Способ имитации природного гейзера и устройство для его осуществления
Изобретение предназначено для имитации природного гейзера и может быть использовано в развлекательных и учебных целях. Способ имитации извержения природного гейзера заключается в том, что снабжают устройство для имитации природного гейзера вертикальным U-образным трубопроводом, имеющим входной конец и выходной конец, и выходным патрубком, один конец которого вставлен в указанную гейзерную камеру и снабжен устройством, которое может регулировать глубину его погружения в воду, заполняющую гейзерную камеру. В окружающую среду выходит выпускной патрубок, соединенный с выходным трубопроводом и входным концом и выходным концом U-образного трубопровода. Воду нагревают до образования пара и повышения давления в гейзерной камере, вытесняют воду из выходного патрубка под давлением пара через указанный выходной трубопровод, вертикальный U-образный трубопровод и через выпускной патрубок в окружающую среду. Устройство для имитации извержения природного гейзера содержит гейзерную камеру, заполняемую водой, устройство для нагрева воды до образования пара, выходной канал с выпускным патрубком для извержения воды и пара, вертикальный U-образный трубопровод, имеющий входной конец и выходной конец, выходной патрубок, один конец которого вставлен в указанную гейзерную камеру и снабжен устройством, которое может регулировать глубину его погружения в воду. В окружающую среду выходит выпускной патрубок, соединенный с выходным трубопроводом и входным концом и выходным концом U-образного трубопровода. Изобретение обеспечивает увеличение количества выбрасываемой воды и упрощение, и удешевление устройства и способа для имитации природного гейзера. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники
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.
Уровень техники
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.
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].
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.
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.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является способ имитации гейзерного процесса и устройство для его реализации, свободные от указанных недостатков.
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.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Схема искусственного гейзера (ИГ).
Фиг.2. Схема варианта размещения входного патрубка в гейзерной камере.
Подробное описание изобретения
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.
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.
Для уменьшения потерь тепла из U-образного трубопровода его поверхность покрыта слоем теплозащитного материала 30.
Для предотвращения коррозии металлических труб грунтовыми водами скважина гейзера снабжена водонепроницаемой стенкой 31.
Схема перемещения конца 11 выходного патрубка 9
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.
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.
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.
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.
Осуществление работы ИГ
1.Запуск ИГ
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.
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 равен
ΔP=P1(T1)-P∞,
где P1 - давление пара в камере 1;
T1 - температура воды в камере 1;
Р∞ - атмосферное давление;
Динамика движения воды в трубопроводе описывается в общем случае уравнением
где m1=m1(t) - меняющаяся во времени масса воды в трубопроводе;
S - площадь сечения трубопровода;
d - диаметр трубопровода;
L - общая длина заполненных водой участков трубопровода;
dx/dt - скорость движения пароводяной смеси;
d2x/dt2 - ускорение движения пароводяной смеси;
ξ - коэффициент гидравлического сопротивления тракта;
γ - плотность воды;
g - ускорение силы тяжести.
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.
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.
Извержение ИГ выглядит внешне совершенно иначе по сравнению с работой фонтана, практически беззвучно выбрасывающего стационарную водяную струю, диаметр которой слабо расширяется с набором высоты.
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.
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.
Окончание первого извержения
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.
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.
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.
2. Извержение с использованием входного и выходного концов 14 и 20 U-образного трубопровода
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.
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".
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».
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.
Остановка извержения осуществляется аналогично процессам, описанным в пункте 1 «Запуск гейзера».
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.
3. Извержение с использованием только выпускного патрубка 32 гейзерного канала.
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.
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.
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.
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.
4. Автономный режим работы искусственного гейзера.
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.
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.
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.
Извержение самопроизвольно прекращается вследствие падения температуры в камере 1, обусловленного действием следующих двух факторов:
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;
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.
1. Способ имитации извержения природного гейзера с помощью устройства, содержащего гейзерную камеру, заполняемую водой, устройство для нагрева воды до образования пара, питающий трубопровод для заполнения гейзерной камеры водой и выходной канал с выпускным патрубком для извержения воды и пара в окружающую среду, отличающийся тем, что снабжают указанное устройство: вертикальным U-образным трубопроводом, имеющим входной конец и выходной конец, и выходным патрубком, один конец которого вставлен в указанную гейзерную камеру и снабжен устройством, которое может регулировать глубину его погружения в воду, заполняющую гейзерную камеру, при этом в окружающую среду выходит выпускной патрубок, соединенный с выходным трубопроводом и входным концом и выходным концом U-образного трубопровода, при этом нагревают воду до образования пара и повышения давления в гейзерной камере, вытесняют воду из выходного патрубка под давлением пара через указанный выходной трубопровод, вертикальный U-образный трубопровод и через выпускной патрубок в окружающую среду и тем самым вызывают явление извержения пароводяной смеси наподобие извержения природного гейзера.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что снабжают указанное устройство клапанами, способными перераспределять потоки воды и пара по направлению к выпускному патрубку через выходной трубопровод, или через указанный U-образный трубопровод, или через оба трубопровода одновременно.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что снабжают указанный выпускной патрубок сверхзвуковым соплом.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанное сверхзвуковое сопло выполняют в виде сопла Лаваля для смеси указанной воды и пара.
5. Способ по п.2, отличающийся тем, что снабжают указанный выпускной патрубок сверхзвуковым соплом.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что указанное сверхзвуковое сопло выполняют в виде сопла Лаваля для смеси указанной воды и пара.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду нагревают продуктами горения топлива.
8. Способ по п.2, отличающийся тем, что воду нагревают продуктами горения топлива.
9. Устройство для имитации извержения природного гейзера, содержащее гейзерную камеру, заполняемую водой, трубопровод для заполнения камеры водой, устройство для нагрева воды до образования пара и выходной канал с выпускным патрубком для извержения воды и пара в окружающую среду, отличающееся тем, что указанное устройство дополнительно снабжено вертикальным U-образным трубопроводом, имеющим входной конец и выходной конец, выходным патрубком, один конец которого вставлен в указанную гейзерную камеру и снабжен устройством, которое может регулировать глубину его погружения в воду, заполняющую гейзерную камеру, при этом в окружающую среду выходит выпускной патрубок, соединенный с выходным трубопроводом и входным концом и выходным концом U-образного трубопровода.
10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что указанное устройство имеет клапаны, способные перераспределять потоки воды и пара по направлению к выпускному патрубку через выходной трубопровод, или через указанный U-образный трубопровод, или через оба трубопровода одновременно.
11. Устройство по п.11, отличающееся тем, что снабжают указанный выпускной патрубок сверхзвуковым соплом.
12. Устройство по п.13, отличающееся тем, что указанное сверхзвуковое сопло представляет собой сопло Лаваля для смеси воды и пара.
