TS+A+ (17)

F=-рV+A+ (18)

G=A+ . (19)

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

dV= (20)

где i -парциальный мольный объем i- компонента жидкости.

Объем и поверхность капли определяются соотношениями 4r3/3 и 4r 2 соответственно. Потому

dA=2dVr = (21)

Совместное решение уравнений (14) и (21) дает

dG=-SdT+Vdр+ (22)

Химический потенциал i-го компонента в капле i тогда будет равен

i==2ir + i (23) i - i =2ir (24)

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

i=+RT lnрi и i=+RT lnрi

где рi - давление пара над плоской поверхностью, рi - давление над искривленной поверхностью. Постановка этих соотношений в уравнение (24) дает

(25)

Если вместо капли жидкости в паровой фазе мы рассмотрим пузырек пара в жидкости(двух компонентная система), где радиус кривизны принимается отрицательным, то (25) примет вид:

(26)

Обозначив , из (24) получим

i=+i (27)

С другой стороны

i=+RT lnX (28)

где Хi - атомные доли, индексы и относятся к объему пузырька и поверхности жидкой фазы соответственно.

Решая совместно уравнения (27) и (28) получим

(29)

(30)

(31)

Последнее уравнение 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.

Основанием для объяснения этих процессов могут быть вихревые теплогенераторы [4], в которых поток воды в вихре разгоняет-ся до больших скоростей, вследствие чего давление в воде становится значительно ниже ат-мосферного, 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.

Выделенную в виде тепла избыточную свободную энергию раздела фаз водо-пузырьковой смеси, в гидродинамической кавитационной установке, можно использовать для отопления зданий и сооружений.

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

4. 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.

Размещено на Allbest.ru