RU2061934C1

RU2061934C1 - Heat pump plant

Info

Publication number: RU2061934C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Федорович Раковский
Original assignee: Владимир Федорович Раковский
Priority date: 1990-07-23
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1996-06-10

Abstract

FIELD: thermal engineering, heating systems. SUBSTANCE: thermodynamic cycle of heat pump uses liquid chemical solution possessing exothermal properties in dissolving, its separation in separator being attained with endothermal effect due to joint work of centrifugal forces and sound activation. EFFECT: improved design. 10 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники, и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где необходимо получение значительного количества тепловой энергии при оптимальных затратах на ее производство. Преимущественная область использования данного изобретения отопление и энергетическое обеспечение теплоемких технологических производств. The invention relates to the field of heat engineering, and can be used in all sectors of the economy where it is necessary to obtain a significant amount of thermal energy at optimal costs for its production. The primary area of use of this invention is heating and energy supply of heat-intensive technological industries.

Известной формой централизованного теплоснабжения является теплофикация, при которой тепловая энергия получается от котельных большой мощности, которые сооружают для обеспечения теплом крупного комплекса зданий, районов города или промышленных теплоемких технологий. A well-known form of district heating is heating, in which thermal energy is obtained from large-capacity boiler houses that are constructed to provide heat to a large complex of buildings, city districts, or industrial heat-intensive technologies.

Прототипом предлагаемого технического решения является тепловой насос. Тепловым насосом является машина, в которой осуществляется обратный цикл и которая поглощает теплоту из окружающей среды для того, чтобы передать ее телу с более высокой температурой. The prototype of the proposed technical solution is a heat pump. A heat pump is a machine in which a reverse cycle is carried out and which absorbs heat from the environment in order to transfer it to the body with a higher temperature.

Тепловой насос содержит замкнутый контур по рабочему телу, включающий устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела, теплообменники, устройства, обеспечивающие циркуляцию в контурах низкотемпературного теплоносителя из окружающей среды и высокотемпературного теплоносителя, приводной двигатель и приборы контроля и управления (см. книгу Г.Хайнрик и др. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. М. Стройиздат, 1985, с. 158-160, 164-166, р.5.40(1).). The heat pump contains a closed circuit along the working fluid, including a device that provides circulation of the working fluid, heat exchangers, devices that circulate in the circuits of the low-temperature coolant from the environment and the high-temperature coolant, the drive motor and control and monitoring devices (see the book by G. Heinrik et al. Heat pump installations for heating and hot water supply M. Stroyizdat, 1985, p. 158-160, 164-166, p.5.40 (1).).

Теплота, отнятая у окружающей среды, повышает общий КПД теплотехнической установки, суммируется с теплотой, полученной от преобразования электроэнергии. Использование тепловых насосов в целях теплоснабжения является перспективным направлением в теплотехнике. Однако, КПД этих установок еще недостаточно высок и нуждается в повышении. The heat taken from the environment increases the overall efficiency of the heat engineering installation, is added to the heat obtained from the conversion of electricity. The use of heat pumps for heat supply is a promising area in heat engineering. However, the efficiency of these plants is still not high enough and needs to be improved.

Целью настоящего изобретения является расширение перспектив применения тепловых насосов в теплоснабжении и энергетике путем повышения их КПД. The aim of the present invention is to expand the prospects for the use of heat pumps in heat supply and energy by increasing their efficiency.

Поставленная цель достигается путем применения в цикле теплового насоса в качестве рабочего тела жидкости, представляющей собой раствор с термодинамическими свойствами. This goal is achieved by using a liquid in the heat pump cycle as a working fluid, which is a solution with thermodynamic properties.

Теоретические основы предлагаемого преобразования тепла с помощью теплового насоса таковы. Известны химические реакции растворения данного вещества в другом с большим выделением или поглощением тепла например, серной кислоты в воде и др. В соответствии с первым законом термодинамики тепловой эффект такой химической реакции при постоянном давлении равен изменению внутренней энергии системы И и работы А, совершенной системой при изменении ее объема (расширение или сжатие) в результате химической реакции:
Q=U+A
Если химическая реакция протекает при постоянном давлении без изменения объема, то работа А О и Q=U.The theoretical basis of the proposed heat conversion using a heat pump is as follows. Chemical reactions are known for the dissolution of a given substance in another with a large release or absorption of heat, for example, sulfuric acid in water, etc. In accordance with the first law of thermodynamics, the thermal effect of such a chemical reaction at constant pressure is equal to the change in the internal energy of system And and work A, perfect system at a change in its volume (expansion or contraction) as a result of a chemical reaction:
Q = U + A
If the chemical reaction proceeds at a constant pressure without changing the volume, then work A O and Q = U.

Тепловой эффект химической реакции при постоянном объеме, численно равный изменению внутренней энергии системы, называется теплотой реакции. Он может быть как положительным, так и отрицательным (выделения или поглощения теплоты). The thermal effect of a chemical reaction at a constant volume, numerically equal to the change in the internal energy of the system, is called the heat of reaction. It can be either positive or negative (heat release or absorption).

Процессы растворения, как правило, являются изобарными и для них справедливо
Q=U+p•dv (V объем).Dissolution processes, as a rule, are isobaric and for them it is fair
Q = U + p • dv (V volume).

Причем, изменение объема исходных и конечных продуктов очень незначительно (сотые доли общего объема), а совершаемая системой механическая работа чрезвычайно мала (Карапетьянц, Дракин, "Общая и неорганическая химия", 1981, с.231). Moreover, the change in the volume of the initial and final products is very insignificant (hundredths of the total volume), and the mechanical work performed by the system is extremely small (Karapetyants, Drakin, "General and inorganic chemistry", 1981, p.231).

Предлагается осуществить физический процесс, обратный описанному выше термодинамическому процессу растворения. Главной отличительной особенностью такого физического процесса будет уменьшение энтропии системы, достигаемое путем совершения над системой механической работы, численно равной
pdv=Q-UdV → 0
То сесть, технически обеспечиваются такие условия физического воздействия на систему раствора, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, чтобы механическими средствами разрушить это равновесие и создать предпосылки для протекания в системе обратных процессов. Их направление определяется в общем случае законом сохранения энергии, законом Гесса и принципом Де Шателье ("Общая и неорганическая химия". М.Х.Карапетьянц, М. 1981, с.164-200).It is proposed to carry out a physical process inverse to the thermodynamic dissolution process described above. The main distinguishing feature of such a physical process will be a decrease in the entropy of the system, achieved by performing numerically equal mechanical work on the system
pdv = Q-UdV → 0
That is to say, such conditions of physical impact on the system of a solution in a state of thermodynamic equilibrium are technically provided in order to mechanically destroy this equilibrium and create the prerequisites for reverse processes in the system. Their direction is determined in the general case by the law of conservation of energy, the law of Hess, and the principle of De Chatelier ("General and inorganic chemistry". M.Kh. Karapetyants, M. 1981, p.164-200).

Закон Гесса является прямым следствием первого начала термодинамики и лежит в основе работы предлагаемого изобретения, формируется следующим образом. Тепловой эффект химической реакции зависит только от исходного и конечного состояния системы и не зависит от пути, по которому протекала реакция. The Hess law is a direct consequence of the first law of thermodynamics and underlies the work of the present invention, is formed as follows. The thermal effect of a chemical reaction depends only on the initial and final state of the system and does not depend on the path along which the reaction took place.

Иными словами, если из данных исходных веществ можно разными способами получить необходимые конечные продукты, то независимо от путей получения суммарный тепловой эффект будет одним и тем же. In other words, if the necessary final products can be obtained from these starting materials in different ways, then regardless of the means of production, the total thermal effect will be the same.

В растворе константами равновесия системы являются: давление, температура, концентрация. В силу практической несжимаемости жидкостей, составляющих основу растворов, совершить необходимую механическую работу над системой раствора посредством изменения давления не представляется практически возможным, или снижение работы пренебрежимо мало. In solution, the equilibrium constants of the system are: pressure, temperature, concentration. Due to the practical incompressibility of the liquids that form the basis of solutions, it is not practically possible to perform the necessary mechanical work on the solution system by changing the pressure, or the decrease in work is negligible.

Формулировка закона Гесса, однако, допускает использовать для решения поставленной задачи другие варианты механического воздействия на равновесную систему раствора с целью выведения ее из состояния термодинамического равновесия. The formulation of the Hess law, however, allows the use of other variants of mechanical action on the equilibrium solution system to solve the problem in order to remove it from the state of thermodynamic equilibrium.

С этой целью в предлагаемом техническом решении в качестве константы равновесия, изменение которой обуславливается механическим путем, взято не давление, а концентрация, с возмущающим механическим фактором, нарушающим равновесие центробежная сила инерции. To this end, in the proposed technical solution, the equilibrium constant, the change of which is determined mechanically, is not pressure but the concentration, with a perturbing mechanical factor disturbing the equilibrium, the centrifugal inertia force.

Действительно, любой раствор представляет собой систему, состоящую из двух и более компонентов с разными плотностями. Процесс образования раствора является промежуточным между химическим и механическим процессами. С химическими соединениями растворы роднит их однородность и значительные энергетические эффекты, сопровождающие процесс растворения. С другой стороны, состав растворов в некотором интервале концентрации, температур и давлений может меняться непрерывно. Благодаря отсутствию у них постоянства состава и из-за неприменимости к ним законов стехиометрии растворы близки к механическим смесям ("Общая и неорганическая химия". М.Х.Карапетьянц, с.229). Indeed, any solution is a system consisting of two or more components with different densities. The process of solution formation is intermediate between chemical and mechanical processes. With chemical compounds, solutions are related by their uniformity and significant energy effects that accompany the dissolution process. On the other hand, the composition of solutions in a certain range of concentration, temperature, and pressure can vary continuously. Due to their lack of consistent composition and due to the inapplicability of the laws of stoichiometry, solutions are close to mechanical mixtures (General and Inorganic Chemistry. M.Kh. Karapetyants, p.229).

Раствор как механическая смесь компонентов, обладающих в общем случае различными плотностями, представляет собой физическую систему, открытую для разделяющего фактора центробежной силы инерции. A solution as a mechanical mixture of components with generally different densities is a physical system that is open to the separating factor of centrifugal inertia.

Таким образом, если двухкомпонентную систему раствора, обладающую энергетическим эффектом растворения и находящуюся в данный момент в условиях термодинамического равновесия, открыть для разделяющего фактора центробежных сил инерции, то в системе возникнут условия, благоприятные для смешения константа равновесия в сторону исходных продуктов. При этом различие концентрации компонентов раствора в разных точках (областях) системы определяется как функция величины возмущающей силы центробежной силы инерции и времени приложения силы к системе. Условия термодинамического равновесия при этом будут нарушены и система сместится в сторону уменьшения энтропии, что последовательно приводит к возникновению энергетического процесса, равного по величине и противоположного по знаку (направлению) тепловому эффекту растворения. Thus, if a two-component solution system, which has the energy effect of dissolution and is currently in conditions of thermodynamic equilibrium, is opened for the separating factor of centrifugal inertia forces, then conditions will arise in the system that are favorable for mixing the equilibrium constant towards the starting products. In this case, the difference in the concentration of solution components at different points (areas) of the system is determined as a function of the perturbing force of the centrifugal inertia force and the time of application of force to the system. In this case, the conditions of thermodynamic equilibrium will be violated and the system will shift towards a decrease in entropy, which consequently leads to the emergence of an energy process that is equal in magnitude and opposite in sign (direction) to the thermal effect of dissolution.

Этот вывод подтверждается известным принципом термодинамики принципом Ле Шателье: "Если на систему, находящуюся в истинном равновесии, воздействовать извне, изменяя какие-либо из условий, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то из направлений процесса, которое ослабляет эффект этого воздействия и положение равновесия сместится в том же направлении". "Общая и неорганическая химия", М.Х.Карапетьянц, С.И.Дракин, 1981, стр.198. Принцип Ле Шателье или принцип подвижного равновесия справедлив и для равновесных систем, не связанных с химическими превращениями (кипение, кристаллизация, растворение). Система перейдет из одного состояния равновесия в другое, отвечающее новым условиям. Это связано с тем, что внешнее воздействие в равной степени изменяет скорость двух взаимно противоположных процессов. При этом, величина механической работы, совершаемой над системой, и величина теплового эффекта взаимосвязаны и определяются исходя из первого начала термодинамики. This conclusion is confirmed by the well-known principle of thermodynamics by the Le Chatelier principle: "If you act on a system in true equilibrium from the outside, changing any of the conditions that determine the equilibrium position, then the system will intensify one of the directions of the process that weakens the effect of this action and position equilibrium will shift in the same direction. " "General and inorganic chemistry", M.Kh. Karapetyants, S.I. Drakin, 1981, p .98. The Le Chatelier principle or the principle of mobile equilibrium is also valid for equilibrium systems not related to chemical transformations (boiling, crystallization, dissolution). The system will move from one state of equilibrium to another, corresponding to new conditions. This is due to the fact that the external influence equally changes the speed of two mutually opposite processes. Moreover, the magnitude of the mechanical work performed on the system and the magnitude of the thermal effect are interconnected and are determined based on the first law of thermodynamics.

Тепловой эффект при этом (ввиду малости и изобарности процесса) почти целиком определится через изменение внутренней энергии системы. In this case, the thermal effect (due to the smallness and isobaricity of the process) is almost entirely determined through a change in the internal energy of the system.

При этом, система или выделит тепло, или будет стремиться отобрать его из окружающей среды. Если процесс растворения является экзотермическим, то обратный процесс пойдет с противоположным знаком, т.е. будет эндотермическим, и, наоборот. In this case, the system will either generate heat, or will seek to take it out of the environment. If the dissolution process is exothermic, then the reverse process will go with the opposite sign, i.e. will be endothermic, and vice versa.

В термодинамике широко известны прямые и обратные циклы, Реальность существования обратных циклов теоретически доказана, практически осуществлена в холодильных машинах и тепловых насосах. Независимое равноправное существование прямых и обратных циклов есть физическая реальность, отражающая важную сторону течения естественных процессов принцип единства и борьбы противоположностей. Direct and reverse cycles are widely known in thermodynamics. The reality of the existence of reverse cycles is theoretically proven, practically realized in refrigeration machines and heat pumps. The independent and equal existence of direct and reverse cycles is a physical reality that reflects the important side of the course of natural processes, the principle of unity and struggle of opposites.

Классическая термодинамика, однако, исторически сложилась как инструмент познания принципов работы паровых машин, и в дальнейшем строилась в основном как наука о тепловых свойствах газов, теплофизические свойства твердых и жидких тел всесторонне изучались в плане возможности использования их как исходные продукты для перевода в газообразное состояние или же как топливо. Classical thermodynamics, however, historically developed as a tool for understanding the principles of operation of steam engines, and later was built mainly as a science of the thermal properties of gases, the thermophysical properties of solids and liquids were comprehensively studied in terms of the possibility of using them as starting materials for conversion to a gaseous state or same as fuel.

Возможности применения твердых и жидких веществ непосредственно в качестве рабочего тела тепловой машины без газовой фазы всерьез не рассматривалось из-за очень незначительных объемных и линейных коэффициентов расширения. The possibility of using solid and liquid substances directly as the working fluid of a heat engine without a gas phase was not seriously considered due to very insignificant volumetric and linear expansion coefficients.

Предлагаемое техническое решение базируется на использовании теплофизических свойств жидкостей, конкретно растворов с термодинамическими эффектами растворения непосредственно в качестве рабочего тела тепловой машины. Подобно газам, участвующим в прямых и обратных циклах, жидкости, как физический объект, должны также характеризоваться способностью участвовать не только в прямых (растворение), но обратных (разделение, сепарация) процессах. При этом, не произойдет никаких нарушений физических законов, так как уменьшение энтропии достигается непосредственно через совершение над системой раствора внешней механической работы, а не самопроизвольно. Система раствора испытывает механическое возмущение, вызванное действием поля центробежной силы, и работа этого поля суть главная причина, вызывающая уменьшение энтропии. The proposed technical solution is based on the use of the thermophysical properties of liquids, specifically solutions with thermodynamic effects of dissolution directly as a working fluid of a heat engine. Like gases involved in direct and reverse cycles, liquids, as a physical object, must also be characterized by the ability to participate not only in direct (dissolution), but reverse (separation, separation) processes. In this case, no violations of physical laws will occur, since a decrease in entropy is achieved directly through the completion of a solution of external mechanical work on the system, and not spontaneously. The solution system experiences mechanical disturbance caused by the action of the centrifugal force field, and the work of this field is the main reason causing a decrease in entropy.

В современной технике широко используются сепарация жидких сред, с использованием разделяющего действия поля центробежной силы. Процессы разделения жидких неоднородных систем распространены в химической и смежных с ней отраслях промышленности. Центробежным разделением или центрифугированием разделяют грубо и мелкодисперсные системы: эмульсии, суспензии, высокомолекулярные органические соединения в жидкой фазе и т.п. Существует закономерность: чем более грубодисперсна система, тем легче она подвергается разделению центрифугированием, и наоборот: чем ближе система к однородной, гомогенной, тем склонность ее к центробежной сепарации заметно уменьшается. Эта закономерность объясняется тем, что макрообъектам гетерогенных систем присуща известная, хоть и небольшая масса, а уровень индивидуальной электронейтральности близок к нулю. Микрообъекты мелкодисперсных, сверхмелкодисперсных и, наконец, гомогенных однородных систем имеют чрезвычайную малую массу и размеры, сравнимые с размерами отдельных молекул, а электроповерхностные свойства их приобретают резко выраженный характер. Таким образом, необходимо подчеркнуть главное: различные, переход от гетерогенных дисперсных систем к гомогенным системам есть в плане электрокинетических свойств вещества переход от превалирующего влияния сил, связанных с гравитационным полем, к превалирующему влиянию сил электроповерхностной природы, составляющих основу мелкомолекулярных сил взаимодействия. In modern technology, the separation of liquid media is widely used, using the separating action of the centrifugal force field. The processes of separation of liquid heterogeneous systems are common in the chemical and related industries. Coarse and finely dispersed systems are separated by centrifugal separation or centrifugation: emulsions, suspensions, high molecular weight organic compounds in the liquid phase, etc. There is a pattern: the more coarsely dispersed the system, the easier it is subjected to centrifugal separation, and vice versa: the closer the system is to homogeneous, homogeneous, the more its tendency to centrifugal separation decreases markedly. This pattern is explained by the fact that macroobjects of heterogeneous systems have a certain, albeit small mass, and the level of individual electroneutrality is close to zero. The microobjects of finely dispersed, ultrafine, and, finally, homogeneous homogeneous systems have extremely small masses and sizes comparable to the sizes of individual molecules, and their electrosurface properties become sharply expressed. Thus, it is necessary to emphasize the main thing: various, the transition from heterogeneous dispersed systems to homogeneous systems is, in terms of the electrokinetic properties of matter, a transition from the prevailing influence of forces associated with the gravitational field to the prevailing influence of forces of an electrosurface nature, which form the basis of small-molecular interaction forces.

Этот вывод объясняет, почему различные вещества отлично реагируют в составе гомо- и гетерогенных систем под воздействием электрического тока, других физических факторов, в том числе в реакциях соединения и разложения, а разделение гомогенных растворов в поле центробежной силы составляет в настоящее время практическую трудность. This conclusion explains why various substances perfectly react in the composition of homo- and heterogeneous systems under the influence of electric current, other physical factors, including the reactions of compound and decomposition, and the separation of homogeneous solutions in the centrifugal force field is currently a practical difficulty.

Техническое решение этой проблемы дает устройство предлагаемого теплового насоса. Здесь центробежное разделение компонентов раствора в ультрацентрифуге совмещено, т.е. производится параллельно под непосредственным воздействием ультразвукового фактора строго заданных параметров. Величина мощности подводимого к раствору фактора достаточна для сообщения энергии активации сольватированному (гидротированному) комплексу ионов растворенного вещества и выполняет задачу резкого ослабления межмолекулярного (электроповерхностного) действия. В условиях, когда эти взаимодействия малы, а ионы растворенного вещества и растворителя под воздействием приложенного внешнего ультразвукового фактора удалены друг от друга, действие разделяющего фактора мощного поля центробежных сил инерции начинает изменять пространственную ориентацию и статическую функцию распределения компонентов раствора вдоль вектора действия центробежной силы в соответствии с их исходными плотностями (молекулярными весами компонентов). A technical solution to this problem is provided by the device of the proposed heat pump. Here, the centrifugal separation of the solution components in an ultracentrifuge is combined, i.e. produced in parallel under the direct influence of the ultrasonic factor of strictly specified parameters. The power value of the factor supplied to the solution is sufficient to communicate the activation energy to the solvated (hydrated) complex of ions of the solute and performs the task of abruptly attenuating the intermolecular (electrosurface) action. Under conditions when these interactions are small, and the ions of the dissolved substance and the solvent are removed from each other by the action of an applied external ultrasonic factor, the action of the separating factor of the powerful field of centrifugal inertia forces begins to change the spatial orientation and the static distribution function of the solution components along the action vector of the centrifugal force in accordance with with their initial densities (molecular weights of the components).

Частота подводимого фактора является наиболее сложной физической характеристикой и определяется молекулярно-кинетическими свойствами участвующих в растворении веществ, их граничными концентрациями в разных областях системы раствора, величиной центробежного поля, конструктивными параметрами сепаратора, скоростью подвода и удаления ингредиентов, другими эксплуатационными факторами, и подбирается в границах оптимального диапазона опытно-расчетным путем, с учетом фактора времени релаксации ионной атмосферы и электрофоретического эффекта. The frequency of the input factor is the most complex physical characteristic and is determined by the molecular kinetic properties of the substances involved in the dissolution, their boundary concentrations in different areas of the solution system, the size of the centrifugal field, the design parameters of the separator, the speed of supply and removal of ingredients, other operational factors, and is selected within the boundaries the optimal range by experimental calculation, taking into account the relaxation factor of the ionic atmosphere and electrophoretic effect.

Энергия внешнего ультразвукового фактора, затраченная на сообщение молекулам раствора энергии активации в процессе реакции разделения ингредиентов, не теряется, а возвращается в виде повышенной разности энтальпии реакции, так как образование исходных продуктов реакции из возбужденных молекул и ионов начальных продуктов затем сопровождается большим выделением энергии (В.В.Фролов "Химия", Высшая школя, М. 1985, с.122-124). The energy of the external ultrasonic factor spent on communicating the activation energy to the solution molecules during the separation of ingredients is not lost, but is returned in the form of an increased difference in the enthalpy of the reaction, since the formation of the initial reaction products from excited molecules and ions of the initial products is then accompanied by a large release of energy (B .V. Frolov "Chemistry", Higher School, M. 1985, p.122-124).

Протекающий в сепараторе-суперцентрифуге процесс разделения термодинамического раствора сопровождается согласно принципу Ле Шателье и закону Гесса тепловым эффектом, обратным по знаку, эффекту растворения. Адиабатическое, то есть без теплообмена обмена со средой разделения, смещает константу равновесия реакции сепарации в сторону начальных продуктов, замедляет таким образом ее скорость, снижая эффективность цикла в целом. Наиболее выгодным представляется цикл с активным теплообменом, сопровождающим процесс сепарации по времени и пространству, то есть цикл, близкий по своим параметрам к изотермическому. The process of separation of a thermodynamic solution in a supercentrifuge separator is accompanied, according to the Le Chatelier principle and Hess law, with a thermal effect that is opposite in sign to the dissolution effect. Adiabatic, that is, without heat exchange with the separation medium, shifts the equilibrium constant of the separation reaction towards the initial products, thus slowing its speed, reducing the efficiency of the cycle as a whole. The cycle with active heat exchange that accompanies the separation process in time and space, that is, a cycle close in its parameters to an isothermal one, seems to be most advantageous.

После сепарации и совершения теплообмена со средой, два потока разделенных компонентов направляются в смеситель, интенсивно перемешиваются, растворяются и вновь совершают теплообмен со средой, но уже со знаком прямой реакции. After separation and heat exchange with the medium, two streams of separated components are sent to the mixer, intensively mixed, dissolved and again perform heat exchange with the medium, but with a direct reaction sign.

Циркуляция термического раствора происходит непрерывно по замкнутому контуру, а потоки среды (теплоносители), подводимые к сепаратору и смесителю, пространственно разделены, имеют независимые источники движения и имеют одинаковую или разную физическую природу. The circulation of the thermal solution takes place continuously in a closed circuit, and the flow of the medium (coolant) supplied to the separator and mixer are spatially separated, have independent sources of motion and have the same or different physical nature.

В целях более детального освещения сути современного представления о природе воздействия ультразвукового фактора на течение химических процессов приводится расширенный экспериментально-теоретический массив информации самых последних лет. In order to provide a more detailed coverage of the essence of the modern idea of the nature of the influence of the ultrasonic factor on the course of chemical processes, an expanded experimental and theoretical data array of the most recent years is given.

Химия кроме веществ и их взаимодействий изучает и взаимодействия энергии и вещества. Как правило, источники энергии ограничивают возможность воздействия исследователей на реакционную способность веществ. Взаимодействие электротоком с веществом протекает за короткие промежутки времени и характеризуется высокой энергией, тогда как тепловое взаимодействие протекает за большие времена и при меньших энергиях. Взаимодействие звука с веществом делает доступным для изучения химиками таких диапазонов энергий и временных шкал, которые недостижимы в других случаях. Химики обычно вызывают реакцию не путем приложения механического давления, а посредством генерирования интенсивных звуковых волн в жидкости. Такие волны создают чередующиеся области сжатия (уплотнения) и разрежения, в которых могут образовываться пузырьки диаметром порядка 100 мкм. Пузырьки резко схлопываются (менее чем за 1 мкс), так что содержащийся в них газ нагревается до 5500^oС величина, близкая к температуре поверхности Солнца.Chemistry, in addition to substances and their interactions, also studies the interactions of energy and matter. As a rule, energy sources limit the ability of researchers to influence the reactivity of substances. The interaction of electric current with a substance takes place over short periods of time and is characterized by high energy, while the thermal interaction takes place over long times and at lower energies. The interaction of sound with matter makes it possible for chemists to study energy ranges and time scales that are unattainable in other cases. Chemists usually cause a reaction not by applying mechanical pressure, but by generating intense sound waves in a liquid. Such waves create alternating areas of compression (compaction) and rarefaction, in which bubbles with a diameter of the order of 100 microns can form. Bubbles collapse sharply (in less than 1 μs), so that the gas contained in them is heated to 5500 ^o With a value close to the surface temperature of the Sun.

Впервые необычное действие интенсивных звуковых волн при распространении в жидкости область явлений, относящихся к ультразвуковой химии (звукохимии), обнаружил в 1927г. А.Лумис. Активизация звукохимических исследований началась в 80-х годах вскоре после создания недорогих и надежных источников ультразвуковых колебаний высокой интенсивности (с частотой более 16 кГц, что выше уровня слухового восприятия человека). Сегодня ультразвук применяют в медицинской практике, в промышленности для сварки пластмассовых деталей и очистки материалов и даже в быту в устройствах сигнализации (предупреждающей об ограблении) и т.д. Эти применения, однако, не связаны с химическим действием ультразвука, который может, например, повысить реакционную способность металлического порошка более чем в 10⁵ раз. Он может вызвать столь быстрое относительное движение металлических частиц, что они будут расплавляться при столкновении. Ультразвук может создавать также микроскопические "очаги пламени" в холодной жидкости.For the first time, the unusual action of intense sound waves during propagation in a liquid region of phenomena related to ultrasonic chemistry (sound chemistry) was discovered in 1927. A. Lumis. The intensification of sound chemical research began in the 80s shortly after the creation of inexpensive and reliable sources of high-intensity ultrasonic vibrations (with a frequency of more than 16 kHz, which is higher than the level of human auditory perception). Today, ultrasound is used in medical practice, in industry for welding plastic parts and cleaning materials, and even in everyday life in alarm devices (warning about robbery), etc. These applications, however, are not related to the chemical action of ultrasound, which can, for example, increase the reactivity of a metal powder by more than 10 ⁵ times. It can cause such rapid relative motion of metal particles that they will melt in a collision. Ultrasound can also create microscopic "flames" in a cold liquid.

Эти химические эффекты ультразвука обусловлены физическими процессами, благодаря которым в жидкости возникают, растут и схлопываются газовые и паровые пузырьки. Ультразвуковые волны, как и все звуковые волны, включают циклы сжатия и разрежения. Во время циклов сжатия возникают локальные повышения давлений в жидкости, что приводит к сближению ее молекул друг с другом: во время циклов разрежения возникают локальные понижения давления, в результате чего молекулы отдаляются друг от друга. These chemical effects of ultrasound are due to physical processes, due to which gas and vapor bubbles arise, grow and collapse in a liquid. Ultrasonic waves, like all sound waves, include compression and rarefaction cycles. During compression cycles, local pressure increases in the liquid, which leads to the approach of its molecules to each other: during rarefaction cycles, local pressure drops occur, as a result of which the molecules move away from each other.

Во время цикла разрежения звуковая волна достаточной интенсивности может генерировать образование пузырьков. Частицы жидкости удерживаются вместе силами притяжения, которые определяют ее прочность на разрыв. Для того, чтобы образовался пузырек, величина, на которую уменьшается локальное давление в цикле разрежения, должна превысить прочность жидкости на разрыв. During a rarefaction cycle, a sound wave of sufficient intensity can generate bubbles. Particles of fluid are held together by attractive forces, which determine its tensile strength. In order for the bubble to form, the value by which the local pressure in the rarefaction cycle decreases should exceed the tensile strength of the liquid.

Необходимая величина падения давления зависит от типа жидкости и ее чистоты. Прочность на разрыв абсолютно чистой жидкости настолько велика, что имеющиеся ультразвуковые источники не могут создавать падения давления, достаточного для образования пузырьков. Для абсолютно чистой воды, например, потребовалось бы падение давления больше чем на 1000 атм, в то время, как самые мощные ультразвуковые генераторы создают давление примерно до 50 атм. Однако прочность жидкостей на разрыв уменьшается за счет газа, "захватываемого" трещинами на микроскопических твердых частицах, присутствующих в жидкости. Этот эффект аналогичен снижению прочности, обусловленному трещинами в твердых материалах. В области пониженного давления захваченный газ начинает выходить из трещины, образуя маленький пузырек, переходящий в раствор. В большинстве случаев жидкости бывают достаточно сильно загрязнены пылью и другими твердыми примесями. В водопроводной воде, например, пузырьки образуются при падении давления всего на несколько атмосфер. The required pressure drop depends on the type of fluid and its purity. The tensile strength of an absolutely pure liquid is so great that the available ultrasonic sources cannot create a pressure drop sufficient to form bubbles. For absolutely pure water, for example, a pressure drop of more than 1000 atm would be required, while the most powerful ultrasonic generators create a pressure of up to about 50 atm. However, the tensile strength of liquids decreases due to the gas “trapped” by cracks on the microscopic solid particles present in the liquid. This effect is similar to a decrease in strength due to cracks in solid materials. In the area of reduced pressure, the trapped gas begins to escape from the crack, forming a small bubble that passes into the solution. In most cases, liquids are quite heavily contaminated with dust and other solid impurities. In tap water, for example, bubbles form when the pressure drops by only a few atmospheres.

Пузырек в жидкости нестабилен: если он велик, то будет всплывать на поверхность и лопаться, если он мал, то будет сдавливаться жидкостью и исчезать. Однако при взаимодействии с ультразвуковой волной пузырек будет непрерывно поглощать энергию в течение чередующихся циклов сжатия и разрежения. Это взаимодействие приводит к росту и сжатию пузырьков, нарушая динамическое равновесие между паром внутри их и жидкостью снаружи. В одних случаях ультразвуковые волны будут поддерживать существование пузырька, вызывая лишь колебания его размера. В других случаях средний размер пузырька будет увеличиваться. A bubble in a liquid is unstable: if it is large, it will float to the surface and burst; if it is small, it will be squeezed by the liquid and disappear. However, when interacting with an ultrasonic wave, the bubble will continuously absorb energy during alternating cycles of compression and rarefaction. This interaction leads to the growth and contraction of the bubbles, disrupting the dynamic equilibrium between the vapor inside them and the liquid outside. In some cases, ultrasonic waves will support the existence of the bubble, causing only fluctuations in its size. In other cases, the average bubble size will increase.

Рост пузырька определяется интенсивностью ультразвука. Ультразвук высокой интенсивности может привести к столь быстрому расширению пузырька в цикле разрежения, что он уже не сожмется в цикле сжатия. Следовательно, в таком процессе пузырьки могут быстро вырасти за один период ультразвуковой волны. Bubble growth is determined by the intensity of the ultrasound. High-intensity ultrasound can lead to such a rapid expansion of the bubble in the rarefaction cycle that it will no longer be compressed in the compression cycle. Therefore, in such a process, the bubbles can grow rapidly in one period of the ultrasonic wave.

В случае ультразвука низкой интенсивности размер пузырька колеблется в фазе с давлением в течение циклов разрежения и сжатия. Поверхность такого пузырька во время цикла разрежения несколько увеличивается по сравнению с циклом сжатия. Поскольку количество газа, диффундирующего в пузырек или из него, зависит от площади поверхности пузырька, диффузия в пузырек во время циклов разрежения будет несколько большей, чем диффузия из него в течение циклов сжатия. Следовательно, за каждый период ультразвуковой волны пузырек расширяется несколько больше, чем сжимается, и с течением времени пузырьки будут медленно расти. In the case of low-intensity ultrasound, the size of the bubble oscillates in phase with pressure during rarefaction and compression cycles. The surface of such a bubble during the rarefaction cycle slightly increases compared to the compression cycle. Since the amount of gas diffusing into or out of the bubble depends on the surface area of the bubble, diffusion into the bubble during rarefaction cycles will be slightly larger than diffusion from it during compression cycles. Therefore, for each period of the ultrasonic wave, the bubble expands somewhat more than it contracts, and over time, the bubbles will slowly grow.

Растущий пузырек может постепенно достичь критического размера, при котором он наиболее эффективно поглощает энергию ультразвука. Этот размер зависит от частоты ультразвуковой волны. При 20 кГц, например, критический диаметр пузырька составляет приблизительно 170 мкм. Такой пузырек может быстро вырасти за один период волны. После того, как размер пузырька быстро увеличился, он уже не может эффективно поглощать энергию ультразвука. Без подвода энергии извне пузырек не может существовать. Жидкость сдавливает его, и он схлопывается. При схлопывании пузырьков образуются условия для протекания необычных химических реакций. Газы и пары внутри пузырька сжимаются, интенсивно выделяя тепло, за счет которого повышается температура жидкости в непосредственной близости от пузырька и таким образом создается горячая микрообласть. Несмотря на то что температура этой области чрезвычайно высока, сама область настолько мала, что тепло быстро рассеивается. Согласно оценкам, из Иллинойского университета в Эрбан-Шампейн, скорости нагрева и охлаждения жидкости превышают 10⁹ ^oC/c. Это соответствует скорости охлаждения расплавленного металла при его выплескивании на поверхность, охлажденную до температуры вблизи абсолютного нуля. Таким образом, в любой момент времени основная масса жидкости имеет температуру окружающей среды.A growing bubble can gradually reach a critical size at which it absorbs ultrasound energy most effectively. This size depends on the frequency of the ultrasonic wave. At 20 kHz, for example, the critical bubble diameter is approximately 170 μm. Such a bubble can quickly grow in one wave period. After the size of the bubble rapidly increased, it can no longer effectively absorb the energy of ultrasound. Without supplying energy from outside, a bubble cannot exist. The fluid squeezes it and it collapses. When the bubbles collapse, conditions are formed for unusual chemical reactions to occur. Gases and vapors inside the bubble are compressed, intensively generating heat, due to which the temperature of the liquid rises in the immediate vicinity of the bubble and thus a hot microregion is created. Although the temperature of this area is extremely high, the area itself is so small that heat quickly dissipates. According to estimates, from the University of Illinois at Erban-Champaign, the heating and cooling rates of the liquid exceed 10 ⁹ ^o C / s. This corresponds to the cooling rate of the molten metal when it is splashed onto a surface cooled to a temperature near absolute zero. Thus, at any given time, the bulk of the liquid has an ambient temperature.

Точные значения температур и давлений, достигаемых при схлопывании пузырька, трудно определить как теоретически, так и экспериментально. Однако эти величины имеют фундаментальное значение при описании звукохимических явлений. Для приближенного описания динамики схлопывания пузырька были предложены различные теоретические модели, характеризующиеся разной степенью точности. Недостаток всех этих моделей невозможность точного описания динамики пузырька на заключительных стадиях схлопывания. Наиболее сложные модели дают значения температур порядка 10³ ^oC, давления 10² 10³ атм и времени нагрева менее 1 мкс.The exact values of temperatures and pressures achieved by collapse of the bubble are difficult to determine both theoretically and experimentally. However, these quantities are fundamental in the description of sound chemical phenomena. For an approximate description of the dynamics of collapse of the bubble, various theoretical models have been proposed, characterized by varying degrees of accuracy. The drawback of all these models is the inability to accurately describe the dynamics of the bubble in the final stages of collapse. The most complex models give temperatures of the order of 10 ³ ^o C, pressures of 10 ² 10 ³ atm and a heating time of less than 1 μs.

Температуру схлопывающегося пузырька нельзя измерить термометром, поскольку полученное от ультразвуковой волны тепло pассеивается слишком быстро. Один из путей измерения температуры определение скоростей известных химических реакций, поскольку температура связана с отрицательным обратным логарифмом скорости реакции. Если измерить скорости нескольких различных реакций, протекающих в созданной ультразвуком среде, то можно рассчитать температуру, достигаемую после схлопывания пузырька. The temperature of the collapsing bubble cannot be measured with a thermometer, since the heat received from the ultrasonic wave dissipates too quickly. One way to measure temperature is to determine the rates of known chemical reactions, since temperature is associated with the negative inverse logarithm of the reaction rate. If we measure the rates of several different reactions taking place in an environment created by ultrasound, then we can calculate the temperature reached after the collapse of the bubble.

При определении относительных скоростей ряда звукохимических реакций Д. Хаммертон установил наличие двух различных температурных областей, связанных с схлопыванием пузырька. Газ, содержащийся в пузырьке, достигает температуру около 5500^oС, тогда как жидкость в непосредственной близости от пузырька 2100^oС. Для сравнения укажем, что температура пламени ацетиленовой горелки составляет около 2400^oС.In determining the relative velocities of a number of sonochemical reactions, D. Hammerton established the presence of two different temperature regions associated with the collapse of the bubble. The gas contained in the bubble reaches a temperature of about 5500 ^{° C.} , while the liquid in the immediate vicinity of the bubble is 2100 ^° C. For comparison, we indicate that the flame temperature of the acetylene burner is about 2400 ^° C.

Хотя давление, достигаемое при схлопывании пузырька, труднее определить экспериментально, чем температуру, между этими двумя величинами существует корреляция. Таким образом, для максимального давления можно получить оценку 500 атм, что составляет половину величины давления в глубочайшем месте Мирового океана Марианской впадине. Although the pressure achieved when the bubble collapses is more difficult to determine experimentally than the temperature, there is a correlation between the two values. Thus, for maximum pressure, an estimate of 500 atm can be obtained, which is half the pressure in the deepest part of the World Ocean, the Mariana Trench.

Несмотря на то что локальные значения температуры и давления, достигаемые при схлопывании пузырька, экстремальны, химики могут успешно контролировать протекание звукохимических реакций. На интенсивность схлопывания пузырька и, следовательно, на характер реакции влияют факторы, как частота ультразвуковой волны, ее амплитуда, температура окружающей среды, статическое давление, природа жидкости и таза, растворенного в ней. Despite the fact that the local temperature and pressure values achieved during the collapse of the bubble are extreme, chemists can successfully control the progress of sound chemical reactions. The intensity of the collapse of the bubble and, consequently, the nature of the reaction is influenced by factors such as the frequency of the ultrasonic wave, its amplitude, ambient temperature, static pressure, the nature of the liquid and pelvis dissolved in it.

Звукохимические процессы в жидкостях зависят главным образом от физических эффектов при быстром нагреве и охлаждении, вызываемых схлопыванием пузырька. Например, когда облучали воду ультразвуком, доказано, что под действием энергии ультразвуковых волн вода /H₂O/ расщепляется на высокореакционноспособные атомы водорода /H/ и радикалы гидроксила /ОН/. На быстрой стадии охлаждения атомы водорода и радикалы гидроксила рекомбинируют с образованием перекиси водорода /H₂O₂/ и молекулярного водорода /H₂/. Если к воде, облученной ультразвуком, добавить другие соединения, то в ней могут происходить многие вторичные реакции. Органические соединения интенсивно разлагаются в такой среде, а неорганические могут окисляться или восстанавливаться.The sonochemical processes in liquids depend mainly on the physical effects of rapid heating and cooling caused by the collapse of a bubble. For example, when water was irradiated with ultrasound, it was proved that under the action of the energy of ultrasonic waves, water / H ₂ O / splits into highly reactive hydrogen atoms / H / and hydroxyl radicals / OH /. At the fast cooling stage, hydrogen atoms and hydroxyl radicals recombine to form hydrogen peroxide / H ₂ O ₂ / and molecular hydrogen / H ₂ /. If other compounds are added to water irradiated with ultrasound, then many secondary reactions can occur in it. Organic compounds are rapidly decomposed in such an environment, while inorganic compounds can be oxidized or reduced.

В некоторых органических жидкостях при облучении ультразвуком протекают интересные реакции. Так, алканы основные компоненты сырой нефти могут расщепляться на меньшие фрагменты (например, бензин), которые необходимо получить. Сырую нефть обычно подвергают крекингу при нагреве до температуры выше 500^oС. Однако обработка алканов ультразвуком вызывает их расщепление при комнатной температуре, причем продуктом этого процесса является ацетилен, который нельзя получить в достаточном количестве простым нагревом.In some organic liquids, interesting reactions occur when irradiated with ultrasound. So, alkanes, the main components of crude oil, can be broken down into smaller fragments (for example, gasoline), which must be obtained. Crude oil is usually cracked when heated to a temperature above 500 ^o C. However, sonication of alkanes causes them to decompose at room temperature, and the product of this process is acetylene, which cannot be obtained in sufficient quantities by simple heating.

Возможно, наиболее удивительное химическое явление, связанное с ультразвуком, заключается в его способности создать микроскопические "очаги пламени" в холодных жидкостях в результате, так называемой, звуколюминесценции. Когда при схлопывании пузырька в жидкости возникает микрообласть с повышенной температурой, молекулы в этой области могут возбуждаться в высокоэнергетические состояния. При возвращении молекул в основное состояние они излучают свет. Э.Флинт в 1987 г. обнаружил, что облучение ультразвуком углеводородов дает удивительный результат: цвет излучаемого света такой же, как у пламени газовой горелки. Perhaps the most surprising chemical phenomenon associated with ultrasound is its ability to create microscopic “foci of flame” in cold liquids as a result of so-called sound luminescence. When a microregion with an elevated temperature arises when a bubble collapses in a liquid, molecules in this region can be excited to high-energy states. When molecules return to their ground state, they emit light. E. Flint in 1987 discovered that ultrasonic irradiation of hydrocarbons gives an amazing result: the color of the emitted light is the same as that of a gas burner flame.

Действие ультразвука на жидкости использовалось также для ускорения химических реакций в растворах. Пример металлоорганических соединений, содержащих связи металл-углерод, особенно показателен. Этот широкий класс веществ играет важную роль при получении пластмасс, в производстве микроэлектронных схем и синтезе лекарственных препаратов, гербицидов и пестицидов. В 1981 году П. Шуберт впервые исследовал действие ультразвука на металлоорганические соединения, в частности на пентакарбонил железа Fe /СО/⁵. Полученные результаты при сравнении с данными по действию света и нагревания на Fе/СО/⁵ свидетельствуют о своеобразии химических процессов, вызываемых ультразвуком. Когда Fе/СО/⁵ подвергается нагреванию, он разлагается на монооксид углерода /CO/ и тонкий порошок железа, который самопроизвольно воспламеняется на воздухе. Когда на Fe/CO/⁵ воздействует ультрафиолетовое излучение, он сначала распадается на Fе/СО/⁴ и свободные фрагменты СО. Молекулы Fе/СО/⁴ могут затем рекомбинировать с образованием соединения Fe/CO/⁹. Схлопывание пузырька приводит к иному результату. Оно сопровождается выделением такого количества тепла, которое достаточно для отщепления нескольких групп СО, но в результате последующего быстрого охлаждения эта реакция прекращается до ее завершения. Таким образом, когда на Fe/CO/⁵ действует ультразвук, образуется необычное кластерное соединение Fe³/CO/¹².The action of ultrasound on liquids was also used to accelerate chemical reactions in solutions. An example of organometallic compounds containing metal-carbon bonds is particularly indicative. This wide class of substances plays an important role in the production of plastics, in the production of microelectronic circuits, and in the synthesis of drugs, herbicides, and pesticides. In 1981, P. Schubert first studied the effect of ultrasound on organometallic compounds, in particular, iron pentacarbonyl Fe / CO / ⁵ . The results obtained, when compared with data on the effects of light and heating on Fe / CO / ^5, indicate the peculiarity of the chemical processes caused by ultrasound. When Fe / CO / ⁵ is heated, it decomposes into carbon monoxide / CO / and fine iron powder, which spontaneously ignites in air. When ultraviolet radiation acts on Fe / CO / ⁵ , it first decomposes into Fe / CO / ⁴ and free CO fragments. The Fe / CO / ⁴ molecules can then recombine to form the Fe / CO / ⁹ compound. The collapse of the bubble leads to a different result. It is accompanied by the release of such an amount of heat that is sufficient to split off several CO groups, but as a result of subsequent rapid cooling, this reaction stops before it is completed. Thus, when ultrasound acts on Fe / CO / ⁵ , an unusual cluster compound Fe ³ / CO / ^{12 is formed} .

Звукохимия двух несмешивающихся жидкостей (например, масла и воды ) определяется способностью ультразвука эмульгировать жидкости, в результате которой микрокапли одной жидкости образуют эмульсию в другой. Ультразвуковые сжигания и разрежения вещества вызывают напряжение поверхности жидкости, которое преодолевает силы сцепления, удерживающие молекулы жидкости в большой капле. Происходит дробление такой капли на более мелкие, и постепенно жидкость эмульгируется. The sound chemistry of two immiscible liquids (for example, oil and water) is determined by the ultrasound ability to emulsify liquids, as a result of which microdroplets of one liquid form an emulsion in another. Ultrasonic combustion and rarefaction of the substance cause stress on the surface of the liquid, which overcomes the cohesive forces that hold the liquid molecules in a large drop. This drop is crushed into smaller ones, and gradually the liquid is emulsified.

Эмульгирование может ускорять химические реакции между несмешивающимися жидкостями благодаря сильному увеличению поверхности их контакта. Большая поверхность контакта облегчает проникновение молекул из одной жидкости в другую эффект, в результате которого некоторые реакции ускоряются. Эмульгирование ртути в различных жидкостях приводит к особенно интересным реакциям, как показывают исследования А.Фрая из Университета Уэсли. Он обнаружил, что многие реакции ртути с бромоорганическими соединениями представляют промежуточные стадии образования новых углерод-углеродных связей. Такие реакции играют решающую роль в синтезе сложных органических веществ. Emulsification can accelerate chemical reactions between immiscible liquids due to the strong increase in their contact surface. The large contact surface facilitates the penetration of molecules from one liquid into another effect, as a result of which some reactions are accelerated. Emulsification of mercury in various liquids leads to particularly interesting reactions, as shown by studies of A. Fry from Wesley University. He found that many reactions of mercury with organo-bromine compounds represent intermediate stages in the formation of new carbon-carbon bonds. Such reactions play a crucial role in the synthesis of complex organic substances.

Экстремальные условия, создаваемые вблизи твердых поверхностей, могут быть использованы также для придания химической активности "нереакционноспособным" металлом. Например, Р. Джонсон изучал реакции моноксида углерода с молибденом и танталом, а также с другими металлами, близкими к ним по реакционной способности. Для образования карбанилов металлов обычными методами требуются давления 100-300 атм. и температуры от 200 до 300^oС. Однако при облучении ультразвуком их образование может происходить при комнатной температуре и атмосферном давлении.Extreme conditions created near hard surfaces can also be used to impart a “non-reactive” metal to chemical activity. For example, R. Johnson studied the reactions of carbon monoxide with molybdenum and tantalum, as well as with other metals close to them in terms of reactivity. For the formation of metal carbonyls by conventional methods, pressures of 100-300 atm are required. and temperatures from 200 to 300 ^o C. However, when irradiated with ultrasound, their formation can occur at room temperature and atmospheric pressure.

Схлопывание пузырька в дополнение ко всем описанным выше эффектам может сопровождаться выходом ударной волны в жидкость. Звукохимические процессы на твердых частицах в жидкости в большой степени определяются такими ударными волнами: они вызывают взаимное сближение микроскопических частиц металлического порошка со скоростью, превышающей 500 км/ч. Подобные столкновения настолько интенсивны, что вызывают плавление частиц в месте удара. Это плавление повышает реакционную способность металла, поскольку приводит к удалению металлооксидного покрытия (такие защитные оксидные покрытия обнаруживаются на большинстве металлов и являются причиной появления патины на медных изделиях и бронзовой скульптуре). The collapse of a bubble, in addition to all the effects described above, can be accompanied by the release of a shock wave into a liquid. Sound chemical processes on solid particles in a liquid are to a large extent determined by such shock waves: they cause the mutual approximation of microscopic particles of metal powder at a speed exceeding 500 km / h. Such collisions are so intense that they cause the particles to melt at the point of impact. This melting increases the reactivity of the metal, since it removes the metal oxide coating (such protective oxide coatings are found on most metals and cause patina on copper products and bronze sculptures).

Поскольку ультразвуковая обработка повышает реакционную способность металлических порошков, она увеличивает также их каталитическую активность. Для многих реакций необходим катализатор, чтобы они протекали с требуемой или хотя бы заметной скоростью. Катализатор не расходуется в реакции, а только ускоряет реакцию других веществ. Since ultrasonic treatment increases the reactivity of metal powders, it also increases their catalytic activity. Many reactions require a catalyst so that they proceed at the desired or at least noticeable rate. The catalyst is not consumed in the reaction, but only accelerates the reaction of other substances.

Влияние ультразвука на морфологию частиц, состав поверхности и каталитическую активность исследовалось Д.Касадонте и С.Доктичем. Они обнаружили, что под действием ультразвука происходит резкое изменение морфологии поверхности у таких катализаторов, как порошки никеля, меди и цинка. Поверхности отдельных частиц сглаживаются и частицы объединяются в обширные агрегаты. Эксперимент по определению состава поверхности никеля показал, что оксидное покрытие удаляется, вследствие чего сильно увеличивается каталитическая активность никелевого порошка. В целом облучение ультразвуком повышает эффективность никелевого порошка как катализатора более чем в 10⁵ раз. В таких условиях никелевый порошок также активен, как некоторые специальные катализаторы, используемые в настоящее время, однако, он не воспламеняется и стоит дешевле.The influence of ultrasound on particle morphology, surface composition, and catalytic activity was studied by D. Casadonte and S. Doktich. They found that under the influence of ultrasound, a sharp change in the surface morphology of such catalysts as nickel, copper and zinc powders occurs. The surfaces of individual particles are smoothed and the particles are combined into large aggregates. An experiment to determine the surface composition of nickel showed that the oxide coating is removed, resulting in a greatly increased catalytic activity of nickel powder. In general, ultrasonic irradiation increases the efficiency of nickel powder as a catalyst by more than 10 ⁵ times. Under such conditions, nickel powder is also active, as some special catalysts are currently used, however, it does not ignite and is cheaper.

Ультразвук оказывается полезен почти в каждом случае, когда должны реагировать жидкость и твердое вещество. Кроме того, он может проникать через большой объем жидкости и поэтому хорошо подходит для промышленных применений. В будущем использование ультразвука в химических процессах должно быть очень разнообразным. Что касается синтеза лекарственных препаратов, то ультразвук позволяет увеличить выход продуктов по сравнению с традиционными методами. Однако наиболее высокие достижения в звукохимии могут быть связаны с получением новых материалов, обладающих необычными свойствами. Например, очень высокие температура и давление, достигаемые во время реакции, могут привести к синтезу огнеупорных материалов (таких как карборунд, карбид вольфрама и даже алмаз). Огнеупорные материалы обладают высокой термостойкостью и огромной структурной прочностью. Они находят важное применение в промышленности как абразивы и вставные резцы с повышенной твердостью. Ultrasound is useful in almost every case when a liquid and a solid must react. In addition, it can penetrate a large volume of liquid and is therefore well suited for industrial applications. In the future, the use of ultrasound in chemical processes should be very diverse. As for the synthesis of drugs, then ultrasound can increase the yield of products compared to traditional methods. However, the highest achievements in sound chemistry may be associated with the receipt of new materials with unusual properties. For example, the very high temperatures and pressures achieved during the reaction can lead to the synthesis of refractory materials (such as carborundum, tungsten carbide and even diamond). Refractory materials have high heat resistance and enormous structural strength. They find important applications in industry as abrasives and insert bits with increased hardness.

Чрезвычайно быстрое охлаждение, сопровождающее схлопывание пузырька, может быть использовано для создания металлических стекол. Такие аморфные металлы имеют необычайно высокие коррозионную стойкость и прочность. The extremely rapid cooling accompanying the collapse of the bubble can be used to create metallic glasses. Such amorphous metals have unusually high corrosion resistance and strength.

Хотя химические применения ультразвука находятся еще на начальных стадиях разработки, в ближайшие годы следует ожидать быстрого прогресса в области звукохимии. Использование ультразвука в лабораторных реакциях широко распространяется, и перенос имеющихся технологий на реакции промышленного масштаба, по-видимому, не за горами. В основе разрабатываемых технологий лежат последние достижения в исследованиях химических эффектов ультразвука. Although the chemical applications of ultrasound are still in the initial stages of development, rapid progress should be expected in the coming years in the field of sound chemistry. The use of ultrasound in laboratory reactions is widespread, and the transfer of existing technologies to industrial-scale reactions is apparently not far off. The technologies being developed are based on the latest advances in research on the chemical effects of ultrasound.

Таким образом предложенное техническое решение не противоречит экспериментальным исследованиям сегодняшнего дня. И может быть рассмотрено как имеющее перспективу. Из классических технологий сепарации жидких сред известно, что процесс разделения сопровождается значительными тепловыми эффектами как экзотермическими, так и эндотермическими, т.е. находится в зависимости с принципом Ле Шателье и другими законами термохимии. Тепловые эффекты настолько значительны, что вызывают целесообразность принудительного охлаждения или нагрева центрифуг и др. элементов (см. Д.Е.Шкоропад "Центрифуги для химических производств", с.121, рис.35, с.227, табл.25). Тот же источник, стр. 193-217, таблицы 16,21,22,23 подтверждают высокую разделительную способность современных центрифуг, даже не несущих устройств звука и электроактивации. Поддаются прямому разделению центрифугированием однородные системы компонента, среди которых: хлорид и хлорат натрия, сульфат железа, кобальтовая кислота и др. вещества. Дополнительная информация содержится в классификаторе МКИ: В01D 21/26, В04В, В04В 7/00 15/12, В04В 1/00-5/12 и других. Thus, the proposed technical solution does not contradict the experimental studies of today. And can be considered as having a perspective. From the classical technologies of liquid separation, it is known that the separation process is accompanied by significant thermal effects, both exothermic and endothermic, i.e. It depends on the principle of Le Chatelier and other laws of thermochemistry. Thermal effects are so significant that they make it advisable to force cooling or heating centrifuges and other elements (see D.E. Shkoropad "Centrifuges for Chemical Production", p. 121, fig. 35, p. 227, table 25). The same source, pp. 193-217, tables 16,21,22,23 confirm the high separation ability of modern centrifuges, even not bearing sound and electroactivation devices. Homogeneous systems of the component can be directly separated by centrifugation, including: sodium chloride and chlorate, iron sulfate, cobalt acid, and other substances. Additional information is contained in the MKI classifier: В01D 21/26, В04В, В04В 7/00 15/12, В04В 1 / 00-5 / 12 and others.

В целях уточнения и конкретизации раздела "Сущность изобретения" проводится изложение всех существенных признаков, характеризующих новизну и полезность предложенного теплового насоса. In order to clarify and specify the section "Summary of the invention", an account is made of all the essential features characterizing the novelty and usefulness of the proposed heat pump.

В отличие от известных тепловых насосов, использующих цикл "расширение" /сжатие/ газообразного рабочего тела, предложен рабочий термодинамический цикл с жидким рабочим телом, представляющий собой химический раствор с экзотермическими свойствами при растворении. In contrast to the well-known heat pumps using the expansion / compression / gaseous working fluid cycle, a working thermodynamic cycle with a liquid working fluid is proposed, which is a chemical solution with exothermic properties when dissolved.

Замкнутая схема циркуляции рабочего тела содержит соединенные гидравлическими магистралями питательный насос, теплообменники, смеситель раствора и центробежный сепаратор раствора, оборудованный устройством для ультразвуковой активации рабочего тела. Кроме этого, тепловой насос состоит из приводного двигателя, приборов контроля и управления, устройств, организующих движение теплоносителя окружающей среды (воздух, вода) и циркуляцию высокотемпературного коммерческого теплоносителя. The closed circulation circuit of the working fluid contains a feed pump connected by hydraulic lines, heat exchangers, a solution mixer and a centrifugal solution separator equipped with a device for ultrasonic activation of the working fluid. In addition, the heat pump consists of a drive motor, monitoring and control devices, devices that organize the movement of the environment coolant (air, water) and the circulation of high-temperature commercial coolant.

В целях интенсификации процесса теплопередачи и упрощения конструкции смеситель раствора и центробежный сепаратор раствора снабжены элементами, развивающими поверхность теплообмена, и являются мобильными теплообменниками с общим механическим вращательным приводом. In order to intensify the heat transfer process and simplify the design, the solution mixer and centrifugal solution separator are equipped with elements that develop the heat exchange surface and are mobile heat exchangers with a common mechanical rotary drive.

Центробежный сепаратор раствора представляет собой высокооборотистую разделительную суперцентрифугу трубчатого типа с непрерывным потоком разделяемого рабочего тела, активированного действием ультразвукового фактора, имеющую вертикальную ось вращения и внутренние сквозные полости для обеспечения теплообмена. The centrifugal solution separator is a tubular type high-speed separating supercentrifuge with a continuous flow of a shared working fluid activated by the action of an ultrasonic factor, having a vertical axis of rotation and internal through cavities to ensure heat transfer.

Смеситель-теплообменник выполнен с развитой внешней поверхностью теплообмена и образует замкнутый объем, внутри которого смонтирован ротор с фигурными лопатками, а подвод исходных и отвод конечных продуктов реакции растворения производится с противоположных сторон смесителя-теплообменника вдоль оси ротора, кинематически связанной с валом приводного двигателя. The mixer-heat exchanger is made with a developed external heat exchange surface and forms a closed volume, inside of which a rotor with curly blades is mounted, and the input and output of the final products of the dissolution reaction are supplied from opposite sides of the mixer-heat exchanger along the axis of the rotor kinematically connected with the shaft of the drive motor.

Движение газообразных продуктов теплоносителя окружающей среды и высокотемпературного теплоносителя вдоль поверхности теплообменника сепаратора и смесителя обеспечено двумя центробежными турбинами, смонтированными соосно на каждом из двух теплообменных аппаратов и имеющими самостоятельный кинематический привод от двигателя. The movement of gaseous products of the environment and high-temperature coolant along the surface of the separator and mixer heat exchanger is provided by two centrifugal turbines mounted coaxially on each of the two heat exchangers and having an independent kinematic drive from the engine.

Гидравлическая схема замкнутой циркуляции рабочего тела включает сепаратор в смеситель, соединенные между собой тремя магистралями, причем напорная линия подвода раствора к сепаратору от смесителя содержит одну магистраль с размещенными на ней предохранительным клапаном и питательным шестеренчатым насосом, снабженным байпасной линией с регулировочным вентилем, а линия отвода продуктов разделения от сепаратора к смесителю содержит две магистрали, каждая из которых снабжена регулировочным вентилем и транспортирует отдельные продукты сепарации. The hydraulic circuit of the closed circulation of the working fluid includes a separator in the mixer, interconnected by three lines, and the pressure line to the solution to the separator from the mixer contains one line with a safety valve and a feed gear pump equipped with a bypass line with an adjustment valve, and a discharge line separation products from the separator to the mixer contains two lines, each of which is equipped with a control valve and transports individual products separation s.

Оба теплообменных аппарата: центробежный сепаратор и смеситель конструктивно размещены вдоль одной геометрической оси с пространственным интервалом, в котором смонтирована кинематическая шестеренчатая схема привода вращения центробежного сепаратора, ротора смесителя, обоих центробежных турбин газообразной фазы теплоносителя и шестеренчатого питательного насоса жидкого рабочего тела от общего приводного двигателя, причем, каждый вращающийся агрегат имеет самостоятельное независимое передаточное отношение, а вращение центробежного сепаратора с высокими оборотами обеспечено последовательной работой планетарной передачи и циркулятора. Both heat exchangers: a centrifugal separator and a mixer are structurally placed along one geometric axis with a spatial interval in which a kinematic gear drive circuit for rotating a centrifugal separator, a mixer rotor, both centrifugal turbines of the gaseous phase of the coolant and gear liquid pump of the working fluid from a common drive motor is mounted, moreover, each rotating unit has an independent independent gear ratio, and the rotation is centrifugal second separator is provided with high turnover sequential operation of the planetary gear and the circulator.

Все элементы и агрегаты теплового насоса, контактирующие с жидким рабочим телом, выполнены из химически реакционностойких материалов. All elements and units of the heat pump in contact with the liquid working fluid are made of chemically reactive materials.

На фиг. 1 принципиальная схема теплового насоса, на фиг. 2 поперечное сечение сепаратора. In FIG. 1 is a schematic diagram of a heat pump; FIG. 2 cross section of a separator.

На принципиальной схеме теплового насоса (фиг.1) приведены составляющие его конструктивные элементы и взаимные связи между ними. Основными элементами являются: сепаратор-теплообменник 1, смеситель-теплообменник 2, питательный шестеренчатый насос 3, связывающая их напорная линия раствора 4, и линия разделенных компонентов раствора, состоящая из двух магистралей: легкой 5 и тяжелой 6 фракции. Рабочее тело насоса, представляющее собой химический раствор с энергетическим эффектом растворения, заполняет внутренние объемы теплообменных агрегатов и магистралей, образуя замкнутый контур циркуляции. The schematic diagram of the heat pump (figure 1) shows its structural elements and the interconnections between them. The main elements are: a separator-heat exchanger 1, a mixer-heat exchanger 2, a feed gear pump 3, a solution pressure line 4 connecting them, and a line of separated solution components, consisting of two lines: light 5 and heavy 6 fractions. The working fluid of the pump, which is a chemical solution with the energy effect of dissolution, fills the internal volumes of heat exchangers and lines, forming a closed loop.

Целям обеспечения максимального теплообмена служит конструктивное объединение сепаратора с теплообменником 1 и смесителя с теплообменником 2 в одних агрегатах. Сепаратор является центробежным аппаратом, выполненным по схеме суперцентрифуги трубчатого типа с непрерывным потоком разделяемых продуктов (Д. Е. Шкоропад "Центрифуги для химических производств". М. Машиностроение, 1975, с.135-143). The purpose of ensuring maximum heat transfer is the constructive integration of the separator with heat exchanger 1 and the mixer with heat exchanger 2 in the same units. The separator is a centrifugal apparatus made according to the scheme of a tubular type supercentrifuge with a continuous flow of separable products (D. E. Shkoropad "Centrifuges for chemical production". M. Mashinostroenie, 1975, p.135-143).

В поперечном сечении (фиг. 2, А-А) корпус суперцентрифуги имеет вид крыльчатки лопастного колеса, каждая лопасть которого выполнена пустотелой и соединяет узкие периферийный и центральный кольцевые объемы. Замкнутые секторные пространства между соседними лопастями имеют сквозную протяженность вдоль вертикальной оси центрифуги и служат для организации движения тазообразного теплоносителя. Внутренние стенки лопастей служат для вовлечения рабочего тела в круговое движение. На наружных стенках лопастей в осевом направлении выполнены элементы, развивающие поверхность теплообмена (ленточные пластины 7). Вращательное движение суперцентрифуге сообщается через ось, содержащую осевой канал 8 подвода рабочего тела. В центральной части оси установлены четыре форсунки 9, сообщающие канал 8 с внутренним объемом центрифуги, а средняя часть канала выше форсунок заглушена промежуточной заглушкой 10. Стенки канала термоизолированы. В верхней части суперцентрифуги смонтированы четыре заборные трубки 11, соединяющиеся выше промежуточной заглушки 10 с осевым каналом 8. Заборные трубки 11 предназначены для удаления легкой фазы рабочего тела из центральной области суперцентрифуги и ее верхней зоне. In a cross section (Fig. 2, A-A), the supercentrifuge body has the form of an impeller of a blade wheel, each blade of which is hollow and connects narrow peripheral and central annular volumes. Closed sector spaces between adjacent blades have a through length along the vertical axis of the centrifuge and serve to organize the movement of the pelvic coolant. The inner walls of the blades serve to engage the working fluid in a circular motion. On the outer walls of the blades in the axial direction there are made elements that develop the heat exchange surface (tape plates 7). The rotational movement of the supercentrifuge is communicated through the axis containing the axial channel 8 of the supply of the working fluid. Four nozzles 9 are installed in the central part of the axis, communicating channel 8 with the internal volume of the centrifuge, and the middle part of the channel above the nozzles is blanked by an intermediate plug 10. The walls of the channel are thermally insulated. Four suction tubes 11 are mounted in the upper part of the supercentrifuge, connecting above the intermediate plug 10 with the axial channel 8. The intake tubes 11 are designed to remove the light phase of the working fluid from the central region of the supercentrifuge and its upper zone.

В целях отвода тяжелой фазы раствора из нижней зоны периферийных областей суперцентрифуги, ее ось конгруэнтно заключена в цилиндрический соосный канал 12, герметически изолированный от заборных трубок 11, форсунок 9, внутреннего осевого канала 8 и имеющий диаметр несколько больший, чем внешний диаметр оси. В нижней части суперцентрифуги соосный канал тяжелой фазы 12 снабжен коническим экраном 13, организующим движение тяжелой фазы раствора от периферии к оси в узком кольцевом зазоре. In order to divert the heavy phase of the solution from the lower zone of the peripheral regions of the supercentrifuge, its axis is congruently enclosed in a cylindrical coaxial channel 12, hermetically isolated from the intake pipes 11, nozzles 9, and the internal axial channel 8 and having a diameter slightly larger than the outer diameter of the axis. In the lower part of the supercentrifuge, the coaxial channel of the heavy phase 12 is equipped with a conical screen 13, which organizes the movement of the heavy phase of the solution from the periphery to the axis in a narrow annular gap.

Устройство ультразвуковой активации выполнено по традиционным классическим схемам, не являющихся объектом изобретения. Устройство воздействует механическими звуковыми колебаниями на верхнюю часть оси центрифуги, и далее, на корпус и массу раствора. В целях обеспечения контроля за процессом сепарации внутри корпуса центрифуги установлены в верхней и нижней части датчики (химсостав, температура). Датчики 14,15 через скользящие контакты 16 связаны с блоком индикации 17 внутри оси 8. The ultrasonic activation device is made according to traditional classical schemes that are not the object of the invention. The device acts by mechanical sound vibrations on the upper part of the centrifuge axis, and further on the body and the mass of the solution. In order to provide control over the separation process inside the centrifuge housing, sensors are installed in the upper and lower parts (chemical composition, temperature). The sensors 14.15 through the sliding contacts 16 are connected with the display unit 17 inside the axis 8.

Подвод раствора обеспечивается с нижнего торца оси суперцентрифуги по осевому каналу 8 через нижнее уплотнительное приспособление 18. Отвод разделенных компонентов леткой и тяжелой фаз производится с верхнего участка оси суперцентрифуги посредством среднего 19 и верхнего 20 уплотнительных приспособлений. В целях максимальной теплопередачи от стенок суперцентрифуги к газообразному теплоносителю непосредственно к нижней плоскости суперцентрифуги с зазором примыкает центробежная газовая турбина 21, размещенная соосно с суперцентрифугой. Улитка 22 турбины в центральной части переходит в цилиндрический кожух 23 сепаратора, который оканчивается вверху коническим раструбом. Непосредственно перед входом газового потока в сепаратор-теплообменник установлен направляющий аппарат 24, состоящий из двух симметричных относительно вертикальной плоскости половин, выполненный по стандартным конструктивным параметрам и содержащий в каркасе и лопатках внутренние полости и каналы для движения компонентов раствора. Направляющий аппарат 24 задает направление газовому потоку и выполняет функции теплообменника на входе газообразного теплоносителя в сепараторе. The solution is supplied from the lower end of the axis of the supercentrifuge along the axial channel 8 through the lower sealing device 18. The separated components of the tap hole and the heavy phases are removed from the upper section of the axis of the supercentrifuge by means of the middle 19 and upper 20 sealing devices. In order to maximize heat transfer from the walls of the supercentrifuge to the gaseous coolant directly to the lower plane of the supercentrifuge, a centrifugal gas turbine 21 adjoins with the supercentrifuge adjoins with a gap. The scroll 22 of the turbine in the central part passes into the cylindrical casing 23 of the separator, which ends at the top with a conical bell. Directly before the gas stream enters the separator-heat exchanger, a guide apparatus 24 is installed, consisting of two halves symmetrical relative to the vertical plane, made according to standard design parameters and containing internal cavities and channels for the movement of the solution components in the frame and vanes. The guide apparatus 24 sets the direction of the gas flow and acts as a heat exchanger at the inlet of the gaseous coolant in the separator.

Второй важнейший агрегат теплового насоса смеситель-теплообменник 2 выполнен также как и сепаратор 1 в блоке с центробежной турбиной 25, смонтированной соосно. Смеситель-теплообменник решает задачу обеспечения перемешивания компонентов легкой и тяжелой фаз раствора в условиях интенсивного теплообмена с газообразным теплоносителем. Смеситель представляет собой пустотелый цилиндр с размещенным внутри ротором 26, несущим фигурные лопатки, смещенные одна относительно другой на определенный угол и закрученные в противоположные стороны. В боковую поверхность смесителя по всему периметру вмонтированы элементы, развивающие поверхность теплообмена, представляющие собой полые изогнутые трубки 27, несущие оребрение и соединяющиеся обеими концами с полостью смесителя. Улитка турбины 25 в центральной части соединяется с коническим раструбом 28, организующим движение газообразного теплоносителя вдоль смесителя. На периферии улитки к ней примыкает патрубок 29. В верхней части цилиндрической поверхности смесителя смонтированы две форсунки 33 магистралей легкой и тяжелой фаз раствора, в нижней расположено заборное устройство 31 напорной магистрали раствора. The second most important unit of the heat pump mixer-heat exchanger 2 is made as well as the separator 1 in the block with a centrifugal turbine 25 mounted coaxially. The mixer-heat exchanger solves the problem of mixing the components of the light and heavy phases of the solution in conditions of intense heat exchange with a gaseous coolant. The mixer is a hollow cylinder with a rotor 26 inside, carrying curly blades, offset from one another by a certain angle and twisted in opposite directions. Elements that develop the heat exchange surface, which are hollow bent tubes 27, bearing fins and connected at both ends with the cavity of the mixer, are mounted on the lateral surface of the mixer around the entire perimeter. The scroll of the turbine 25 in the central part is connected with a conical socket 28, which organizes the movement of the gaseous coolant along the mixer. At the periphery of the cochlea, a pipe 29 adjoins it. Two nozzles 33 of the lines of light and heavy phases of the solution are mounted in the upper part of the cylindrical surface of the mixer, and the intake device 31 of the pressure head of the solution is located in the lower part.

Механическая схема теплового насоса, обеспечивающая вращение двух центробежных турбин 21,25, сепаратора-теплообменника 1, ротора смесителя-теплообменника 26 и непрерывную циркуляцию жидкого рабочего тела, включает приводной двигатель 32 (электрического или механического исполнения), связанного кинематически шестеренчатыми передачами со всеми вращающимися потребителями. The mechanical diagram of the heat pump, providing rotation of two centrifugal turbines 21.25, separator-heat exchanger 1, rotor of the mixer-heat exchanger 26 and continuous circulation of the liquid working fluid, includes a drive motor 32 (electric or mechanical design) connected kinematically by gears with all rotating consumers .

Оба теплообменных агрегата: сепаратор 1 и смеситель 2 размещены вдоль одной геометрической оси с пространственным интервалом, в котором конструктивно расположены зубчатые передачи вращения, приводной двигатель 32, питательный насос 3 и другие элементы. Смеситель 2 и сепаратор 1 в блоке с турбинами 21, 25 расположены друг относительно друга зеркально симметрично с раструбами, направленными в разные стороны, и зубчатыми приводами, обращенными внутрь. Съем мощности производится с обоих противоположных сторон вала приводного двигателя 32, ось вращения которого параллельна оси вращения элементов теплообменных аппаратов 1,2. С верхнего участка вала двигателя производится съем мощности для вращения сепаратора 1, турбины сепаратора 2 и питательного насоса 3. Вал турбины сепаратора снабжен шестерней 34, составляющей повышающую зубчатую передачу с ведущей шестерней 35 верхнего участка вала двигателя. К шестерне 34 вала турбины подключена шестерня 33 привода питательного насоса 30, составляющая понижающую передачу. Ось, сообщающая вращение сепаратору, размещена внутри вала турбины 21 соосно и получает ускоренное вращение от элементов циклоредуктора 36, который в свою очередь связан с солнечной шестерней планетарного механизма 37, эпицикл которого заторможен, а водило связано с валом турбины 21. Обороты сепаратора находятся в интервале 20-40 тыс. оборотов в минуту, благодаря тройному (циклоредуктор, планетарный механизм, зубчатая пара) повышению оборотов двигателя. Низкий участок вала двигателя снабжен двумя шестернями разного диаметра, связанными соответственно с валом ротора смесителя шестерней 38 понижающая передача и шестерня 39 привода вала турбины 25. Сам приводной двигатель электрический, с внешним источником питания. Both heat-exchange units: separator 1 and mixer 2 are placed along the same geometric axis with a spatial interval in which the gear rotation gears, the drive motor 32, the feed pump 3 and other elements are structurally located. The mixer 2 and the separator 1 in the block with the turbines 21, 25 are located relative to each other mirror symmetrically with sockets directed in different directions, and gear drives facing inward. Power is removed from both opposite sides of the shaft of the drive motor 32, the axis of rotation of which is parallel to the axis of rotation of the elements of the heat exchangers 1,2. From the upper portion of the engine shaft, power is removed to rotate the separator 1, the separator turbine 2 and the feed pump 3. The separator turbine shaft is equipped with a gear 34 that makes up the gear transmission with the drive gear 35 of the upper portion of the motor shaft. A gear 33 of the drive of the feed pump 30 is connected to the gear wheel 34 of the turbine shaft, which constitutes a downshift. The axis, which informs the rotation of the separator, is located coaxially inside the shaft of the turbine 21 and receives accelerated rotation from the elements of the cyclic gear 36, which in turn is connected to the sun gear of the planetary gear 37, the epicycle of which is inhibited and connected to the turbine shaft 21. The separator revolutions are in the interval 20-40 thousand revolutions per minute, thanks to a triple (cyclic gear, planetary gear, gear pair) increase in engine speed. The low section of the engine shaft is equipped with two gears of different diameters, respectively connected with the rotor shaft of the mixer gear 38, a reduction gear and gear wheel 39 of the turbine shaft 25. The drive motor itself is electric, with an external power source.

Гидравлическая схема замкнутой циркуляции рабочего тела включает сепаратор 1, смеситель 2, соединенные между собой тремя магистралями, причем напорная линия подвода раствора от смесителя 2 к сепаратору 1 содержит одну магистраль с размещенными на ней предохранительным клапаном 40 и питательным шестеренчатым насосом 30, снабженным байпасной линией с регулировочным вентилем 41. Линия отвода продуктов разделения от сепаратора к смесителю содержит две магистрали легкой 42 и тяжелой 43 фазы раствора, причем каждая магистраль снабжена регулировочным вентилем 44, 45. Направляющий аппарат 24 последовательно включен в магистраль 42,43 леткой и тяжелой фаз, как конструктивно объединенный теплообменник. The hydraulic circuit of the closed circulation of the working fluid includes a separator 1, a mixer 2, interconnected by three lines, and the pressure line of the solution supply from the mixer 2 to the separator 1 contains one line with a safety valve 40 and a feed gear pump 30 provided with a bypass line with control valve 41. The line for separating separation products from the separator to the mixer contains two lines of light 42 and heavy 43 phases of the solution, each line being equipped with a regulating nym valve 44, 45. The guide unit 24 sequentially turned on in line 42,43 taphole and heavy phases, both structurally combined heat exchanger.

Все элементы и агрегаты, контактирующие с жидким рабочим телом, выполнены из химических реакционностойких материалов. All elements and assemblies in contact with the liquid working fluid are made of chemical reaction-resistant materials.

Дополнительно, в целях полной утилизации тепла, в гидравлическую схему теплового насоса на напорной линии раствора между смесителем 2 и питательным шестеренчатым насосом 30 включен теплообменник 46, работающий по схеме "жидкость жидкость". Конструктивное исполнение типовое. Магистраль раствора получает развитие поверхности внутри теплообменника 46, ток жидкости, циркулирующий между элементами поверхности, обеспечен посторонним источником (на схеме не обозначен). In addition, in order to completely utilize heat, a heat exchanger 46 operating in the "liquid-liquid" scheme is included in the hydraulic circuit of the heat pump on the pressure line of the solution between the mixer 2 and the feed gear pump 30. Typical design. The solution main receives development of the surface inside the heat exchanger 46, the fluid flow circulating between the surface elements is provided by an external source (not indicated in the diagram).

Схема организации потоков газовой фазы в тепловом насосе такова. Направляющий аппарат 24, сепаратор (теплообменник) 1, турбина 21 работают в среде воздуха окружающей атмосферы или в среде промежуточного газообразного теплоносителя с высокой теплоемкостью (водяной пар, водород и пр.) в зависимости от назначения. Смеситель-теплообменник работает в среде коммерческого газообразного теплоносителя (воздух, пар, водород, другие оригинальные газообразные продукты или смеси продуктов). Главное условие применения высокая теплоемкость, дешевизна, малая агрессивность. Организация потока коммерческого теплоносителя может быть замкнутой (теплофикация) или разомкнутой (подогрев продуктов реакции горения, синтеза и пр.). Смеситель-теплообменник может функционировать как в газообразной, так и в жидкой среде коммерческого теплоносителя при незначительных конструктивных изменениях (скорость турбины 25 ниже). В качестве рабочего тела использован раствор с экзотермическими свойствами при растворении. Учитывая широкий диапазон возможных применений в установках стационарного и транспортного назначения, разных климатических условиях и модулях различной агрегатной мощности следует рекомендовать следующие композиции двухкомпонентных растворов:
вода серная кислота
вода йодистая кислота
вода азотная кислота
вода соляная кислота
вода алюмоаммониевые квасцы
вода алюминий бромид
вода сульфат железа и другие
Работа предлагаемого теплового насоса в плане физикохимических и термодинамических особенностей подробно изложена ранее.The organization of gas phase flows in a heat pump is as follows. The guide apparatus 24, the separator (heat exchanger) 1, the turbine 21 operate in ambient air or in the medium of an intermediate gaseous coolant with high heat capacity (water vapor, hydrogen, etc.) depending on the purpose. The mixer-heat exchanger operates in a commercial gaseous coolant (air, steam, hydrogen, other original gaseous products or product mixtures). The main condition for the application is high heat capacity, low cost, low aggressiveness. Organization of the flow of commercial coolant can be closed (heating) or open (heating the products of the combustion reaction, synthesis, etc.). The mixer-heat exchanger can function both in a gaseous and in a liquid medium of a commercial coolant with insignificant structural changes (turbine speed 25 is lower). As a working fluid, a solution with exothermic properties during dissolution was used. Considering the wide range of possible applications in stationary and transport installations, different climatic conditions and modules of different aggregate power, the following two-component solution compositions should be recommended:
water sulfuric acid
water iodic acid
water nitric acid
water hydrochloric acid
water aluminum ammonium alum
water aluminum bromide
water iron sulfate and others
The work of the proposed heat pump in terms of physicochemical and thermodynamic features is described in detail earlier.

Процесс теплообмена с окружающей средой обеспечивается синхронным действием механической, гидравлической, аэродинамической и ультразвуковой частями устройства. Включение приводного двигателя 32 обуславливает начало вращения центробежных турбин 21,25, сепаратора 1 ультрацентрифуги, смесителя 2 и питательного насоса 3, одновременно блок преобразователя частоты генерирует переменные ультразвуковые колебания заданных параметров. Под воздействием ультразвука и центробежного фактора раствор, поданный в сепаратор питательным насосом 3, разделяется на две фазы: легкую и тяжелую. Легкая концентрируется в верхней части центрифуги вблизи оси, тяжелая отбрасывается на периферию и оседает вниз. Процесс разделения сопровождается энергетическим эффектом и теплообменом через стенки сепаратора. The process of heat exchange with the environment is ensured by the synchronous action of the mechanical, hydraulic, aerodynamic and ultrasonic parts of the device. The inclusion of the drive motor 32 causes the start of rotation of the centrifugal turbines 21.25, ultracentrifuge separator 1, mixer 2 and feed pump 3, while the frequency converter unit generates variable ultrasonic vibrations of the specified parameters. Under the influence of ultrasound and centrifugal factor, the solution supplied to the separator by the feed pump 3 is divided into two phases: light and heavy. The light one is concentrated in the upper part of the centrifuge near the axis, the heavy one is discarded to the periphery and settles down. The separation process is accompanied by an energy effect and heat transfer through the walls of the separator.

Объемные доли фаз регулируются вентилем 44,45, расход жидкого рабочего тела в целом регулируется вентилем 42. В смесителе 2 легкая и тяжелая фазы раствора перемешиваются с энергетическим эффектом прямой реакции (растворение), процесс также сопровождается интенсивным теплообменом. В нижней части смесителя раствор приобретает равновесную концентрацию и заканчивается снова через питательный насос в сепаратор 1. Volume fractions of phases are regulated by valve 44.45, the flow rate of the liquid working fluid as a whole is controlled by valve 42. In mixer 2, the light and heavy phases of the solution are mixed with the energy effect of a direct reaction (dissolution), the process is also accompanied by intense heat transfer. In the lower part of the mixer, the solution acquires an equilibrium concentration and ends again through the feed pump into the separator 1.

Устройство ультразвуковой активации 46 выполнено по традиционным классическим схемам, не является объектом изобретения, поэтому опускается. The ultrasonic activation device 46 is made according to traditional classical schemes, is not an object of the invention, therefore, is omitted.

Целям полного обеспечения теплообмена служат включенные в гидравлическую схему теплообменник 47 и направляющий аппарат-теплообменник 24. Назначение их ясно из схемы. The goals of ensuring full heat exchange are the heat exchanger 47 and the guiding apparatus-heat exchanger included in the hydraulic circuit 24. Their purpose is clear from the diagram.

Предложенный тепловой насос принципиально не отличается от известных, работающих по принципу "сжатие-расширение", и реализует принцип "растворение
разделение", также сопровождающийся объемными изменениями. Содержит устройства для сообщения движения рабочим средам и аппаратам, которые снижают его КПД, также как и его аналогов. Однако, доля механической энергии, затраченной на утилизацию тепла из окружающей среды, меньше, чем в цикле с газообразным рабочим телом, и эта доля пропорциональна тому объемному изменению, которое претерпевает жидкое рабочее тело в цикле насоса. Энергия активации, затраченная в ходе процесса сепарации, затем возвращается в виде тепла, и не теряется.The proposed heat pump does not fundamentally differ from the known ones working on the principle of "compression-expansion", and implements the principle of "dissolution"
separation ", also accompanied by volumetric changes. Contains devices for communicating the movement of working media and apparatuses that reduce its efficiency, as well as its analogues. However, the share of mechanical energy spent on heat recovery from the environment is less than in a gaseous cycle the working fluid, and this fraction is proportional to the volumetric change that the liquid working fluid undergoes in the pump cycle. The activation energy spent during the separation process is then returned in the form of heat and is not lost.

Предложенный насос может иметь самые широкие применения в энергетике и теплофикации, в тех областях, где требуется умеренная температура процесса. Насос может быть применен в качестве энергоустановки для подводных лодок, крейсеров, танков и другой военной техники. The proposed pump can have the widest applications in power engineering and heating, in those areas where a moderate process temperature is required. The pump can be used as a power plant for submarines, cruisers, tanks and other military equipment.

Claims

1. The heat pump installation, which is a closed loop along the working fluid, including a device for circulating the working fluid, heat exchangers, devices for circulating in the circuits of the low-temperature coolant from the environment and the high-temperature coolant, the drive motor and control and control devices, characterized in that as a working fluid used a liquid chemical solution with exothermic properties during dissolution, and the closed loop additionally contains m liquid heat exchanger fluid and fluid gas, a mixer and a solution of a centrifugal separator of the solution with the device for activating the ultrasonic working fluid.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the mixer and centrifugal separator are provided with heat exchange surfaces and have a common mechanical drive for rotation from the engine.

3. Installation according to claim 1, characterized in that the centrifugal separator is a tubular-type high-speed centrifuge having a vertical rotation shaft and internal through cavities to provide heat exchange between the working fluid and the high-temperature coolant.

4. The apparatus according to claim 1, characterized in that the device for ultrasonic activation of the working fluid is installed with the effect on the flow of the working fluid in the upper part of the separator.

5. Installation according to claim 1, characterized in that the mixer of the solution is made with the formation of a closed volume, inside of which a rotor with curly blades is installed, and the supply of initial and removal of the final reaction products of the solvent are placed on opposite sides of the mixer along the rotor shaft kinematically connected with the shaft drive motor.

6. Installation according to claim 1, characterized in that two centrifugal turbines mounted coaxially with a centrifugal separator and a solution mixer and having a common drive motor are installed as devices for circulating low and high temperature fluids.

7. Installation according to claim 1, characterized in that the separator and mixer are interconnected by three lines, and the pressure line of the solution to the separator from the mixer contains one line with a safety valve and a feed gear pump equipped with a bypass line with a control valve and the drainage line for the separation of the solution from the separator to the mixer contains two lines of individual separation products, each of which is equipped with a control valve.

8. Installation according to paragraphs. 6 and 7, characterized in that the drive motor shaft is located along a common shaft between the separator and the mixer, and both centrifugal turbines and a gear pump are also placed on the shaft and each unit has a separate independent transmission, and the separator shaft is connected to the motor shaft in series through a planetary gear and cyclo gear.

9. Installation according to claim 7, characterized in that the liquid-gas heat exchanger is combined with a guide apparatus with their placement in front of the separator in the separation products separation line, and the liquid-liquid heat exchanger is connected to the product supply line between the mixer and the separator, the latter being connected to the low-temperature circuit coolant from the environment, and the mixer to the circuit of the high-temperature coolant.

10. Installation according to claim 9, characterized in that all the units in contact with the working heat are made of chemically resistant materials.