Особенности работы при повышенном исходном давлении воды.

До сих пор мы полагали, что давление p₀ в основной массе воды, в которой происходит кавитация, составляет 1 атм. Но в реальном гидродинамическом устройстве непременно имеет место силовой подпор воды – дляеёпрокачивания через устройство. У кавитаторов роторного типа, давление p₀ в зоне кавитации может в разы превышать атмосферное.

Этот случай особенно интересен вот почему. На Рис.5 и Рис.6 бросается в глаза радикальное снижение теплового эффекта при достаточно высоких температурах t₀ входящей воды – эта особенность снижает эффективность работы теплогенератора при многократном прогоне воды через него, с целью сильнее нагреть уже нагретую воду. А увеличить тепловой эффект при больших t₀ возможно как раз через повышение p₀.

Прежде чем проиллюстрировать это увеличение теплового эффекта при больших t₀, обратим внимание на ситуацию в области малых t₀. Пусть, например, t₀=20^оС, чем определяется p_насыщ=0.023 атм. Увеличение давления p₀, начиная с 1 атм, даст, согласно (1), увеличение p_lim и, соответственно, увеличение t_lim – отчего будет увеличиваться и тепловой эффект. При давлении p₀=2.24 атм, p_lim составит уже 218 атм, т.е. состояние кавитационного агрегата молекул будет достигать критической точки К (Рис.1). Этот случай является, по-видимому, пределом применимости формулы (1). Ведь если, по достижении критической точки, сохранится тенденция увеличивать объём при неизменном агрегатном состоянии, то состояние кавитационного агрегата молекул будет переваливать через критическую точку и далее двигаться вниз по правому склону кривой насыщения – а такое движение означает падение давления и температуры. Таким образом, если рабочая точка (t₀, p₀) такова, что обеспечивает, для состояния кавитационного агрегата молекул, переход через критическую точку, то итоговая температура t_lim(и результирующий тепловой эффект)при этомменьше, чем в случае, когда взрывная конденсация происходит в критической точке, т.е. когда t_lim равна критической температуре, 374^оС. Поэтому, на практике, неизбежен «завал» теплового эффекта в некоторой области малых температур t₀, т.е. зависимость теплового эффекта от t₀, опять же, должна иметь максимум. При увеличении p₀, положение этого максимума сдвигается в сторону высоких температур – увеличивая область «заваленного» теплового эффекта со стороны низких температур.

В области же высоких температур t₀, увеличение давления p₀ – пока оно не настолько велико, чтобы состояние кавитационных агрегатов достигало критической точки – увеличивает тепловой эффект. На Рис.7 приведены высокотемпературные участки зависимостей теплового эффекта от температуры t₀ при трёх повышенных давлениях p₀ – 2, 3 и 5 атм – полученные по вышеописанной методике для случая 700 кавитационных агрегатов молекул, с радиусом r₀=1.0 мм, образующихся на 1 литр воды.

Рис.7. Влияние исходного давления в воде на тепловой эффект.

Оптимизация эффективности работы кавитационноготеплогенератора.

На основе вышеизложенного можно заключить, что, при работе теплогенератора на гидродинамической кавитации, тепловой эффект весьма критично зависит как от конструкционных особенностей устройства и гидродинамического режима в нём, так и от температуры и давления входящей воды.

Для оптимизации эффективности работы устройства следует, прежде всего, определиться с температурой t_ниж – нижним значением рабочего диапазона температур входящей воды. Чем больше t_ниж, тем больше допустимое давление p₀, при котором, для рабочей точки (t_ниж, p₀), состояние кавитационных агрегатов молекул не будет переваливать через критическую точку. Это максимально допустимое давление p₀ рассчитывается с помощью формулы (1), когда p_насыщ соответствует температуре t_ниж (это соответствие см., например, вТабл.2), а p_lim=218 атм. Если давление p₀ будет выбрано таким образом, то тепловой эффект, во всём рабочем диапазоне температур входящей воды, должен быть близок к теоретически максимальному – если не мешает рейнольдсова отсечка кавитации, т.е. если конструкция устройства и гидродинамический режим обеспечивают достижение критического значения числа Re при температуре, меньшей чем t_ниж.

Обратим внимание на то, что повышение давления p₀, дающее увеличение теплового эффекта во всём рабочем диапазоне температур, имеет и свои недостатки. Во-первых, при увеличении p₀, увеличивается t_ниж, т.е. увеличивается область низких температур входящей воды, в которой работа кавитационноготеплогенератора неэффективна. Во-вторых, при увеличении p₀, увеличивается требуемое падение давления – до давления насыщенного пара – которое должно обеспечиваться для наличия режима кавитации. Поэтому, на практике, величина p₀ имеет разумное ограничение сверху.

Добавим, что немаловажным позитивным качеством кавитационноготеплогенератора является такая его конструкция, при которой кавитационные агрегаты молекул образуются и испытывают взрывную конденсацию, не будучи в контакте с элементами конструкции (или близко от них), а будучи в свободном объёме воды (см., например, [3]). При этом, резко снижен уровень акустических шумов, порождаемых кавитацией – а в самом устройстве, даже после многолетней эксплуатации, не обнаруживается признаков кавитационной эрозии.