Двойным резонансом ультразвука
Скачать 378.25 Kb.
|
Управление образования города Юбилейного Московской области, Муниципальное общеобразовательное учреждение (МОУ) «Гимназия №5» РАСПЫЛЕНИЕ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЯХ ДВОЙНЫМ РЕЗОНАНСОМ УЛЬТРАЗВУКА Научный раздел конкурса: 4. Энергетика и энергосбережение. Автор Коровянская Анастасия Денисовна, ученица 10А класса, МОУ «Гимназия №5» города Юбилейного Московской области; тел. 8-916-780-64-18; Nasti96@bk.ru Научный руководитель Лебедев Владимир Валентинович, учитель физики и математики МОУ «Гимназия №5», д.т.н., профессор кафедры «Прикладная механика и математика» Московского государственного строительного университета; тел. 8-903-184-45-31, Lebedev_v_2010@mail.ru МОУ «Гимназия №5», город Юбилейный Московской области, 2012-2013 учебный год СОДЕРЖАНИЕ
Большое спасибо доктору педагогических наук, профессору Валерию Вильгельмовичу Майеру, без книг которого эта работа не могла быть начата. РЕФЕРАТ Темой энергетики автор занимается с 8-го класса [8]. Однако в 10-м классе появились новые результаты исследований в этой области. При изучении звуковых колебаний в школьном курсе физики на уроке была проведена демонстрация опыта распыления капли воды ультразвуком. Автором этого опыта является Валерий Вильгельмович Майер из Глазовского педагогического университета. Суть демонстрационного опыта заключалась в подключении подмагниченного соленоида к генератору сигналов низкой частоты ГЗШ, который был найден в кабинете физики. Если в этот соленоид определённым образом, строго по инструкции вставить ферритовый стержень, а потом установить очень точно заданную частоту около 20кГц, то получится магнитострикционный излучатель ультразвука. Капля воды на конце ферритового стержня будет практически мгновенно распыляться вверх в виде мельчайших брызг, даже тумана. Прибор простой, опыт получился сразу, особенности ультразвука были продемонстрированы классу. Однако сразу появился практический вопрос: зачем надо распылять каплю воды? Неожиданно и сразу появилось предложение распылять не воду, а топливо в двигателе внутреннего сгорания. Эта идея тоже не новая, потому что В.В.Майер проводил демонстрации с распылением горючих жидкостей с последующим поджиганием полученного облака. Опыт очень эффектный, но и в нём отсутствует практическое приложение. Целью работы является изучение возможности практического применения ультразвука для распыления топлива в тепловых двигателях. С позиции интеллектуальной собственности работа относится к категории «Новое применение известных устройств, способов, материалов». Новизна работы заключается в применении двойного резонанса при распылении жидкостей для получения нового положительного эффекта – более полного сгорания топлива с целью экономии расхода горючего в различных тепловых двигателях. Практическая значимость работы – уменьшение расхода топлива тепловыми двигателями, то есть энергосбережение. Для достижения поставленной цели сначала были проведены опыты на школьном генераторе сигналов низкой частоты типа ГЗШ. По рекомендации В.В.Майера был собран транзисторный генератор и магнитострикционный излучатель ультразвука. Такой генератор позволил получить магнитострикционный резонанс ферритового стержня. Однако В.В.Майер работал в основном с открытым пространством. В отличие от его опытов проведено изучение распыления жидкости в замкнутом пространстве. Оказалось, что отражение ультразвуковых волн от стенок значительно усиливает эффект распыления жидкости. Этому вопросу уделено основное внимание в работе. ВВЕДЕНИЕ Вопросы энергосбережения становятся актуальными, когда возникает проблема добычи и поставки энергоресурсов. Энергосбережение позволяет снизить стоимость эксплуатации техники. Направлений энергосбережения несколько. Одно из таких направлений связано с полнотой сгорания топлива. В школьном курсе физики изучаются основы второго закона термодинамики. Этот закон утверждает, что никакая тепловая машина не может работать без холодильника. В холодильник происходит сброс тепла, полученного от нагревателя, которое не было преобразовано в полезную работу. При сгорании топлива в тепловом двигателе, например, в двигателе внутреннего сгорания, часть горючего не сгорает. Не сгоревшее горючее можно видеть также на тепловых станциях в виде чёрного дыма (углерода), выходящего из высоких труб. Не сгоревшее в тепловом двигателе топливо уменьшает коэффициент полезного действия теплового двигателя по двум причинам. Во-первых, часть энергии нагревателя не используется, а просто выбрасывается в окружающую среду, тогда как увеличение тепла нагревателя приводит к увеличению коэффициента полезного действия теплового двигателя. Во-вторых, выброшенное топливо уносит в окружающую среду, часть тепла, тогда как увеличение тепла, отданного холодильнику, уменьшает коэффициент полезного действия теплового двигателя. Способы увеличения полноты сгорания топлива надо искать в основных физических явлениях, которые начинают изучать в школьном курсе физики, но, к сожалению, не уделяют много внимания их практическому применению. При изучении звуковых колебаний в школьном курсе физики на уроке была проведена демонстрация опыта распыления капли воды ультразвуком. Автором этого опыта является Валерий Вильгельмович Майер из Глазовского педагогического университета. Суть демонстрационного опыта заключалась в подключении подмагниченного соленоида к генератору сигналов низкой частоты ГЗШ, который был найден в кабинете физики. Если в этот соленоид определённым образом, строго по инструкции вставить ферритовый стержень, а потом установить очень точно заданную частоту около 20кГц, то получится магнитострикционный излучатель ультразвука. Капля воды на конце ферритового стержня будет практически мгновенно распыляться вверх в виде мельчайших брызг, даже тумана. Прибор простой, опыт получился сразу, особенности ультразвука были продемонстрированы классу. Однако сразу появился практический вопрос: зачем надо распылять каплю воды? Неожиданно и сразу появилось предложение распылять не воду, а топливо в двигателе внутреннего сгорания. Эта идея тоже не новая, потому что В.В.Майер проводил демонстрации с распылением горючих жидкостей с последующим поджиганием полученного облака. Опыт очень эффектный, но и в нём отсутствует практическое приложение. Этот опыт преследует методическую цель – запоминание действия ультразвука, но не практическую. Целью работы является изучение возможности практического применения ультразвука для распыления топлива в тепловых двигателях. С позиции интеллектуальной собственности работа относится к категории «Новое применение известных устройств, способов, материалов». Новизна работы заключается в применении двойного резонанса при распылении жидкостей для получения нового положительного эффекта – более полного сгорания топлива с целью экономии расхода горючего в различных тепловых двигателях. Практическая значимость работы – уменьшение расхода топлива тепловыми двигателями, то есть энергосбережение. Для достижения поставленной цели сначала были проведены опыты на школьном генераторе сигналов низкой частоты типа ГЗШ. Однако этот генератор не предназначен для получения сигналов большой мощности. По рекомендации В.В.Майера был собран транзисторный генератор и магнитострикционный излучатель ультразвука. Такой генератор позволил получить магнитострикционный резонанс ферритового стержня. Однако В.В.Майер работал в основном с открытым пространством. В отличие от его опытов проведено изучение распыления жидкости в замкнутом пространстве. Оказалось, что отражение ультразвуковых волн от стенок значительно усиливает эффект распыления жидкости. Этому вопросу уделено основное внимание в работе. Простейшим опытом более сильного распыления жидкости является помещение магнитострикционного излучателя в стеклянную сферическую колбу из кабинета химии. Если диаметр колбы подобрать так, что излучаемый ультразвук в ней будет резонировать, то получится сразу два резонанса. Первый резонанс – это колебания магнитострикционного излучателя в соленоиде. Этот резонанс известен, изучен, демонстрируется. Однако изучить этот резонанс придётся отдельно, потому что он должен полностью совпадать со вторым резонансом. Второй резонанс – это ультразвуковые колебания воздуха или топливной смеси в замкнутом объёме. Если оба резонанса имеют одинаковую частоту, то жидкость будет распыляться не только излучателем ультразвука, но и стоячей волной в замкнутом пространстве, например, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Задача исследования заключается в определении условий, при которых появляется двойной ультразвуковой резонанс, усиливающий распыление топлива для более полного его сгорания. 1. ДОРАБОТКА МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Валерий Вильгельмович Майер в 1978 году предложил [1] конструкцию ультразвукового магнитострикционного излучателя. Принцип действия этого излучателя основан на явлении магнитострикции. Магнитострикция – это явление изменения размеров тела в магнитном поле [2]. Это явление было открыто Джоулем в 1842 году. Явление магнитострикции в основном рассматривается для ферромагнетиков и для ферримагнетиков. При появлении магнитного поля в этих вещества домены поворачиваются, в результате чего изменяются размеры тела. Относительное магнитострикционное удлинение тела очень мало, в основном находится в пределах 10-7-10-6. В ферримагнетиках относительное магнитострикционное удлинение тела значительно больше, достигает величины 10-2-10-5. В повседневной жизни явно выраженным магнитострикционным материалом является ферримагнетик в виде ферритового стержня. Такие стержни можно найти в старых радиоприёмниках. В магазине старых радиодеталей было закуплено несколько различных ферритовых стержней. В.В.Майер в книге [1] рекомендуем применять ферритовые стержни диаметром 8мм марки М400-НН. Удалось приобрести несколько таких стержней. Вот точная их маркировка: М400-НН-19-91-07ЩО-45К. Эта маркировка сохранилась только на трёх стержнях, на других её нет. Цена одного стержня колеблется от 70 рублей до 100 рублей в зависимости от размера. Ниже приводится фотография приобретённых ферритовых стержней.  Ферритовые стержни для магнитострикционных излучателей Ферритовый стержень помещается в соленоид. Соленоид был изготовлен самостоятельно. В.В.Майер рекомендует применять провод типа ПЭЛ-0,51, количество витков 100 при длине намотки приблизительно 75 мм. Однако сначала такого провода в лаборатории не было, поэтому указанные 100 витков были намотаны проводом диаметром 0,5 мм в поливинилхроридной изоляции. Длина соленоида увеличилась до 110 мм, при этом обмотку пришлось выполнять в два слоя. Однако наличие изоляции исключило необходимость каких-либо дополнительных изоляций между слоями. Другой новой особенностью конструкции магнитострикционного излучателя является система подмагничивания ферритового стержня. Эта система принципиально отличается от предложенной В.В.Майером и является авторской доработкой устройства. В 1978 году ещё не были открыты неодимовые магниты, представленные ниже на рисунке.  Это очень сильные магниты. Теоретический предел величины магнитной индукции в них равен 1,8 Тл, а практическая намагниченность составляет приблизительно 1 Тл. Сильные неодимовые магниты позволили исключить из конструкции В.В.Майера самую тяжёлую деталь – кольцевые магниты. Оказалось достаточно одного неодимового магнита диаметром 10 мм и длиной 20 мм для обеспечения требуемого подмагничивания ферритового стержня. Неодимовый магнит располагается в нижней части катушки соленоида непосредственно в её отверстии и закрепляется клеем. Место закрепления магнита выбирается таким, чтобы ферритовый стержень нижним концом не касался его, оставляя зазор 2-5 мм. При различных длинах стержней удобно выполнить крепление неодимивого магнита подвижным, но с очень тугой посадкой во внутренней части трубки. Это позволит регулировать зазор между магнитом и ферритовым стержнем для различных излучателей. Из конструктивных и технологических новых особенностей следует отметить следующие. 1. Намотка соленоида на полиэтиленовой водопроводной трубе диаметром 20 мм. 2. Применение стандартных верхнего и нижнего ограничителей намотки в катушке от сантехнического оборудования бачка унитаза. 3. Изготовление подставки из пустой баночки от косметического средства. В крышке баночки просверлено отверстие диаметром 20 мм, в которое вставлена водопроводная полиэтиленовая труба. 4. Изготовление клемм с возможностью быстрой замены согласующего конденсатора. 5. Свободная вертикальная опора ферритового стержня на резиновом кольце. Стержень висит на этом кольце в вертикальном положении, опираясь на верхнюю часть водопроводной трубы. Ниже на рисунке представлены схема доработанного магнитострикционного излучателя и его фотография.   Схема доработанного магнитострикционного излучателя и его фотография Изготовленный магнитострикционный излучатель не является оптимальным. Его конструкция, параметры и технологические особенности, несомненно, требуют доработки, усовершенствования, возможно, полной переработки. Однако в первых опытах по распылению жидкости он доказал свою работоспособность как со школьными генераторами сигналов низкой частоты типа ГЗШ и ГЗ-63М, так и с самодельным транзисторным ультразвуковым генератором. Этот излучатель очень надёжный. Даже если стеклянная баночка разобьётся, она легко заменяется на другую, потому что применяется для хранения целого ряда косметических средств. На всякий случай сделан запас из четырёх таких баночек. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | В литературе русского реализма Это обусловлено удивительным эмоциональным резонансом между художественной действительностью изучаемых произведений и внутренним... | | Правила вступительного испытания по обществознанию, проводимого университетом самостоятельно Какую функцию науки иллюстрирует внедрение разработок по использованию ультразвука для сверления и резки металла |
| Темы вашего учебного проекта Таким образом, основываясь на положительных результатах применения ультразвука, учащиеся делают вывод о необходимости внедрять опыт... | | Исследование и разработка широкополосных акустооптических дефлекторов... Работа выполнена на кафедре радиотехнической электроники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганрог... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Войти в программу Microsoft Word можно через Главное меню, раздел Программы или непосредственно с Рабочего стола, двойным щелчком... | | Использование ультразвука в медицине Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» – «давлю»), а материалы с такими свойствами – пьезоэлектриками.... |
| Применение ультразвука для формирования микропартикулятов молочного белка За рубежом такие продукты относятся к функциональным пищевым продуктам и ценятся во много раз больше чем аналогичные с содержанием... | | 1, вызвав меню двойным щелчком на вашей панели инструментов. У меня... Этот урок расскажет о том, как я обычно рисую шерсть в Photoshop. Мой метод может вам показаться простым и доступным, но зачастую... |
| Краткое содержание требований к оформлению курсовых и дипломных работ... Высота букв и цифр должна быть не менее 1,8 мм. (Обычно шрифт 12 Times New Roman c с двойным интервалом или шрифт 14 Times New Roman... |  | 1. Размышления над двойным виски Приняв пару двойных виски, Джеймс... ... |
