Способ изменения размеров газовых пузырьков, распределенных в объеме жидкости (варианты)

 

Изобретение относится к способам воздействия на вещества с помощью электромагнитных сигналов. Его использование для дегазации жидкостей отличается простотой реализации. Способ включает непрерывное облучение объема с распределенными в нем газовыми пузырьками электромагнитным сигналом с заданным значением несущей частоты и заданным уровнем мощности. Отличие по первому варианту выбор значения несущей частоты электромагнитного сигнала вблизи половинной частоты, начиная со второй, моды собственных механических колебаний пузырьков. Отличие по второму варианту амплитудная модуляция несущей частоты электромагнитного сигнала спектром вышеуказанных частот. Благодаря этому обеспечиваются резонансные колебания пузырьков, приводящие либо к их дроблению, либо к слиянию. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к способам воздействия на вещества с помощью электромагнитных сигналов и может быть использован для дегазации жидкостей и во всех других случаях, где требуется увеличение или уменьшение размеров газовых пузырьков, распределенных в жидкости.

Наиболее близким к предлагаемому является способ воздействия на вещество с помощью облучения его непрерывным электромагнитным сигналом с частотой парамагнитного резонанса в веществе. В веществе создается однородное магнитное поле, обеспечивающее совместно с электромагнитным сигналом характеристической частоты поглощение и квантово-механическое преобразование электромагнитной энергии в тепло. Преобразование ускоряется за счет парамагнитного резонанса.

Однако в тех случаях, когда требуется обеспечить воздействие на большие объемы вещества либо на вещество, находящееся на большом удалении от источника воздействия, этот способ неприемлем.

Предлагаемый способ позволяет обойти эту трудность.

Для этого в способе изменения размеров газовых пузырьков, распределенных в объеме жидкости, включающем непрерывное облучение объема с распределенными в нем газовыми пузырьками электромагнитным сигналом с заданной несущей частотой и заданным уровнем мощности, осуществляют амплитудную модуляцию несущей частоты электромагнитного сигнала спектром частот, определяемым диапазоном линейных размеров газовых пузырьков, либо такой же выбор несущей частоты (без модуляции). Уровень мощности электромагнитного сигнала прямо влияет на сокращение времени изменение размеров газовых пузырьков. Поскольку воздействие по данному способу приводит к изменению размеров газовых пузырьков, спектр амплитудной модуляции целесообразно соответственно изменять во времени.

На фиг. 1-3 показано воздействие электромагнитного сигнала на газовые пузырьки; на фиг. 4 изменение формы газового пузырька при модуляции электромагнитного сигнала по гармоническому закону; на фиг. 5-6 действие на газовые пузырьки силы Кулона; на фиг. 7-8 действие на газовые пузырьки силы Ампера.

В основе предлагаемого способа лежат следующие эффекты.

Если электромагнитная волна, распространяющаяся в жидкости, гармоническая, т.е. без какой-либо модуляции, и поляризация этой волны линейная, то на противоположных сторонах газового пузырька наводятся противоположные по знаку электрические заряды (фиг.1). Образование этих зарядов приводит к их притяжению за счет силы взаимодействия Кулона. Эти силы направлены внутрь газового пузырька, что приводит к деформации пузырька. При обратном направлении вектора электрической составляющей электромагнитной волны знаки зарядов на противоположных сторонах пузырька изменяются, однако направление сил, приводящих к деформации пузырька, остается неизменным (фиг.2).

С изменением величины вектора по гармоническому закону изменяются и величины электрических зарядов на противоположных сторонах пузырька, а, следовательно, изменяются и силы взаимодействия Кулона по гармоническому закону и вместе с ними форма пузырька. Причем форма пузырька от круглой и вытянутой изменяется с частотой вдвое большей, чем частота падающей электромагнитной волны (фиг.3). Отметим, что описанное изменение формы газового пузырька будет происходить при любой частоте падающей на пузырек электромагнитной волны, однако величина деформации пузырька при одной и той же величине будет существенно зависеть от близости собственной механической резонансной частоты газового пузырька к удвоенной частоте электромагнитной волны.

С ростом величина деформации пузырька также будет увеличиваться, поэтому если в падающую электромагнитную волну ввести дополнительно амплитудную модуляцию, то за счет изменения величины с частотой, равной механической резонансной частоте пузырька, этот пузырек может быть приведен в резонансное колебание.

На фиг. 4 показано изменение величины вектора при амплитудной модуляции падающей электромагнитной волны по гармоническому закону, а также изменение формы пузырька во времени в соответствии с фазами закона амплитудной модуляции с увеличением величина деформации увеличивается и при некотором пороговом значении пузырек может раздробиться на две части. Этому способствует давление окружающей пузырек жидкости в области его узкой части. Таким путем происходит уменьшение размеров газовых пузырьков.

Увеличение размеров газовых пузырьков происходит за счет сближения под действием электромагнитной волны двух и более пузырьков и их объединения. Физические механизмы, обуславливающие такое сближение, следующие.

При воздействии линейно поляризованной волны, к примеру, на три пузырька, расположенных на разных расстояниях друг от друга (фиг.6), между электрическими зарядами на границах пузырьков возникают силы притяжения Кулона. Независимо от направления вектора электрической напряженности в распространяющейся в жидкости электромагнитной волне, между пузырьками 1 и 2 будет действовать сила притяжения, равная Δ Р Р₁₂ Р₂₃, где P₁₂= P₂₃ , q_i-i-й заряд, i 1,2,3; r₁₂, r₂₃ расстояние между соответствующими пузырьками, α коэффициент пропорциональности. На сторонах пузырьков, обращенных друг к другу, образуются разноименные электрические заряды, в результате его пузырьки притягиваются друг к другу. При одинаковых зарядах q_i в пузырьках, но при r₁₂ < r₂₃ на пузырек 2 будет действовать результирующая сила Кулона, стремящаяся переместить пузырек 2 к пузырьку 1. Одновременно пузырьки 1 и 3 будут притягиваться друг к другу с силой P₁₃= .

Поляризованные пузырьки, представляющие собой диполи с зарядом q, при изменении направления вектора в электромагнитной волне, распространяющейся в жидкости с пузырьками, могут быть представлены через ток I, элемент длины диполя и круговую частоту ω облучающей пузырьки волны по формуле I, где дипольный момент. Отсюда I=.

Известно, что проводники с токами, направленными в одну сторону, притягиваются под действием силы Ампера. Поляризованные пузырьки с токами, направленными в одну сторону, протягиваются с обобщенной силой Ампера: P₁₂ -, где единичный координатный вектор, μ магнитная проницаемость среды.

Механизм протяжения газовых пузырьков под действием силы Ампера показан на фиг. 7, 8. Группы пузырьков, находящиеся в любой момент времени в интервале любой из полуволн падающей электромагнитной волны, притягиваются друг к другу, а между группами существует сила отталкивания. В процессе распространения электромагнитной волны состав групп пузырьков непрерывно изменяется, однако время притягивания между двумя соседними пузырьками превышает время отталкивания, если эти пузырьки расположены на расстоянии меньше половины длины электромагнитной волны.

На все электрически заряженные объекты, находящиеся в электромагнитном поле, действует пондеромоторная сила, заставляющая эти объекты (в частности пузырьки) двигаться в направлении источника электромагнитного излучения. Величина этой силы выражается формулой: V grad E²-iE, где V объем газового пузырька, ε диэлектрическая проницаемость вещества жидкости, с скорость света.

В том случае, когда частота электромагнитной волны близка или совпадает с механическими резонансными частотами пузырька или когда электромагнитная волна модулирована по амплитуде так, что пузырьки приводятся в механический резонанс с частотой собственных колебаний, происходит увеличение сил Кулона и Ампера, в результате чего пузырьки притягиваются сильней.

Если под действием перечисленных сил пузырьки, преодолевая сопротивление жидкости, сближаются и сливаются, то изменяются механические резонансные частоты у укрупненных пузырьков. Следовательно, с течением времени t действия электромагнитной волны несущая частота волны или частоты амплитудной модуляции должны уменьшаться как β/ где β коэффициент пропорциональности. Если же некоторые пузырьки при перемещении в жидкости не сталкиваются, а при наличии сильной пульсации дробятся на два пузырька, то резонансная частота пузырьков увеличивается. Следовательно, для сохранения условий резонанса несущая частота падающей волны или частота амплитудной модуляции должна увеличиваться.

При необходимости воздействия на газовые пузырьки, размеры которых лежат в определенном диапазоне, необходимо облучение пузырьков либо осуществлять суммой гармонических колебаний, диапазон несущих частот которых жестко связан с диапазоном размеров пузырьков, либо осуществлять амплитудную модуляцию суммой гармонических колебаний с частотами из этого же диапазона частот.

Выбор частоты для облучения газовых пузырьков с радиусом а осуществляется на основе следующих соображений. Известно, что газовые пузырьки имеют бесконечное количество мод колебаний, частота которых выражается формулой: f_n (n-1)(n+1)(n+2) n 0, 2, 3, где Т поверхностное натяжение на границе газ-жидкость, ρ плотность жидкости. Нулевая мода (n 0) приводит к мнимому значению частоты f_o, т.е. к сжатию пузырьков, что не сказывается на их слиянии или дроблении. При n 1 моды не существует. При n 2 существует мода, называемая дипольной и приводящая к вышеописанной деформации пузырьков. С ростом n амплитуды деформаций уменьшаются, поэтому ориентироваться при выборе частоты облучающей электромагнитной волны необходимо на дипольную моду. К примеру, для воздушных пузырьков в воде имеет Т 74 дин/см, ρ 1 г/см³, в результате чего f_n= 4,75·a Гц где а имеет размерность (см). Переходя к размеру а (в мм), имеем f_n 150,2 ^. a^-3/2 Гц. Следовательно, с такой частотой должна осуществляться амплитудная модуляция электромагнитной волны с произвольной несущей частотой, либо пузырьки с радиусом а должны облучаться гармонической электромагнитной волной с частотой 1/2 f_n.

Предлагаемый способ можно осуществить с помощью радиопередатчика непрерывного сигнала в соответствующем диапазоне, подключенного к направленной антенне. В передатчике должна быть предусмотрена возможность обеспечения амплитудной модуляции передаваемого сигнала.

Таким образом, предлагаемый способ, в отличие от прототипа, не требует использования однородного магнитного поля и применим не только к веществам с парамагнитным резонансом.

Формула изобретения

1. Способ изменения размеров газовых пузырьков, распределенных в объеме жидкости, включающий непрерывное облучение объема жидкости электромагнитным сигналом, отличающийся тем, что значения несущей частоты электромагнитного сигнала задают вблизи значений половинной частоты собственных механических колебаний пузырьков в жидкости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значения несущей частоты электромагнитного сигнала увеличивают при уменьшении размеров газовых пузырьков и уменьшают при увеличении размеров газовых пузырьков.

3. Способ изменения размеров газовых пузырьков, распределенных в объеме жидкости, включающий непрерывное облучение объема жидкости электромагнитным сигналом, отличающийся тем, что осуществляют амплитудную модуляцию несущей частоты электромагнитного сигнала спектром частот, значения которых соответствуют значениям половинной частоты собственных механических колебаний газовых пузырьков в жидкости.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что частоту амплитудной модуляции увеличивают при уменьшении размеров газовых пузырьков и уменьшают при увеличении размеров газовых пузырьков.

5. Способ по п. 1 или 3, отличающийся тем, что мощность электромагнитного сигнала увеличивают для уменьшения времени изменения размеров газовых пузырьков и уменьшают для увеличения этого времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8