RU2331815C2 - Method of natural geyser simulation and device to this effect - Google Patents
Method of natural geyser simulation and device to this effect Download PDFInfo
- Publication number
- RU2331815C2 RU2331815C2 RU2006133725/06A RU2006133725A RU2331815C2 RU 2331815 C2 RU2331815 C2 RU 2331815C2 RU 2006133725/06 A RU2006133725/06 A RU 2006133725/06A RU 2006133725 A RU2006133725 A RU 2006133725A RU 2331815 C2 RU2331815 C2 RU 2331815C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- geyser
- pipe
- chamber
- outlet
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 230000000694 effects Effects 0.000 title abstract description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title abstract 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 132
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 22
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 9
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 8
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 3
- 239000008236 heating water Substances 0.000 claims 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 206010037844 rash Diseases 0.000 description 43
- 230000008569 process Effects 0.000 description 20
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 10
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 3
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 3
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001149 cognitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000005429 filling process Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Pipeline Systems (AREA)
- Feeding And Controlling Fuel (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к созданию учебных пособий, наглядно поясняющих явления природы. Оно также может использоваться в развлекательных целях в парковых ансамблях, Диснейлендах и т.п. В частности, изобретение относится к способу имитации природного гейзера и устройству для его осуществления.The invention relates to the creation of textbooks that clearly explain the phenomena of nature. It can also be used for recreational purposes in park ensembles, Disneyland, etc. In particular, the invention relates to a method for simulating a natural geyser and a device for its implementation.
Уровень техникиState of the art
Известен способ имитации процесса извержения природного гейзера и устройство для его осуществления, включающее камеру гейзера, расположенную на значительной глубине под поверхностью земли [а.с. 461700, А.Г.Мержанов, А.С.Штейнберг, Г.С.Штейнберг,]. Камера снабжена нагревателем и трубопроводом, по которому к ней подводится холодная вода. Из камеры выходит вертикальный канал, по которому осуществляется выброс смеси вскипевшей воды и пара. Верхний конец этого канала расположен на поверхности земли или на небольшой высоте над ней.A known method of simulating the process of eruption of a natural geyser and a device for its implementation, comprising a geyser camera located at a considerable depth below the surface of the earth [a.s. 461700, A.G. Merzhanov, A.S. Steinberg, G.S. Steinberg,]. The chamber is equipped with a heater and a pipeline through which cold water is supplied to it. A vertical channel emerges from the chamber, through which a mixture of boiled water and steam is discharged. The upper end of this channel is located on the surface of the earth or at a small height above it.
Для увеличения количества выбрасываемой воды в дополнение к описанному способу используется относительно небольшое погружение входного конца гейзерного канала ниже уровня верхней крышки гейзерной камеры [а.с. 2015574, У.И.Гольдшлегер, А.Г.Мержанов, А.С.Штейнберг, Г.С.Штейнберг].To increase the amount of water discharged, in addition to the described method, a relatively small immersion of the inlet end of the geyser channel is used below the level of the top cover of the geyser chamber [a.s. 2015574, U.I. Goldschleger, A.G. Merzhanov, A.S. Steinberg, G.S. Steinberg].
Таким образом, после начала кипения образующийся в ней пар, количество которого непрерывно растет, вначале не имеет выхода из камеры. Пар давит на поверхность воды в камере и из канала начинает выдавливаться некипящая вода. Гидравлическое сопротивление движению воды в канале способствует повышению давления в камере и увеличению температуры в ней. После того, как уровень воды в камере снижается до уровня входного конца гейзерного канала, в канал начинает поступать значительное количество пара. Давление в гейзере быстро снижается и начинается извержение. Общим недостатком этих и подобных им методов является размещение камеры с нагревателями глубоко под землей, т.е. существенно ниже выходного конца гейзерного канала. В то время как диаметры каналов даже мощных гейзеров не превышают ID-20 см, диаметры камер даже небольших искусственных гейзеров должны быть порядка нескольких метров. Осуществление бурения даже относительно неглубоких скважин такого диаметра крайне затруднительно и чрезвычайно дорого. Не менее сложным является последующее размещение в них гейзерных камер, являющихся специализированными паровыми котлами, снабженными мощными устройствами нагрева (горелками или электронагревателями), системами измерения температуры и давления в котле и управления нагревом воды в нем.Thus, after the start of boiling, the steam formed in it, the amount of which is continuously growing, at first has no way out of the chamber. Steam presses on the surface of the water in the chamber and non-boiling water begins to be squeezed out of the channel. Hydraulic resistance to the movement of water in the channel increases the pressure in the chamber and increases the temperature in it. After the water level in the chamber decreases to the level of the inlet end of the geyser channel, a significant amount of steam begins to flow into the channel. The pressure in the geyser decreases rapidly and the eruption begins. A common drawback of these and similar methods is the placement of a chamber with heaters deep underground, i.e. significantly lower than the output end of the geyser channel. While the diameters of the channels of even powerful geysers do not exceed ID-20 cm, the diameters of the chambers of even small artificial geysers should be of the order of several meters. Drilling even relatively shallow wells of this diameter is extremely difficult and extremely expensive. No less difficult is the subsequent placement of geyser chambers in them, which are specialized steam boilers equipped with powerful heating devices (burners or electric heaters), systems for measuring temperature and pressure in the boiler and controlling the heating of water in it.
Именно этими недостатками объясняется тот факт, что, несмотря на принципиальную простоту и зрелищную эффектность извержения природного гейзера, сочетающиеся с познавательной ценностью этого явления, искусственные гейзеры до сих пор не созданы. Они не демонстрируются ни в парках, ни в школах, ни на детских площадках типа Диснейленда в Лос Анжелесе. Немногочисленные же малогабаритные гейзерные модели типа демонстрируемых в сан-франциском музее "Эксплораториум" обладают ничтожно малым энергозапасом и характеризуются крайне незначительной (порядка 1 метра) высотой выброса воды, т.е. практически не имитируют природный гейзерный процесс.It is these shortcomings that explain the fact that, despite the fundamental simplicity and spectacular spectacularity of the eruption of a natural geyser, combined with the cognitive value of this phenomenon, artificial geysers have not yet been created. They are not shown in parks, schools, or playgrounds such as Disneyland in Los Angeles. The few small-sized geyser models of the type shown at the Exploratorium Museum in San Francisco have a negligible energy reserve and are characterized by an extremely small (about 1 meter) water discharge height, i.e. practically do not imitate the natural geyser process.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Целью настоящего изобретения является способ имитации гейзерного процесса и устройство для его реализации, свободные от указанных недостатков.The aim of the present invention is a method for simulating a geyser process and a device for its implementation, free from these disadvantages.
Гейзерная камера (котел), в которой осуществляется нагрев и вскипание воды, размещена в небольшом углублении в земле или на ее поверхности. Нагрев гейзерной камеры осуществляется продуктами горения натурального топлива (газообразного, жидкого или твердого) или мощными электронагревателями. Подача холодной воды в гейзерную камеру осуществляется по трубопроводу, имеющему клапан. Горение газообразного или жидкого топлива в смеси с воздухом осуществляется с помощью горелки. Продукты горения, охлажденные в результате контакта с поверхностями нагрева гейзерной камеры, выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Подобно стандартным водоподогревателям с повышенным давлением пара и паровым котлам гейзерная камера снабжена устройствами контроля температуры (термопары и термометры), давления пара (манометр) и уровня воды (водомерное стекло). Выход горячей воды, пароводяной смеси и пара из гейзерной камеры осуществляется по патрубку, соединенному с выходным трубопроводом, который, в свою очередь, соединен с входным и выходным концами U-образного трубопровода, находящегося вне гейзерной камеры. Установка и изменение смещения вертикального положения входного отверстия патрубка относительно верхней крышки камеры производится с помощью узла перемещения патрубка (УПП) без разгерметизации камеры. Выходной трубопровод снабжен теплозащитным покрытием. Выходной трубопровод соединен с входным и выходным концами U-образного трубопровода через клапаны, которые позволяют перераспределять потоки через U-образный трубопровод или минуя его. Сообразный трубопровод размещен внутри скважины. После поворота (сопряжения) в донной части скважины U-образный трубопровод переходит в нижнюю часть канала гейзера. Гейзерный канал заканчивается находящимся над поверхностью земли выходным участком. Выходной участок канала размещен в центре бассейна, стилизованного под грифон природного гейзера и декорированного камнями, гейзеритом и термофильными растениями. Взрывоподобный выброс воды и пара на стадии извержения гейзера осуществляется из выпускного патрубка. В связи с тем, что в двухфазной среде, которую представляет собой извергаемая гейзером смесь воды и пара, скорость звука очень мала (30-40 м/с), высота выброса воды даже в самых мощных природных гейзерах сравнительно невелика - максимум 20-25 м. В этой связи для увеличения высоты гейзерного выброса выпускной патрубок снабжают сверхзвуковым соплом с плавно расширяющимся выходным участком. Одним из наиболее оптимальных конструктивных вариантов этого сопла является сверхзвуковое сопло Лаваля для двухфазной смеси воды и пара. Бассейн снабжен водонепроницаемыми стенками и отводным трубопроводом, имеющим фильтр, и соединен с системой сточных вод. Эта система обеспечивает сбор и отвод изверженной воды при постоянном ее уровне в грифоне гейзера. Вблизи выходного участка к гейзерному каналу присоединен трубопровод холодной воды с клапаном. Для уменьшения потерь тепла из трубопровода и канала их поверхности покрыты слоем теплозащитного материала. Для предотвращения коррозии металлических труб грунтовыми водами скважина гейзера снабжена водонепроницаемой стенкой.A geyser chamber (boiler), in which water is heated and boiled, is placed in a small depression in the ground or on its surface. The geyser chamber is heated by the combustion products of natural fuel (gaseous, liquid or solid) or powerful electric heaters. The supply of cold water to the geyser chamber is carried out through a pipeline having a valve. The combustion of gaseous or liquid fuels in a mixture with air is carried out using a burner. Combustion products cooled as a result of contact with the heating surfaces of the geyser chamber are emitted into the atmosphere through a chimney. Like standard water heaters with high steam pressure and steam boilers, the geyser chamber is equipped with temperature control devices (thermocouples and thermometers), steam pressure (pressure gauge) and water level (gauge glass). The exit of hot water, steam-water mixture and steam from the geyser chamber is carried out through a pipe connected to the outlet pipe, which, in turn, is connected to the inlet and outlet ends of the U-shaped pipe located outside the geyser chamber. Installation and change of the displacement of the vertical position of the inlet of the nozzle relative to the top cover of the camera is performed using the node to move the pipe (SCP) without depressurization of the camera. The outlet pipeline is provided with a heat-shielding coating. The outlet pipe is connected to the inlet and outlet ends of the U-shaped pipe through valves that allow redistributing flows through the U-shaped pipe or bypassing it. A consistent pipeline is placed inside the well. After turning (pairing) in the bottom of the well, the U-shaped pipeline passes into the lower part of the geyser channel. The geyser channel ends with an exit section located above the surface of the earth. The outlet section of the canal is located in the center of the pool, stylized as a gryphon of a natural geyser and decorated with stones, geyserite and thermophilic plants. An explosive discharge of water and steam at the stage of geyser eruption is carried out from the exhaust pipe. Due to the fact that in a two-phase medium, which is a mixture of water and steam erupted by a geyser, the speed of sound is very small (30-40 m / s), the height of the water discharge even in the most powerful natural geysers is relatively small - a maximum of 20-25 m In this regard, to increase the height of the geyser ejection, the exhaust pipe is equipped with a supersonic nozzle with a smoothly expanding outlet section. One of the most optimal design options for this nozzle is a supersonic Laval nozzle for a two-phase mixture of water and steam. The pool is equipped with watertight walls and a drain pipe with a filter, and is connected to a wastewater system. This system provides the collection and removal of erupted water at a constant level in the geyser griffin. Near the outlet, a cold water pipeline with a valve is connected to the geyser channel. To reduce heat loss from the pipeline and the channel, their surfaces are covered with a layer of heat-shielding material. To prevent corrosion of metal pipes by groundwater, the geyser well is provided with a waterproof wall.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1. Схема искусственного гейзера (ИГ).Figure 1. Scheme of an artificial geyser (IG).
Фиг.2. Схема варианта размещения входного патрубка в гейзерной камере.Figure 2. The layout of the placement of the inlet pipe in the geyser chamber.
Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Гейзерная камера 1 (котел), в которой осуществляются нагрев и вскипание воды 2, размещена в небольшом углублении в земле или на ее поверхностью. Нагрев камеры 1 осуществляется продуктами горения натурального топлива (газообразного, жидкого или твердого) или мощными электронагревателями. Подача холодной воды в камеру 1 осуществляется по питающему трубопроводу 3, имеющему клапан 4. Горение газообразного или жидкого топлива в смеси с воздухом осуществляется с помощью горелки 5. Продукты горения, охлажденные в результате контакта с поверхностями нагрева камеры 1, выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 6. Подобно стандартным водоподогревателям с повышенным давлением пара и паровым котлам камера 1 снабжена устройствами контроля температуры (термопары и термометры), давления пара (манометр 7) и уровня воды (водомерное стекло 8). Выход горячей воды, пароводяной смеси и пара из камеры 1 осуществляется по находящемуся в ней выходному патрубку 9, соединенному с участком выходного трубопровода 10, находящегося вне камеры 1. Установка и изменение смещения вертикального положения входного отверстия 11 патрубка 9 относительно верхней крышки камеры 1 производятся с помощью узла перемещения патрубка (УПП) без разгерметизации камеры. Описание возможных вариантов конструкции УПП дано ниже.The geyser chamber 1 (boiler), in which heating and boiling of water 2 is carried out, is placed in a small depression in the ground or on its surface. The heating of the chamber 1 is carried out by combustion products of natural fuel (gaseous, liquid or solid) or powerful electric heaters. Cold water is supplied to chamber 1 through a supply pipe 3 having a valve 4. Gaseous or liquid fuels mixed with air are burned using a burner 5. Combustion products cooled by contact with the heating surfaces of chamber 1 are released into the atmosphere through a chimney 6. Like standard water heaters with high steam pressure and steam boilers, chamber 1 is equipped with devices for controlling temperature (thermocouples and thermometers), steam pressure (pressure gauge 7) and water level (water gauge stack about 8). The exit of hot water, steam-water mixture and steam from the chamber 1 is carried out through the
Выходной трубопровод 10 снабжен теплозащитным покрытием. Трубопровод 10 через клапан 13 соединен с входным и выходным концами 14 и 20 U-образного трубопровода, имеющими клапаны 16 и 17 соответственно. Выходной трубопровод 10 через клапан 16 соединен с входным концом U-образного трубопровода через клапан 16. Выходной трубопровод 10 также соединен с байпасным трубопроводом 15 через вышеупомяннуный клапан 17. Упомянутый байпасный трубопровод 15 также соединен с выходным концом 20 U-образного трубопровода через тот же клапан 17. U-образный трубопровод размещен внутри скважины 18. После поворота (сопряжения) 19 в донной части скважины 18 входной конец U-образного трубопровода 14 переходит в нижнюю часть выходного конца 20. Выходной конец 20 U-образного трубопровода заканчивается находящимся над поверхностью земли выпускным патрубком 32 гейзерного канала со срезом-соплом 21. Таким образом, байпасный трубопровод 15 соединяет участок трубопровода 10 (после канала 13) с верхней частью выпускного патрубка 32 вблизи его выходного сопла 21. Выпускной патрубок 32 размещен в центре бассейна 24, стилизованного под грифон природного гейзера и декорированного камнями, гейзеритом и термофильными растениями, комплекс которых обозначен на фиг.1 позицией 22. Взрывоподобный выброс воды и пара 23 на стадии извержения гейзера осуществляется из выпускного патрубка 32. В связи с тем, что в двухфазной среде, которую представляет собой извергаемая гейзером смесь воды и пара, скорость звука очень мала (30-40 м/с), высота выброса воды даже в самых мощных природных гейзерах сравнительно невелика - максимум 20-25 метров. В этой связи для увеличения высоты гейзерного выброса выпускной патрубок 32 снабжают сверхзвуковым соплом 21 с плавно расширяющимся выходным участком. Одним из наиболее оптимальных конструктивных вариантов этого сопла является сверхзвуковое сопло Лаваля для двухфазной смеси воды и пара. Бассейн 24 снабжен водонепроницаемыми стенками 25 и отводным трубопроводом 26, имеющим фильтр 27, и соединен с системой сточных вод. Эта система обеспечивает сбор и отвод изверженной воды при постоянном ее уровне в грифоне гейзера. Вблизи выпускного патрубка 32 к выходному концу 20 U-образного трубопровода присоединен трубопровод холодной воды 28 с клапаном 29.The
Для уменьшения потерь тепла из U-образного трубопровода его поверхность покрыта слоем теплозащитного материала 30.To reduce heat loss from the U-shaped pipeline, its surface is covered with a layer of heat-protective material 30.
Для предотвращения коррозии металлических труб грунтовыми водами скважина гейзера снабжена водонепроницаемой стенкой 31.To prevent corrosion of metal pipes by groundwater, the geyser well is provided with a waterproof wall 31.
Схема перемещения конца 11 выходного патрубка 9The movement pattern of the
Изменение вертикального положения конца 11 патрубка 9, расположенного внутри камеры 1, может осуществляться различным образом. В процессе отработки устройства и поиска условий, при которых обеспечиваются наиболее интенсивные режимы извержения, необходимо иметь возможность варьировать величину вертикального положения (смещения) входного среза конца патрубка, выводящего горячую воду и пар из камеры 1 по отношению к верхней крышке камеры 1. Наиболее простым и дешевым в изготовлении приемом вариации этого смещения является следующий. К скрепленному с крышкой камеры 1 фланцу выходного трубопровода 10 более или менее герметично (например, с помощью резьбового соединения) крепят дополнительный кусок трубы. Если требуется небольшая величина смещения, используют короткую трубу, если надо иметь большую его величину, используют более длинный кусок трубы. Фиксацию положения осуществляют с помощью контргайки или дополнительными винтами. Описанная простая система вариации смещения позволяет осуществлять эту операцию при условии разгерметизации камеры 1. В процессе поиска оптимальных режимов работы ИГ разгерметизация камеры является нежелательной, т.к. снижение давления в камере требует охлаждения воды в ней. Это влечет неизбежные затраты времени и сильно удорожает работу по поиску оптимальных режимов ИГ.Changing the vertical position of the
Несколько более дорогим в изготовлении, но зато гораздо более удобным для настройки искусственного гейзера и фиксации его параметров, обеспечивающих режимы наиболее мощных извержений, является применение узла перемещения патрубка (УПП), схема которого приведена на фиг.2. Выходной патрубок 9 сильфоном 33 соединен с входным участком трубопровода 34, присоединенного (например, резьбовым или сварочным соединением) к скрепленному с крышкой камеры 1 фланцем входного конца трубопровода 10. Винт 12 снабжен высокотемпературным сальниковым уплотнением (например, из тефлонового порошка), обеспечивающим возможность эксплуатации описанного устройства при наличии в объеме камеры 1 высокой температуры и повышенного давления, т.е. непосредственно в процессе работы искусственного гейзера.Somewhat more expensive to manufacture, but much more convenient for setting up an artificial geyser and fixing its parameters, providing the most powerful eruptions, is the use of a nozzle moving assembly (SCP), the circuit of which is shown in FIG. 2. The
Нижний конец винта через скользящую втулку 39 соединен с концом патрубка 9. Вращением винта 12 осуществляется изменение вертикального положения патрубка 9, т.е вариации смещения входного среза 11 патрубка 9 относительно крышки камеры 1 и соответственно изменение положения среза 11 относительно уровня воды в камере 1. Помимо описанного выше патрубка 9 трубопровод 10 соединен трубопроводом 35, имеющим клапан 36 с отверстием в верхней крышке камеры 1. Если выходной срез 11 патрубка 9 находится ниже уровня воды в камере 1, а необходимым является заполнение паром системы трубопроводов искусственного гейзера, эта операция осуществляется по трубопроводу 35.The lower end of the screw through a sliding
Трубопровод 10 соединен также через клапан 37 с трубопроводом 38, по которому в случае необходимости в систему трубопроводов и камеру 1 может подаваться сжатый воздух.The
Осуществление работы ИГImplementation of the IG
1.Запуск ИГ1. IG start
В зависимости от положения клапанов системы запуск и работа ИГ может осуществляться различным образом. При запуске ИГ стадия заполнения системы холодной водой является однако общей. Вначале через питающие трубопроводы холодной воды 3 и 28 и открытые клапаны 4, 29, 16 и 13 осуществляется заполнение холодной водой камеры 2, входного и выходного концов 14 и 20 U-образного трубопровода и выходного трубопровода 10. После завершения процесса заполнения клапаны подачи холодной воды 4 и 29, а также основной клапан гейзера (ОКГ) 13 закрываются. Включается система нагрева камеры 2, например электронагревателями или продуктами горения натурального топлива. В последнем случае подают газообразное или жидкое топливо в горелку 5, имеющую дежурный факел или иную систему стабилизации процесса горения. После того как температура воды в камере 2 и давление пара в ней достигнут заданных значений, искусственный гейзер готов к началу развития процесса извержения. В исходном положении клапаны трубопроводов подачи холодной воды 29 и 4 закрыты. Закрыты также клапан 13 и клапан 17 байпасного трубопровода 15. Клапан 36 парового трубопровода 35 закрыт. Клапан 16 входного конца 14 U-образного трубопровода открыт. Конец 11 патрубка 9 опущен ниже уровня воды в камере 1. Открывают клапан 13. Под давлением пара в камере 1 вода из нее начинает двигаться по участкам 14 и 20 U-образного трубопровода.Depending on the position of the valves of the system, the launch and operation of the IG can be carried out in various ways. When the IG starts, the stage of filling the system with cold water is, however, general. First, through the cold water supply pipelines 3 and 28 and the open valves 4, 29, 16 and 13, cold water is filled in the chamber 2, inlet and outlet ends 14 and 20 of the U-shaped pipe and the
В начале этого движения давление в камере 1 падает незначительно, что связано с малым объемом выходного трубопровода 10 и участков 14 и 20 U-образного трубопровода по сравнено с объемом камеры 1. На этой начальной стадии работы гейзера первичная холодная вода в выходном трубопроводе 10 и участках 14 и 20 U-образного трубопровода начинает вытесняться горячей водой. Двигаясь к выходу по трубопроводу 10 и участкам 14 и 20, горячая вода попадает в условия, когда давление непрерывно уменьшается. Наступает момент ее закипания. Нарастает замена паром части воды в указанном трубопроводе и выходном конце 20. Обеспечивающий движение воды и пароводяной смеси перепад давления ΔР равенAt the beginning of this movement, the pressure in the chamber 1 drops insignificantly, which is associated with the small volume of the
ΔP=P1(T1)-P∞,ΔP = P 1 (T 1 ) -P∞,
где P1 - давление пара в камере 1;where P 1 is the vapor pressure in the chamber 1;
T1 - температура воды в камере 1;T 1 - water temperature in chamber 1;
Р∞ - атмосферное давление;P ∞ - atmospheric pressure;
Динамика движения воды в трубопроводе описывается в общем случае уравнениемThe dynamics of water movement in the pipeline is described in the general case by the equation
где m1=m1(t) - меняющаяся во времени масса воды в трубопроводе;where m 1 = m 1 (t) is the time-varying mass of water in the pipeline;
S - площадь сечения трубопровода;S is the cross-sectional area of the pipeline;
d - диаметр трубопровода;d is the diameter of the pipeline;
L - общая длина заполненных водой участков трубопровода;L is the total length of the pipeline sections filled with water;
dx/dt - скорость движения пароводяной смеси;dx / dt — velocity of the steam-water mixture;
d2x/dt2 - ускорение движения пароводяной смеси;d 2 x / dt 2 - acceleration of the movement of the steam-water mixture;
ξ - коэффициент гидравлического сопротивления тракта;ξ is the coefficient of hydraulic resistance of the tract;
γ - плотность воды;γ is the density of water;
g - ускорение силы тяжести.g is the acceleration of gravity.
Основной вывод при анализе (2) сводится к тому, что по мере уменьшения объемной (и массовой) доли воды в трубопроводах гейзерной системы скорость движения в ней воды и всей двухфазной смеси непрерывно возрастает.The main conclusion in the analysis of (2) is that as the volume (and mass) fraction of water in the pipelines of the geyser system decreases, the speed of movement of water and the entire two-phase mixture in it continuously increases.
После того как последние порции холодной воды покинут гейзерную систему, наступает основной режим извержение гейзера. Этот режим по внутреннему механизму процесса и наблюдаемым визуальным и акустическим эффектам полностью аналогичен извержению природных гейзеров.After the last portions of cold water leave the geyser system, the main mode is the eruption of the geyser. According to the internal mechanism of the process and the observed visual and acoustic effects, this regimen is completely analogous to the eruption of natural geysers.
Извержение ИГ выглядит внешне совершенно иначе по сравнению с работой фонтана, практически беззвучно выбрасывающего стационарную водяную струю, диаметр которой слабо расширяется с набором высоты.The eruption of the IG looks outwardly completely different compared to the work of a fountain, which almost silently ejects a stationary water stream, the diameter of which weakly expands with climb.
Извержение искусственного гейзера характеризуется напротив сугубо периодическими, (по терминологии вулканологов - «спазматическими») мощными низкочастотными выбросами пароводяной смеси. Эти выбросы сопровождаются характерным грохотом, обусловленным наличием в звуковом спектре взрывного движения двухфазной среды (вода-пар) инфразвуковых акустических частот. Пар при этом большими клубами поднимается на многометровую высоту. На стадии взлета водная часть двухфазной смеси движется в виде необычных для свободного полета крупных порций, достигающих в диаметре нескольких сантиметров. На стадии падения эти порции воды дробятся и существенно остывают.The eruption of an artificial geyser, on the contrary, is characterized by purely periodic, (in the terminology of volcanologists - “spasmodic”) powerful low-frequency emissions of the steam-water mixture. These emissions are accompanied by a characteristic roar caused by the presence in the sound spectrum of the explosive motion of a two-phase medium (water-vapor) of infrasonic acoustic frequencies. Steam in large clubs rises to a multimeter height. At the take-off stage, the water part of the two-phase mixture moves in the form of large portions unusual for free flight, reaching several centimeters in diameter. At the stage of falling, these portions of water are crushed and cool significantly.
Тем не менее попадание зрителей под этот горячий дождь нежелательно и они должны находиться на достаточном расстоянии от ИГ. Радиус соответствующего "круга безопасности" близок к высоте подъема водной части гейзерного извержения.Nevertheless, getting the audience under this hot rain is undesirable and they should be at a sufficient distance from the IS. The radius of the corresponding “safety circle” is close to the height of the water part of the geyser eruption.
Окончание первого изверженияThe end of the first eruption
После того как входное отверстие 11 патрубка 9 окажется существенно выше уровня воды в камере 1, метастабильный перегрев воды в камере 1 начинает уменьшаться быстрее. Наступает заключительная стадия извержения, когда из гейзерного канала истекает все больше пара. По окончании этой стадии из камеры 1 истекает только пар. В природных гейзерах по окончании извержения в освобожденный от извергнутой воды свободный объем системы нарастает приток сравнительно холодных грунтовых вод. Это ускоряет остановку извержения.After the
Аналогично этому процессу, чтобы ускорить остановку извержения ИГ и начать следующий гейзерный цикл, открывают клапаны 4 и 29 и свободные от горячей воды части гейзерной системы начинают заполнять холодной водой.Similarly to this process, in order to accelerate the stop of the IG eruption and begin the next geyser cycle, valves 4 and 29 are opened and parts of the geyser system free from hot water begin to fill with cold water.
По окончании этого процесса клапаны 4, 29 и клапан 13 закрывают. Далее процесс повторяется по схеме, описанной выше, с той разницей, что исходная температура воды в камере перед началом подачи новой порции холодной воды близка к 100°С. Поэтому продолжительность нормального гейзерного цикла в этом режиме гораздо короче времени, затраченного на подготовку первого извержения.At the end of this process, valves 4, 29 and valve 13 are closed. Further, the process is repeated according to the scheme described above, with the difference that the initial temperature of the water in the chamber before starting a new portion of cold water is close to 100 ° C. Therefore, the duration of the normal geyser cycle in this mode is much shorter than the time taken to prepare the first eruption.
2. Извержение с использованием входного и выходного концов 14 и 20 U-образного трубопровода2. Eruption using inlet and outlet ends 14 and 20 of a U-shaped pipe
2.1. В процессе осуществления извержения гейзера в таком режиме клапан 17 байпасного трубопровода 15 закрыт. Перед началом извержения открыт клапан 16, а ОКГ 13 закрыт.2.1. During the implementation of the geyser eruption in this mode, the valve 17 of the bypass pipe 15 is closed. Before the eruption, valve 16 is open, and OKG 13 is closed.
После того как давление и температура в камере 2 достигнут заданного уровня, клапан 13 открывают. Горячая вода устремляется по выходному трубопроводу 10 и входному и выходному концам 14 и 20 U-образного трубопровода. В том случае, если входной и выходной концы 14 и 20 были предварительно заполнены холодной водой, последняя сперва начинает вытесняться в виде обычного фонтана из сопла 21. Далее вода, в указанных магистралях смешиваясь с горячей водой, поступающей из камеры 1, нагревается и закипает. Трубопроводы заполняются двухфазной смесью "вода-пар".After the pressure and temperature in the chamber 2 has reached a predetermined level, the valve 13 is opened. Hot water rushes through the
После перехода течения этой смеси в т.н. «снарядный режим» выбросы воды и пара из сопла 21 приобретают низкочастотный, "спазматический" режим, присущий извержениям природных гейзеров. Остановка извержения осуществляется аналогично процессу, описанному выше в п.1 «Запуск ИГ».After the transition of this mixture into the so-called “Shell mode” water and steam emissions from the nozzle 21 acquire a low-frequency, “spasmodic” mode inherent in eruptions of natural geysers. The eruption is stopped similarly to the process described above in paragraph 1, “IG start”.
2.2. В процессе осуществления извержения гейзера в этом режиме клапан 17 байпасного трубопровода 15 закрыт. Перед началом извержения открыты клапаны 16 и 13. Открыт также клапан 36 парового трубопровода 35. Конец 9 патрубка 11 погружен ниже исходного уровня воды в камере 1. По мере роста температуры и давления в камере 1 пар из нее по трубопроводам 35 и 10 начинает двигаться в сторону входного и выходного концов 14 и 20 U-образного трубопровода. Частичная конденсация пара в контактирующих с ним слоях движущейся воды приводит к нагреву последних и замедлению процесса конденсации. Таким образом, в трубопроводе 10 и в участке 14 собирается все больше пара, давление которого нарастает с ростом давления в камере 1. По мере заполнения паром входного конца 14 U-образного трубопровода вытесняется вода из его выходного конца 20. После того как первые порции пара прорвутся из входного конца 14 через сопряжение 19 в выходной конец 20, начнется самоускоряющийся спад давления в камере 1, сопровождающийся нарастающим взрывным процессом извержения. Основная часть воды и пара будет при этом двигаться по трубопроводу 9. Такой режим обеспечивается положением клапана 36, гидравлическое сопротивление которого делают более значительным по сравнению с гидравлическим сопротивлением патрубка 9.2.2. During the implementation of the geyser eruption in this mode, the valve 17 of the bypass pipe 15 is closed. Before the eruption, valves 16 and 13 are open. The valve 36 of the steam pipe 35 is also open. The
Остановка извержения осуществляется аналогично процессам, описанным в пункте 1 «Запуск гейзера».The eruption is stopped similarly to the processes described in paragraph 1 “Geyser Launch”.
2.3. Развитие процесса извержения в этом режиме аналогично описанному выше в п.2.2. Разница заключается в том, что на стадии заполнения камеры 1 и входного и выходного концов 14 и 20 U-образного трубопровода холодной водой через открытый клапан 37 по трубопроводу 38 в трубопровод 10 подают сжатый воздух. Частичное попадание воздуха в газовый объем камеры 1 способствует устойчивости процесса развития извержения. Наличие воздушного поршня, разделяющего паровую подушку в камере 1 и первоначально холодную воду во входном конце 14 U-образного трубопровода, практически полностью останавливает проникновение пара и его конденсацию во входном конце 14 на стадии подъема температуры и давления в камере 1. В этой связи указанный рост давления в камере 1 будет сопровождаться синхронным понижением уровня воды во входном конце 14. После прорыва первых порций газа через сопряжение 19 в выходной конец 20 начинается извержение.2.3. The development of the eruption process in this mode is similar to that described in paragraph 2.2 above. The difference lies in the fact that at the stage of filling the chamber 1 and the inlet and outlet ends 14 and 20 of the U-shaped pipe with cold water through the open valve 37 through the pipe 38, compressed air is supplied to the
3. Извержение с использованием только выпускного патрубка 32 гейзерного канала.3. Eruption using only the outlet pipe 32 of the geyser channel.
На всех стадиях процесса, включая подвод в камеру 1 холодной воды и стадию извержения, клапан 17 байпасного трубопровода 15 остается открытым, а клапан 29 закрытым. Клапан 13 на стадии нагрева воды и подъема давления в камере 1 остается закрытым. После того как температура воды и давление пара в камере 1 достигнут заданного уровня, открывают клапан 13.At all stages of the process, including the supply of cold water to the chamber 1 and the eruption stage, the valve 17 of the bypass pipe 15 remains open and the valve 29 is closed. The valve 13 at the stage of heating the water and raising the pressure in the chamber 1 remains closed. After the water temperature and steam pressure in the chamber 1 has reached a predetermined level, open the valve 13.
Горячая вода из камеры 1 по выходному трубопроводу 10 и байпасному трубопроводу 15 устремляется по выпускному патрубку 32 к соплу 21. В связи со спадом давления начинается закипание воды в камере 1 и трубопроводах 10 и 32.Hot water from the chamber 1 through the
Извержение носит ярко выраженный взрывной характер, интенсивность которого зависит главным образом от степени и темпа открытия клапана 13 и исходных величин давления Р0 и температуры Т0 в камере 1, а также от исходного положения входного среза 11 патрубка 9 относительно уровня воды в камере 1. Чем выше величины давления Р0 и температуры Т0 и чем быстрее будет открываться клапан 13, тем более интенсивным будет процесс извержения. Извержение закончится самопроизвольно после того, как давление и температура в камере 1 снизятся до значений, близких к Р=Р∞=1 атм и Т0=100°С соответственно. Однако прекращение извержения может быть осуществлено и принудительно путем закрытия клапана 13. Продолжительность этого процесса, как и продолжительность открытия этого клапана на стадии начала извержения, могут варьироваться оператором, что обеспечит наглядность различных режимов старта, развития и конца извержения, присущих разным натурным гейзерам.The eruption has a pronounced explosive character, the intensity of which depends mainly on the degree and rate of opening of the valve 13 and the initial pressure values P 0 and temperature T 0 in the chamber 1, as well as on the initial position of the
Для заполнения камеры 2 новой порцией холодной воды давление в камере должно быть спущено в процессе извержения до уровня, меньшего нежели давление воды в питающем трубопроводе, соединенном с камерой 1 через клапан 4.To fill chamber 2 with a new portion of cold water, the pressure in the chamber must be released during the eruption to a level lower than the water pressure in the supply pipe connected to the chamber 1 through valve 4.
4. Автономный режим работы искусственного гейзера.4. Autonomous operation of an artificial geyser.
Использование входного и выходного концов 14 и 20, образующих один вертикальный трубопровод U-образной формы, дает возможность многократно осуществлять циклические извержения искусственного гейзера в автономном режиме без вмешательства оператора в его работу.The use of the input and output ends 14 and 20, forming one vertical pipe of a U-shape, makes it possible to repeatedly carry out cyclic eruptions of an artificial geyser in an autonomous mode without operator intervention in its operation.
В этом режиме клапан 13 постоянно открыт. Клапан подвода холодной воды 4, собранный по схеме "обратный клапан", открывается автоматически, если давление в камере 1 опускается ниже давления холодной воды в питающей магистрали. При соответствующем росте давления в камере 1 клапан 4 закрывается.In this mode, the valve 13 is constantly open. The cold water inlet valve 4, assembled according to the "check valve" scheme, opens automatically if the pressure in the chamber 1 drops below the pressure of cold water in the supply line. With a corresponding increase in pressure in the chamber 1, the valve 4 closes.
Извержение ИГ осуществляется при этом следующим образом. Входной и выходной концы 14 и 20 U-образного трубопровода заполняются водой из трубопровода 28, имеющего "обратный клапан" 29, работающий аналогично описанному выше клапану 4. Положение клапана 36 парового трубопровода 35 и выходного среза 11 патрубка 9 аналогично рассмотренному выше в разделе 2.2. В процессе нагрева камеры 1 и закипания в ней воды в верхней части участка 14 образуется и растет паровой пузырь («поршень»). Продолжающийся рост давления в камере 1 поддерживает нарастание перепада давления в сообщающихся сосудах: во входном конце 14 U-образного трубопровода, верхняя часть которого заполнена паром, а нижняя - водой, и в выходном конце 20 U-образного трубопровода, заполненном водой. После того как пар из участка 14 прорвется в участок 20, часть воды из участка 20 будет выброшена с ускорением. Давление в трубопроводах 10, 14 и камере 1 начнет падать, а вода в камере 1 окажется метастабильно перегретой. В этих условиях начинается ускоряющееся самопроизвольное вскипание перегретой воды в камере 1, в трубопроводе 10 и участках 14 и 14, сопровождающееся "спазматическими" выбросами двухфазной смеси из сопла 21.The eruption of IG is as follows. The inlet and outlet ends 14 and 20 of the U-shaped pipe are filled with water from the pipe 28 having a “check valve” 29, operating similarly to the valve 4 described above. The position of the valve 36 of the steam pipe 35 and the outlet cut 11 of the
Извержение самопроизвольно прекращается вследствие падения температуры в камере 1, обусловленного действием следующих двух факторов:The eruption spontaneously ceases due to a drop in temperature in chamber 1, due to the action of the following two factors:
1) сопровождающийся спадом давления в камере 1 переход тепловой (потенциальной) энергии перегретой воды в камере 1 в кинетическую энергию двухфазной смеси, выбрасываемой из сопла 21;1) accompanied by a drop in pressure in chamber 1, the transition of the thermal (potential) energy of superheated water in chamber 1 into the kinetic energy of a two-phase mixture ejected from nozzle 21;
2) подвод в камеру 1 новых порций холодной воды через клапан 4 по трубопроводу 3, начинающийся после того, как давление в камере 1 становится меньше, чем давление в питающей магистрали холодной воды. После заполнения камеры 1 до необходимого уровня клапан холодной воды 4 закрывается.2) the introduction into the chamber 1 of new portions of cold water through the valve 4 through the pipe 3, starting after the pressure in the chamber 1 becomes less than the pressure in the supply line of cold water. After filling the chamber 1 to the required level, the cold water valve 4 closes.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006133725/06A RU2331815C2 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | Method of natural geyser simulation and device to this effect |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006133725/06A RU2331815C2 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | Method of natural geyser simulation and device to this effect |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006133725A RU2006133725A (en) | 2008-03-27 |
| RU2331815C2 true RU2331815C2 (en) | 2008-08-20 |
Family
ID=39748188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006133725/06A RU2331815C2 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | Method of natural geyser simulation and device to this effect |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2331815C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2390695C1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный технологический университет" | Method of sanitising atmospheric air near surface water bodies and device for realising said method |
| RU2572147C2 (en) * | 2014-10-17 | 2015-12-27 | Юрий Владимирович Культин | Geyser model |
| CN106023761A (en) * | 2016-07-25 | 2016-10-12 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | Fault water outburst and mud outburst simulation equipment and test method |
| CN109493698A (en) * | 2018-12-13 | 2019-03-19 | 中国农业大学烟台研究院 | A kind of physics teaching water flow measurement system |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2619377A (en) * | 1948-05-07 | 1952-11-25 | James R Wilson | Simulated geyser |
| RU2015574C1 (en) * | 1991-05-14 | 1994-06-30 | Институт структурной макрокинетики РАН | Method of simulation of operation of natural geyser |
| RU2020288C1 (en) * | 1991-07-12 | 1994-09-30 | Юрий Владимирович Культин | Geyser |
| US6481128B1 (en) * | 2001-06-20 | 2002-11-19 | Ming-Kuei Lin | Ornament simulating dynamic scene of volcanic eruption |
-
2006
- 2006-09-21 RU RU2006133725/06A patent/RU2331815C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2619377A (en) * | 1948-05-07 | 1952-11-25 | James R Wilson | Simulated geyser |
| RU2015574C1 (en) * | 1991-05-14 | 1994-06-30 | Институт структурной макрокинетики РАН | Method of simulation of operation of natural geyser |
| RU2020288C1 (en) * | 1991-07-12 | 1994-09-30 | Юрий Владимирович Культин | Geyser |
| US6481128B1 (en) * | 2001-06-20 | 2002-11-19 | Ming-Kuei Lin | Ornament simulating dynamic scene of volcanic eruption |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2390695C1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный технологический университет" | Method of sanitising atmospheric air near surface water bodies and device for realising said method |
| RU2572147C2 (en) * | 2014-10-17 | 2015-12-27 | Юрий Владимирович Культин | Geyser model |
| CN106023761A (en) * | 2016-07-25 | 2016-10-12 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | Fault water outburst and mud outburst simulation equipment and test method |
| CN109493698A (en) * | 2018-12-13 | 2019-03-19 | 中国农业大学烟台研究院 | A kind of physics teaching water flow measurement system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006133725A (en) | 2008-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2013126047A (en) | FIRE HEAT GENERATOR, SYSTEM AND METHOD FOR INCREASING OIL TRANSFER OF LAYER | |
| US2484183A (en) | Hydropneumatic power plant | |
| JP2005524017A5 (en) | ||
| RU2331815C2 (en) | Method of natural geyser simulation and device to this effect | |
| CN113039398A (en) | Method and apparatus for extracting useful energy from geothermal heat | |
| CN109841290A (en) | A kind of device and method suitable for the research of nuclear reactor natural circulation characteristic | |
| Lu et al. | Measurements in a low temperature CO2-driven geysering well, viewed in relation to natural geysers | |
| WO2005112588A2 (en) | Controlled dispersion multi-phase nozzle and method of making the same | |
| US7597559B2 (en) | Method of imitating a natural geyser and a device for carrying out the method | |
| CA1151539A (en) | Method and apparatus for collecting oil and gas from an underwater blow-out | |
| CA2367075A1 (en) | Method and system for testing a borehole by the use of a movable plug | |
| RU2115027C1 (en) | Pump-ejector plant with liberation of thermal energy | |
| CN1918440B (en) | Method for generating heat for heating buildings and structures and a continuous cavitation heat generator | |
| RU2066367C1 (en) | System of devices for gas-hydrate deposits on continental slope | |
| RU2633976C1 (en) | Solid fuel gas generator | |
| US3433014A (en) | Device for the production of energy in bursts | |
| US4211188A (en) | Methods and apparatus for feeding liquid into apparatus having high pressure resistance | |
| US1243812A (en) | Combined heat and steam generator. | |
| US800127A (en) | Apparatus for mining sulfur. | |
| CN108954412B (en) | Steam generator for processing pastry food and method thereof | |
| RU2226653C2 (en) | Hot-water heating system | |
| RU2252896C2 (en) | Device for evacuation of cylindrical module out of underwater station to water surface | |
| US1773592A (en) | Hot-water heater and burner | |
| CN113390077B (en) | Gas steam generator with changeable atomizing space | |
| RU2469244C1 (en) | Water heating device |