МОДЕЛЬ ГЕЙЗЕРА
GEYSER MODEL

Изобретение относится к горному делу и может быть применено при моделировании, проектировании и сооружении установок использования геотермальной энергии.
Известны различные модели природных гейзеров, например, такие как приведенные в описании изобретений к патентам РФ №2015574 и №2331815. Модели по этим изобретениям нельзя считать близким отражением природных гейзеров в основном из-за наличия в них большого количества движущихся механических частей в виде обратных клапанов, запирающих устройств и других конструктивных элементов, не присущих природным гейзерам, что и является их главным недостатком.
Известно также устройство модели гейзера по патенту на изобретение РФ №2020288, которое по технической сущности наиболее близко к заявленному и поэтому принимается за прототип. В этом устройстве, состоящем из таких основных конструктивных элементов, как камера для выбрасываемой жидкости, камера для ее приема, камера накопления упругой энергии газа, под действием которого происходит выброс, трубопроводы для подачи жидкости в камеру выброса и выброса из нее жидкости и газа, реализована чисто гидравлическая схема гейзера. Каких-либо движущихся частей в ней нет, что и приближает работу этой модели в наибольшей степени к режиму работы природного гейзера, т.е. к режиму, в котором равномерно чередуются периоды выброса жидкости и газа с периодами их остановок.
Однако и в этой модели остались ряд недостатков. К ним относятся следующие. Использование энергии сжатого воздуха вместо тепловой энергии, как в природном гейзере, не позволяет в достаточной мере оценить влияние этой энергии на высоту, частоту и объем выбрасываемой жидкости. В устройство также необходимо подавать постоянно сжатый воздух, который затем выносит с собой в виде аэрозолей жидкость, что затрудняет его долговременное использование. Недостатком является также его достаточно сложная техническая и технологическая схема, что не позволяет изготавливать небольшие, миниатюрные модели.
Задачей изобретения является создание простой и надежной модели природного гейзера, позволяющей наглядно вести оценку и результаты действующих в ней сил и без подпитки извне какими-либо веществами.
Для решения этой задачи разработано устройство модели гейзера, состоящее из нижней камеры - камеры выброса жидкости, вышерасположенной камеры приема выброшенной из нижней камеры жидкости, соединенной с нижней камерой камеры накопления упругой энергии газа, под действием которого происходит выброс жидкости, источника упругой энергии газа, двух трубопроводов, соединяющих верхнюю и нижнюю камеры, один из которых служит для подачи жидкости из верхней камеры в нижнюю, а второй - для выброса из нижней камеры жидкости и газа в верхнюю, при этом нижний конец первого трубопровода располагается ниже нижнего конца второго трубопровода, а верхний конец второго трубопровода находится выше верхнего конца первого трубопровода, и отличающееся тем, что нижняя камера объединена с камерой накопления упругой энергии газа, верхняя камера герметично изолирована, кроме теплообмена, от окружающей среды, в качестве жидкости выброса используются легкокипящие жидкости, а в качестве газа - насыщенный пар жидкости выброса, источником упругой энергии является источник тепла, располагаемый рядом с камерой выброса жидкости. В качестве жидкости выброса может быть использован этиловый спирт.
При таком составе и пространственном расположении конструктивных элементов устройства, не известных из литературных источников, обеспечивается проявление его следующих основных положительных свойств (технических результатов) относительно прототипа и аналогов.
Объединение камеры выброса жидкости и газа с камерой накопления упругой энергии газа позволяет вместе с другими элементами осуществить миниатюризацию устройства с сохранением всех свойств и признаков природного гейзера. При этом размеры модели могут быть уменьшены до размеров средней пробирки. Малые размеры модели упрощают ее применение для решения практических задач/ например, для моделирования и проектирования устройств использования геотермальной энергии.
Герметизация камеры приема выброшенных из нижней камеры жидкости и газа от внешней среды, кроме теплообмена с ней, позволяет сохранить действующие флюиды внутри модели и обеспечить тем самым долговременную работу в режиме гейзера.
Использование легкокипящих жидкостей в качестве жидкости выброса обеспечивает возможность работы модели вблизи комнатных температур. Это существенно упрощает техническую схему модели и возможность создания внутри нее газовой атмосферы с преобладанием в ней насыщенного пара жидкости выброса. Работа же модели в атмосфере насыщенного пара обеспечивает ее непрерывную работу в режиме природного гейзера.
Использование этилового спирта в качестве жидкости выброса обеспечивает, в связи с его хорошей смачиваемостью прозрачных частей модели, надежное наблюдение и управление работой модели. В этом отношении использование воды в качестве жидкости выброса является непригодным, главным образом, из-за образования на прозрачных частях модели не стекающих конденсационных капель. Кроме того, этиловый спирт является наиболее безопасным и безвредным из известных легкокипящих жидкостей, например, таких как этиловый эфир, ацетон, метиловый спирт и др.
Устройство модели иллюстрируется рис. 1, на котором видно: 1 - герметизирующая заглушка; 2 - верхняя камера - камера для выброшенных жидкости и газа; 3 - перегородка между верхней и нижней камерами; 4 - трубопровод для подачи жидкости из верхней камеры в нижнюю; 5 - жидкость выброса; 6 - нижняя камера - камера для жидкости и накопления упругой энергии газа; 7 - трубопровод для выбрасываемых жидкости и газа; 8 - наконечник для формирования выбрасываемой струи жидкости. На этом рисунке не показан располагаемый рядом с нижней камерой какой-либо источник тепла (горячая вода, струя теплого воздуха и др.), но необходимый для работы модели. Отметим, что верхняя и нижняя камеры могут быть разнесены друг от друга и соединены только трубопроводами 4 и 7.
Пример реализации изобретения представлен в виде модели малого размера. По этому примеру модель состоит из стеклянной пробирки среднего размера, которая (см. рис. 1) разделена резиновой перегородкой 3 на верхнюю 2 и нижнюю 6 камеры. Сверху пробирка оборудована герметичной пробкой 1. Через перегородку 3 проходят пластиковые трубки 4 и 7. После заполнения нижней части нижней камеры этиловым спиртом 5 и вакуумирования пробирки до давления насыщенных паров этилового спирта пробирка закрывается пробкой 1, после этого модель готова к работе.
Для этого помещают нижнюю камеру модели в нагретую воду. Под действием повышенной температуры давление пара в нижней камере растет и он начинает вытеснять спирт в трубку 7. После достижения пара нижнего конца трубки 7 происходит прорыв его в эту трубку и соответственно выброс из нее жидкости в виде фонтана и затем пара. После выброса давление паров в обеих камерах становится одинаковым, в результате чего происходит стекание по трубке 4 выброшенной жидкости и сконденсировавшегося пара из верхней камеры в нижнюю. Затем происходит новый цикл вытеснения, выброса и стекания жидкости и так далее, пока существует разность температур в верхней и нижней камерах, т.е. происходит работа модели в режиме природного гейзера. При этом чем выше скорость подвода тепла и разность температур, тем больше частота выбросов жидкости и высота их фонтанных струй.
Таким образом, использование изобретения позволяет создать модель со всеми основными элементами природного гейзера, такими как подводящий канал (трубопровод 4), выбрасывающий канал (трубопровод 7), полость накопления упругой энергии пара (камера 6) и др. При этом появляется возможность провести оценку взаимосвязей между ними, источником тепла и основными показателями работы гейзера.
Следует отметить, что модель, выполненная по приведенному выше примеру может также найти бытовое применение. При погружении модели, например, в стакан с излишне нагретой жидкостью она может сыграть роль охладителя и показать по высоте фонтанчика как степень излишнего нагрева, так и величину охлаждения.