Детонационные технологии

Владимир Хаустов

Детонационные технологии

Введение

В настоящее время технологии использования энергетики управляемых волн детонационного горения топливо-воздушных смесей почти не используются, не развиваются и не систематизируются.

В практическом плане в промышленности нашла развитие и успешно используется только одна технология, которая связана с порошковым напылением промышленных покрытий. В качестве идей начинают предлагается технологии утилизации отходов продуктами детонационного горения.

В настоящей работе представлены результаты практических работ, направление на раскрытие потенциала применения детонационного горения , как лучшая альтернатива классическому горению (дефлаграционному) в различных областях науки и техники.

Предлагаются следующие технологии использования управляемого детонационного горения топливовоздушных смесей

1. Термобарические процессы: Предложены способы производства драгоценных камней и разложения химических соединений (включая в рамках "зеленой металлургии" для восстановления металлов из оксидов и утилизации отходов) с использованием сверхвысоких температур (до 3000–4000°C и выше) и давлений, достигаемых в зоне "схлопывания" или фокусировки детонационных волн. Эксперименты по разложению оксида железа показали возможность его восстановления до металлического состояния.

2. Получение сверхвысоких температур: Предложены и исследованы способы одномерной и многомерной имплозии (центростремительного вихревого сжатия) волн детонационного горения для создания локализованных зон сверхвысоких температур (более 2000–3000°C), которые могут быть использованы для различных технологических целей, включая синтез новых материалов и разложение стойких соединений. Также исследован многостадийный способ повышения температуры внутреннего вихревого потока.

3. Экологические применения: Предложен детонационно-вихревой способ дожига дымовых газов промышленного производства для эффективной утилизации горючих и токсичных веществ при высоких температурах. Предложен детонационно-вихревой пиролиз органических отходов для получения топлива, включая водород.

4. Новые физические эффекты и их применение: Обнаружен детонационно-электрический эффект, заключающийся в возникновении ЭДС во фронте детонационной волны. Выявлен инверсный вихревой эффект, меняющий направление терморазделения в вихревой трубе при подаче высокотемпературного потока. Исследован эффект термобарического схлопывания фронтов детонации для создания экстремальных условий.

5. Технологические процессы: Разработан вихрекольцевой метод очистки вагонов от сыпучих грузов. Предложен ударно-волновой способ торможения роторов вентиляторов. Исследован детонационно-распылительный способ получения мелкодисперсных металлических порошков. Предложен вихрекольцевой детонационный метод измерения толщины покрытий. Разработан термокинетический способ очистки стального листа от цинкового покрытия. Предложена квазиимпульсная технология нанесения защитных покрытий на большие поверхности.

6. Энергетические и двигательные установки: Предложен детонационно-центростремительный привод турбины. Рассмотрены варианты детонационного привода лопастей вертолета, в том числе на эффекте Коанда.

Эти практические результаты и экспериментальные данные, представленные в авторских работах, подчеркивают значительный прогресс и потенциал детонационных технологий в различных

1. Способ получения сверхвысоких температур встречным сжатием волн детонационного горения

Предлагается высокоэнергетическое физико-химическое явление, возникающее в результате скоординированного, синхронного схлопывания (сжатия) нескольких фронтов детонационного горения, и ведущее к образованию в центральной точке сверхвысокого давления и температуры.

Иначе говоря, при синхронной детонации 2-х или более источников с фокусировкой волн в одну общую центральную зону, образуется уникальное состояние в малом объёме, характеризующееся:

– давлениями, существенно превышающими 1000 атмосфер (100 МПа и выше),

– температурами порядка 3000 градусов (в зависимости от числа источников и угла схлопывания),

– ударной компрессией вещества в фокусе, вплоть до плазменных состояний,

– микросекундной длительностью воздействия, которая исключает распространение нагрева в окружающую среду и позволяет концентрировать эффект только в точке схлопывания. Сущность

Формирование зоны сверхвысокого давления и сверхвысокой температуры в месте синхронного схлопывания (сжатия) волновых фронтов детонационного горения от двух и более источников.

Описание явления

– Детонация от одного источника – это самоподдерживающийся взрывной процесс, где фронт горения движется с высокой скоростью (2000–3000 м/с) и сопровождается образованием ударной волны и температур выше 3000 градусов.

– В обычном случае детонация расширяется наружу (дефлаграционно-дивергентный режим).

– Однако при размещении детонационных источников так, чтобы их волны сходились центростремительно (например, при размещении резонаторов по окружности или в полусфере), ударные фронты не расходятся, а сходятся в фокусе – вызывая сферическое сжатие.

Аналогия: как капля воды при падении в жидкость создаёт микровихрь с резким всплеском вверх, – аналогично и фронты схлопывающихся детонаций вызывают «всплеск» температуры и давления в точке схождения.

Расчётное представление:

– Энергия каждого фронта складывается не просто суммарно, а усиливается за счёт геометрической фокусировки, подобно линзе, собирающей лучи света.

– В зависимости от точности синхронизации, можно достичь температур выше даже 4000 градусов (условная "точка микровзрыва").

Описание

Синхронное сжатие (схлопывание) нескольких детонационных волн представляет собой сферический фронт уменьшающихся изломов ударных волн, который быстро сжимается. В местах сталкивания изломов ударных волн возникает сферическая зона очень высокого давления, в которой детонационное горение происходит с более высокими температурами.

При синхронном сжатии (схлопывании) детонационных волн детонационного горения от 2-х и более источников волн детонационного горения – в центральной части возникает сферическая зона сверх высокого давления, с температурами уровня 3000 градусов и выше.

Классические дефлаграционные способы нагрева не способны обеспечить такие температуры и давления. Это связано с особенностью классического дефлаграционного горения, а именно в том, что при распространении дефраграционного горения фронт волны не встречает на своём пути препятствий и распространяется от зон с высоким давлением в зоны низкого давления. Распространение горения в этом случае происходит с относительно низкой скоростью, которая зависит от температуры процесса горения, и всегда ниже 2000 градусов.

В отличии от классического горения – детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-3500 С. При этом нужно учесть тот факт, что детонация не в атмосферу (расширение), а сжатие центростремительно в фокусе полусферического резонатора обеспечивает формирование на много больших температур.

Эксперимент

Был создан стенд из двух источников детонационных волн по типу трубчатой формы с сферическим резонатором на выходе, см. рис. № 1

Рис. № 1. Испытательный стенд из двух источников волн детонационного горения.

Интересные эффекты проявляются в зависимости от расстояния, на котором находятся друг от друга источники детонационного горения, см.

рис. № 2 и 3.

Расстояние между горелками = 2*(0,9*L).

Где: L – длинна видимого сходящегося клина детонационного горения одного источника детонационного горения.

Рис. № 2. Визуализация места сжатия сверхвысоких температур и давлений.

На рис. № 2 указано место сжатия сверхвысоких температур и давлений локализовано в центре на расстоянии 0,9*L относительно небольшой областью по объёму.

Расстояние между горелками = L.

Где: L – длинна видимого сходящегося клина детонационного горения одного источника детонационного горения.

Рис. № 3. Визуализация места сжатия сверхвысоких температур и давлений.

На рис. № 3 показано место сжатия, которое имеет форму шара сверхвысоких температур и давлений с диаметром, равным = L. По аналогии с шаровой молнией, с одним исключением – полученный шар “рождается” и “умирает” несравнимо быстрее, чем шаровая молния.

Таким образом, сверхбыстрый нагрев газа может быть реализован встречным “схлопыванием” в общем центре двух и более источников детонационных волн детонационного горения топливовоздушной смеси. При этом объём зоны сверхвысоких температур и давлений зависит исключительно от расстояния, на котором размещены друг от друга источники детонационного горения.

Термобарическое схлопывание фронтов детонации – это уникальный способ кратковременного создания экстремальных условий температуры и давления, недостижимых классическими методами. В фокусированной зоне создаются ударные нагрузки и температурные пики, потенциально эквивалентные локальному микровзрыву высокой плотности энергии.

Эффект не только подтверждает возможность создания таких условий в атмосферной среде, но и определяет новую физическую модель для:

– сжатия веществ без соприкосновения (контактной среды),

– кратковременного нагрева до плазменных состояний,

– фазовых переходов при пикосекундной тепловой и механической нагрузке.

Возможные применения

1. Переработка и разложение химически устойчивых соединений.

– Восстановление оксидов металлов (Al2O3, Fe2O3, ZnO) до чистого металла.

– Разложение неорганических соединений при кратком термобарическом импульсе без реагентов (без плавки, без электролиза).

2. Генерация высокотемпературной плазмы.

– Инициация холодной или тепловой плазмы без электродов и высокочастотных источников;

– Применение в физике высоких энергий и материаловедении.

3. Дистанционное воздействие и управляемый импульс.

– Импульсное старение (силовая деформация) конструкционных материалов;

– Промышленная очистка поверхностей от покрытий, ржавчины, лакокрасочных оболочек;

– Удаление загрязнений в трубопроводах и реакторах.

4. Взрывная синтез-металлургия.

– Ультрабыстрое спекание порошков;

– Формирование металлографических соединений при пикотемпературе;

– Замена дуговой и индукционной плавки в ограниченных объёмах.

5. Инициирование термоядерных процессов (в долгосрочной перспективе)

Заключение

Термобарический эффект схлопывания фронтов детонационного горения – это не просто локализация тепла, а способ создания условий, лежащих за пределами возможностей традиционной термической обработки. Он обладает огромным научным и технологическим потенциалом и формирует основу нового подхода к точечному создающему давлению и температуре без физического контакта, электропитания или горелок.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

2. Способ получения сверхвысоких температур вихревым сжатием волны детонационного горения

Идея способа основана на открытом инверсном детонационно-вихревом эффекте (см. п. 7 настоящей книги), согласно которого при детонационом горении в вихревой трубе центральный поток ещё больше нагревается, а периферийный наоборот, охлаждается.

При вихревом распространении волны детонационного горения в центральной аксиальной зоне формируются сверхвысокие температуры, согласно рис. № 4.

Рис. № 4. Центростремительное вихревое сжатие волны детонационного горения для технологических целей (способ получения сверхвысоких температур).

При этом известно, что прямолинейная детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/си сверхвысоким давлением, а температура горения достигает 3000-3500 С.

Дополнительной особенностью прямолинейного распространения волны детонационного горения на выходе из источника является конусное расширение фронта за счёт силы детонационных сил.

А теперь рассмотрим вихревое (тангенциальное) распространение волны детонационного горения в полузамкнутом цилиндрическом объёме.

Для этого был собран испытательный стенд в виде трубчатого источника волн детонационного горения , тангенциально соединённого с цилиндром, в котором будет распространяться тангенциально волна детонационного горения, см. рис. № 5.

Рис. № 5. Испытательный стенд в виде трубчатого источника волн детонационного горения, тангенциально соединённого с цилиндром, в котором будет распространяться тангенциально волна детонационного горения.

В этом случае проявляются интересные свойства, связанные с резким повышением температуры в центральной зоне аксиального вихревого распространения детонационной волны. При вихревом тангенциальном центробежном распространении детонационной волны со скоростями порядка 2000-3000 м/с и сверхвысоким давлением, последняя претерпевает центростремительное сжатие в так называемом аксиальном центре вихря.

Это обусловлено тем, что центробежная сила тангенциального движения детонационного фронта горения намного меньше силы детонационного расширения фронта продуктов детонационного горения.

Иными словами, при классическом тангенциальном центробежном распространении любого воздушного потока, например, в тангенциальных завихрителях за счёт центробежных сил происходит увеличение площади воздушного потока.

Ни о каком-либо дополнительном нагреве в так называемом вихревом центре не может вестись и речи. Сила расширения фронта распространения воздушного потока пренебрежимо мала по сравнению с центробежной силой.

Ситуация кардинально меняется при тангенциальном распространении волны детонационного горения. В этом случае сила расширения волны детонационного горения будет на много превышать центробежную силу. Площадь фронта тангенциального распространения детонационной волны в такой вращающейся вихревой системе будет всегда ограничена радиусом вращения. Благодаря такому ограничению происходит адиабатическое сжатие уменьшением объёма термодинамической вихревой системы в центре вращения без обмена теплотой с окружающей средой.

Таким образом сверхвысокая скорость и давление во фронте сформированной волны детонационного горения при изменении направления распространения (с прямолинейного на тангенциальное) формируют центростремительное сжатие (имплозию) детонационной волны в центе оси распространения (аксиально).

При этом в центральной оси вихревого вращения образуется зона сверхвысокой температуры более 2000 градусов, в которой возможны термохимические реакции синтеза/разложения любых химических и минеральных веществ.

Заключение:

Предложенный способ направленного центростремительного вихревого сжатия (имплозии) волны детонационного горения представляет собой принципиально новый и перспективный подход к управляемому получению сверхвысоких температур и давлений в компактной аксиальной зоне цилиндрического объёма. Сущность метода заключается в преобразовании направления распространения классической прямолинейной детонационной волны в тангенциальное – с её последующим вращательно-вихревым развитием в полузамкнутом объёме. В классических системах вихреобразования с воздушными или газовыми потоками центробежная сила всегда превышает силы расширения, и в центре вихря

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

3. Способ получения сверхвысоких температур вихревым сжатием нескольких волн детонационного горения.

Идея способа , в отличии от предыдущего, заключается в формировании двух, изолированных друг от друга вихревых потоков продуктов детонационного горения с общим центром вращения. Потоки имеют противоположные направления вращения. После раздельного формирования потоков происходит их совместное со направленное распространение аксиально вокруг общей оси распространения. Вихревые потоки детонационного горения начинают взаимодействовать друг с другом. Происходят одновременно и совместно два адиабатических центростремительных процесса сжатия двух вихревых потоков детонационного горения (многомерной имплозии), см. рис. № 6.

Рис. № 6. Схема многомерного центростремительного вихревого сжатия волн детонационного горения от двух и более источников детонационного горения.

В центральной аксиальной зоне распространения формируются сверхвысокие температуры для целей протекания реакций синтеза/разложения любых химических, минеральных веществ.

В качестве основы идеи многомерной имплозии выступают практические работы по одномерной имплозии (центростремительного сжатия) волны детонационного горения (ссылка), в которых проявляются интересные температурные эффекты в центральной зоне центростремительного сжатия.

Визуализация тангенциального распространения волны детонационного горения показана на рис. № 7.

Рис. № 7. Тангенциальное распространение волны детонационного горения.

Это обусловлено тем, что центробежная сила тангенциального движения детонационного фронта горения намного меньше силы детонационного расширения фронта продуктов детонационного горения.

Иными словами, при классическом тангенциальном центробежном распространении любого воздушного потока, например, в тангенциальных завихрителях за счёт центробежных сил происходит увеличение площади воздушного потока. Ни о каком-либо дополнительном нагреве в так называемом вихревом центре не может вестись и речи. Сила расширения фронта распространения воздушного потока пренебрежимо мала по сравнению с центробежной силой.

Ситуация кардинально меняется при тангенциальном распространении волны детонационного горения. В этом случае сила расширения волны детонационного горения будет на много превышать центробежную силу. Площадь фронта тангенциального распространения детонационной волны в такой вращающейся вихревой системе будет всегда ограничена радиусом вращения. Благодаря такому ограничению происходит адиабатическое сжатие уменьшением объёма термодинамической вихревой системы в центре вращения без обмена теплотой с окружающей средой.

С учётом выше сказанного можно сказать, что один адиабатический процесс – это хорошо, а два и более – ещё лучше.

В этом случае происходят одновременно и совместно, например, два адиабатических центростремительных процесса сжатия двух потоков, при котором внутренний сжимается к центру вращения, а внешний поток сжимает внутренний.

Дополнительной особенностью такого совместного многомерного распространения и имплозии является полное отсутствие тепловых потерь внутреннего вихревого потока.

При этом температура в центральной зоне вихревого распространения увеличивается, по сравнению с одномерной имплозией и может составлять более 3000 градусов и выше.

Главная идея способа заключается в организации раздельного формирования двух (или более) независимых вихревых потоков от соответствующих источников детонационного горения, каждый из которых обладает собственной направленностью вращения. После стадии разделённого формирования происходит аксиальное сонаправленное распространение потоков вокруг общей оси, при котором они начинают активно взаимодействовать, вызывая сложное многомерное (двух- и трёхкомпонентное) центростремительное сжатие – так называемую многомерную детонационную имплозию.

В результате этого взаимодействия:

– формируется замкнутая аксиальная зона с двойным адиабатическим эффектом – одновременно со стороны внутреннего и внешнего вихрей;

– давление и температура в центральной зоне многократно возрастают по сравнению с классическим одномерным вихревым сжатием;

– существенно снижаются тепловые потери внутренних слоёв системы за счёт плотного охвата их вторичным (внешним) вихрем;

– тепловая и кинетическая энергия детонационных волн эффективно фокусируется в ограниченном объёме без выхода наружу.

Предполагаемая температура в ядре многомерной вихревой системы достигает и может превышать 3000  C, что делает установку особенно перспективной для следующих технологических приложений:

1. Синтез сверхтвёрдых и термостойких материалов (оксиды, карбиды, бориды и пр.);

2. Компактная и энергоэффективная утилизация химически стойких, пластичных и трудно разлагаемых соединений;

3. "Зелёная металлургия" – восстановление оксидов металлов в одной стадии без кокса и плавильных агрегатов;

4. Разложение высокотемпературных и токсичных компонентов (ПХБ, асбестосодержащие смеси, ТБО) путём их физико-химического расщепления;

5. Поддержание условий для новых реакций синтеза и высокоэнергетических превращений (разложение СО₂, получение водорода, каталитические циклы);

6. Создание установок для нетрадиционного термического воздействия – термохимическая сварка, нанесение покрытий, моделирование условий глубинных недр и высокотемпературных процессов.

Конструктивно, такая система не требует использования массивных термоустойчивых компонентов для удержания зоны реакции, поскольку наибольшее тепловое и химическое воздействие сосредоточено в пространственно замкнутой вихревой зоне, ограниченной собственной гидродинамикой.

Заключение

Таким образом, многомерная вихревая имплозия на основе контролируемого распределения фронтов детонационного горения представляет собой качественно новый подход к созданию сверх высокотемпературных функциональных зон в компактном объёме, открывающий широчайшие перспективы для научных, промышленных и экологических применений. Способ продвигает ключевую идею технологической детонации от "взрывоопасной" к "высокоэффективной", предоставляя надёжный инструмент для построения локализованных термодинамических реакторов нового поколения.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

4. Каскадно-вихревой способ получения сверхвысоких температур.

Предлагается использовать волны детонационного горения с температурами уровня 2000 градусов и скоростями уровня 2000 м/сек в качестве источника первичной энергии для целей проявления вихревого терморазделительного эффекта в системе из последовательно соединённых каскадов вихревых труб .

Согласно классике, вихревой эффект Ранка -Хилша заключается в температурном разделении газа при закручивании в цилиндрической камере при условии, что поток газа в трубке проходит не только прямо, но и обратно, см. рис. № 8.

Рис. № 8. Вихревая трубка Ранка –Хилша.

Эффект хорошо известен и практически давно используется для технологических целей нагрева и охлаждения.

Результат вихревого эффекта – на периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а из центра в противоположную сторону выходит охлажденный поток. Такое направление температурного разделения является одним из интереснейших парадоксов вихревого эффекта. Теоретически, более тёплый поток газа имеет меньшую плотность и центробежными силами должен стремиться к центру, а более холодный поток газа имеет большую плотность и, соответственно, должен стремиться к периферии. Практически всё происходит в точности наоборот.