Способ имитации работы природного гейзера

 

Использование: оформление парковых ансамблей, создание учебных пособий, имитирующих явления природы. Сущность изобретения: в рабочую камеру (РК) с вертикальным каналом (ВК), нижний конец которого размещен ниже верхнего края РК, подают жидкость. Нагревают жидкость в РК. При превышении давления в РК внешнего давления жидкость поднимается по ВК и изливается в виде выброса. Часть РК и ВК опорожняется. Давление в РК падает. Из резервуара через каналы жидкость вновь поступает в РК. Далее процесс циклически повторяется. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение используется в строительстве и архитектуре парковых ансамблей и Дисней-лендов и для создания учебных пособий, наглядно объясняющих явления природы.

Целью изобретения является обеспечение регулярности выброса парожидкостной смеси.

Это достигается тем, что в способе имитации работы природного гейзера подают жидкость из питающего резервуара в рабочую камеру с вертикальным каналом и нагревают жидкость вплоть до вскипания и последующего самопроизвольного выброса по вертикальному каналу. При этом нижний конец вертикального канала размещают ниже верхнего края рабочей камеры. Кроме того при незначительной высоте вертикального канала в нем устанавливают регулируемый по давлению клапан или над верхним концом канала и над поверхностью жидкости в питающем резервуаре поддерживают давление менее 1 атм.

На чертеже изображена схема осуществления предлагаемого способа.

Сущность изобретения заключается в следующем.

После очередного извержения часть рабочей камеры 4 и канал 2 свободны от жидкости. Оставшаяся часть камеры 4 заполнена жидкостью, которая имеет температуру кипения Т_к, отвечающую давлению во внешней среде Р_о. Под воздействием гидростатического напора Δ Р обратные клапаны 6 открываются и жидкость с температурой Т_о начинает наполнять камеру 4, охлаждая ее и прекращая в ней кипение жидкости. Уровень жидкости в камере после извержения находится ниже среза канала.

Газ, заполняющий свободный объем, состоит из пара жидкости и газа атмосферы. На стадии заполнения, пока жидкость не достигает уровня h_о, давление газа равно давлению во внешней среде. После достижения h_одавление в газовом объеме начинает расти, что приводит к частичной конденсации пара (к уменьшению концентрации пара в газе одновременно приводит и понижение температуры в камере за счет подводимой жидкости).

С этого момента (h = h_o) жидкость начинает заполнять и канал, причем скорость заполнения определяется как динамикой изменения давления газа в свободном объеме камеры, так и уровнем жидкости в канале.

Время заполнения и предельный уровень жидкости в камере определяются: законом изменения гидростатического давления Δ Р; глубиной погружения h_о канала выброса относительно верхнего края камеры; величиной теплового потока, подведенного к рабочей камере.

Выбор параллельной схемы подвода жидкости позволяет в широких пределах варьировать Δ Р и соответственно время заполнения системы жидкостью. При закрытом кране 7 подача воды в рабочую камеру осуществляется по каналу 8 под воздействием напора ΔP=ρgH (H - разница уровней воды в питающем резервуаре или грифоне и рабочей камере).

При открытом кране 7 время заполнения определяется давлением во внешней системе подачи воды и регулируется системой управления, состоящей из поплавка 5, скоммутированного с краном 7, и клапанов 6. Параллельно с заполнением системы жидкостью происходит нагрев камеры внешним источником мощности q. Достигнув выходного среза канала 2, жидкость заполняет грифон 1 и начинается стадия слива.

Жидкость в камере 4 продолжает греться и достижение температуры кипения Т_к", равной температуре кипения при Р = Р_о + ρg H, является достаточным условием для начала извержения.

При h_o = 0 кипение имеет объемный характер. При достижении Т_к в жидкости появляются пузыри пара, размер которых больше критического. Дальнейший рост температуры приводит к резкому росту давления внутри пузырей и вытеснению части жидкости из канала. В результате этого давление в камере падает, что приводит к самоускоряющемуся процессу зарождения и роста пузырей газа внутри жидкости, и как результат, к извержению.

При h_o ≠ 0 превышение температуры в камере Т_к" приводит к вскипанию жидкости и, как следствие, к экспоненциальному росту давления в газовой фазе над жидкостью. Результатом такого роста давления и является наблюдаемое извержение гейзера.

Извержение заканчивается после опорожнения канала 2 и части рабочей камеры 4.

Способ осуществляют на установке, которая работает следующим образом.

Вода поступает из емкости объемом V=10 л или при открытом кране 7 из сети по каналам 8 и 9 в рабочую камеpу гейзера. Рабочая камера представляет собой коническую колбу V = 5 л, на боковой поверхности которой намотан электронагреватель мощностью W = 0,5 кВт. Рабочую камеру устанавливают на регулируемый нагреватель с максимальной мощностью W = 3 кВт. Горловина рабочей камеры закрыта фланцем с установленным в нем вертикальным стеклянным каналом длиной l = 0,3-1 м и диаметром d = 5-50 мм.

Конструкция фланца позволяет регулировать положение канала относительно верхнего края рабочей камеры. В некоторых экспериментах используют каналы с впаянными в них регулируемыми по давлению клапанами. Открытие клапана происходит автоматически при достижении в ходе нагрева установленного заранее давления. Во время экспериментов варьируют следующие параметры: давление воды на входе в рабочую камеру, высоту и диаметр канала, по которому происходит извержение, и его положение относительно края рабочей камеры, мощность нагревателя.

После очередного извержения открываются клапаны 6 и вода поступает в рабочую камеру и вертикальный канал гейзера. По достижении верхнего среза рабочего канала 2 или клапана канала 3 клапаны 6 закрываются. При работе гейзера в условиях пониженного давления (Р < 1 атм) установку помещают в закрытый объем. Нагрев рабочей камеры осуществляют непрерывно постоянной заданной мощностью.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИМИТАЦИИ РАБОТЫ ПРИРОДНОГО ГЕЙЗЕРА, отличающийся тем, что, с целью обеспечения регулярности выброса парожидкостной смеси, подают жидкость из питающего резервуара в рабочую камеру с вертикальными каналом и нагревают жидкость вплоть до вскипания и последующего самопроизвольного выброса по вертикальному каналу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения количества выбрасываемой жидкости, нижний конец вертикального канала размещают ниже верхнего края рабочей камеры.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью обеспечения выброса жидкости при незначительной высоте вертикального канала, в вертикальном канале устанавливают регулируемый по давлению клапан.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что над верхним концом канала и над поверхностью жидкости в питающем резервуаре поддерживают давление менее 1 атм.

РИСУНКИ

Рисунок 1