Полная версия
Новые технологии закрученных течений
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]
1.4. Детонационно-вихревой способ дожига дымовых газов
Идея способа заключается в центростремительном вихревом сжатии (имплозии) волны (волн) детонационного горения. Происходит формирование сверхвысокой температуры в осевой аксиальной зоне вихревого сжатия. Дополнительно благодаря конструктивному решению распространения и сжатия детонационных волн центральная область сверхвысоких температур не имеет механического контакта с конструкционными элементами. Таким образом исключаются большие тепловые потери.
Детонационно-вихревой дожиг любых дымовых газов основывается на двух работах, связанных с формированием сверхвысоких температур в области центростремительного сжатия.
Реализация способа дожиг любых дымовых газов промышленного производства показана на ниже приведённом рисунке в зависимости от количества детонационных источников энергии.
Рис. № 11. Схема реализации детонационно-вихревого дожига дымовых газов
За основу взяты конструкции детанационно-вихревых горелок с нижним осевым подводом дымовых газов в зону сверхвысоких температур. Горелки должны быть установлены сверху дымовых труб промышленного производства.
Подача дымовых газов в зону сверхвысоких температур может осуществляться, как естественной тягой, так и с помощью так называемой “всасывающей” силы вихревого движения. Это зависит от состава дымового газа, т.е. времени нахождения дымовых газов в области сверхвысоких температур до полного термического разложения.
Регулировка осуществляется за счёт выдвижения патрубка дымовых газов к (или от) зоны сверхвысоких температур.
Заявленный способ детонационно-вихревого дожига дымовых газов промышленного производства представляет собой технологически обоснованное, энергоэффективное и инновационное решение задачи комплексной утилизации остаточных горючих компонентов и токсичных веществ, содержащихся в отходящих газах различных промышленных процессов (энергетика, металлургия, химическое и нефтехимическое производство и др.).
Ключевая особенность метода заключается в использовании явления центростремительной вихревой имплозии – фокусированного сжатия фронтов детонационного горения, создающего в центральной аксиальной зоне устойчивую область сверхвысоких температур (более 2000–3000 C).
Не имеет высокотемператкрного контакта с конструкционными элементами, минимизируя тепловые потери и риски теплового разрушения камеры;
Обеспечивает сверхбыстрое термическое воздействие (в микросекундном диапазоне) на проходящие через неё дымовые газы с полным разрушением молекул СО, СН, NOx, остатков органики, сажи и других вредных компонентов;
Является автогенератором тепла – детонационные горелки не требуют подачи внешнего тепла в зону дожига;
За счёт вихревого эффекта усиливается «всасывающее» действие на поток, что позволяет использовать установку без дополнительного нагнетательного оборудования (естественная или индукционная тяга).
Преимущества и технологические особенности заявленного способа:
1. Высокая температура и давление в центральной вихревой зоне обеспечивают почти мгновенное термическое окисление (или разложение) остатков горючих и токсичных веществ, содержащихся в дымовых газах.
2. Центростремительное сжатие (имплозия) фронтов горения позволяет эффективно фокусировать тепловую энергию в объёме, исключая износ и перегрев корпуса установки.
3. Возможность регулировки времени теплообмена (выдержки) за счёт выдвижного патрубка подачи дымовых газов позволяет настраивать процесс дожига под конкретные условия различных предприятий (по вязкости, плотности, химическому составу отходящих газов).
4. Модульное исполнение конструкции – возможность установки различных по числу и мощности детонационно-вихревых горелок – позволяет адаптировать установку под параметры любого источника выбросов (ТЭС, металлургический цех, печь, установка газификации).
5. Низкий уровень остаточных выбросов – выходящий из зоны дожига газ может быть практически инертным (состоящий преимущественно из CO2, H2O и N₂), что обеспечивает соответствие требованиям по охране окружающей среды и жёстким пиковым нормативам по выбросам.
6. Принципиальная энергоэффективность – благодаря горению внутри детонационных фронтов и отсутствии тепловых потерь установка потенциально превосходит по КПД классические методы дожига и каталитического доокисления.
Возможные направления применения:
– Снижение выбросов ТЭС и котельных, особенно при сжигании низкокалорийных топлив (бурый уголь, мазут, пылевидное топливо);
– Термохимическая доочистка выбросов с органическими, цементными, нефтехимическими, креозотовыми и полимерными загрязнителями;
– Предварительная термохимическая подготовка газов перед их подачей в каталитические блоки, что позволяет снизить нагрузку на катализаторы и повысить их срок службы;
– Утилизация продуктов пиролиза и газификации в установках переработки ТБО и промышленных отходов;
– Адаптация под дожиг летучих органических соединений и газов, выделяющихся при переработке биомассы и органических производств.
Заключение
Ключевая особенность метода заключается в использовании явления центростремительной вихревой имплозии – фокусированного сжатия фронтов детонационного горения, создающего в центральной аксиальной зоне устойчивую область сверхвысоких температур (более 2000–3000 C).
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. Энергетика
2.1. Вихревой двигатель
Предлагается воздушный тороидально-вихревой массодинамический источник вращательного движения ротора (вихревой двигатель), работающий за счёт дополнительного нагрева внутренней вихревой тороидальной структуры, или без дополнительного нагрева за счёт превышения скорости вращения ротора выше критической.
Принцип работы основан на том, что термомеханическим способом специальными завихрителями создаётся воздушная вихревая трёхмерная тороидальная структура в виде само выворачивающегося бублика по аналогии с природным смерчем, торнадо, с одновременным разделением как по направлению, так и по температуре на внутренний восходящий, наружный нисходящий в вертикальной плоскости и внутренний с наружным торовый в горизонтальной плоскости спиральные вихревые потоки, которые в рабочем режиме взаимодействуют с самими завихрителями и приводят их в принудительное вращение с дальнейшим отбором мощности.
Работает воздушный массодинамический генератор, увеличивающий кинетическую энергию воздушного потока за счет его тепловой энергии, вследствие действия массодинамисеских сил.
В конструктивном плане заявленный двигатель представлен на рис. № 12.
Рис. № 12. Вихревой двигатель.
Вихревая тороидальная структура по типу само выворачивающегося бублика формируется с помощью двух приводных вращающихся лопастных конструкций логарифмической формы 5, 13, размещённых на вращающемся общем горизонтальном приводном валу 12. Привод осуществляется от двигателя 15.
Сами отдельные закрученные воздушные течения формируются с помощью множества отдельных ленточных завихрителей с трапециевидной канавкой без корпуса 4. Каждый ленточный завихритель 4 при своём движении формирует за собой отдельно вращающееся воздушное течение. Все индивидуальные ленточные бес корпусные завихрители размещены симметрично и последовательно по всей длине 2-х логарифмических спиралей под небольшим наклоном по ходу вихревого спирального торового потока.
Принудительное вращение двух блоков завихрителей 5, 13 вокруг собственной оси в вертикальной плоскости с одновременным их вращением по кругу в горизонтальной плоскости формирует при своём двухмерном вращении тороидальный воздушный вихрь по форме само выворачивающегося бублика, который состоит из множества отдельных воздушных вращающихся течений по логарифмической спирали вдоль всего объёма тороидального вихря. Каждый оборот двумерного вращения одного блока завихрителя 5 или 13 при прохождении раз за разом через сформированную вторым блоком трёхмерную вихревую воздушную структуру не подавляет её из-за турбулизации среды, а наоборот поддерживает её и усиливает.
Такая организация спирального вихревого движения совместно с установкой терморазделительных диффузоров 2, 8, 11 обеспечивает формирование воздушных потоков четырёх направлений с терморазделением на:
А) Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток с повышенной температурой 16,15.
Б) Горизонтальный торовый вихревой противоток с пониженной температурой 14.
В) Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток с повышенной температурой 3, 20.
Г) Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток с пониженной температурой 17.
При этом терморазделение и разделение по направлениюпотоков в вихревой структуре аппарата обеспечивается за счёт:
1. Установки двух терморазделительных диффузоров 8, 11 (по типу терморазделительного диффузора прямоточной трубки Ранка) на общем приводном горизонтальном валу 12 двух блоков завихрителей 5, 13, за счёт которых внутренний вихревой поток отражается от диффузора. Вследствие того, что поток уже имеет организованную турбулизацию (закручивание теплового движения молекул газа массодинамическим полем периферийного вихря), то отраженные от диффузоров 8, 11 потоки также является закрученными. Направление вращения отраженных потоков остается прежним, но поскольку направление их осевого движения меняется на противоположное периферийному вихрю 16,15, то направление вращение осевого вихря так же является противоположным ему. Образуется известный горизонтальный внутренний осевой холодный противоток 14.
2 Установки внизу не вращающегося терморазделительного диффузора 2 (по типу терморазделительного диффузора противоточной трубки Ранка), за счёт которого внутренний вихревой поток отражается от диффузора. Вследствие того, что поток уже имеет организованную турбулизацию (закручивание теплового движения молекул газа массодинамическим полем периферийного вихря), то отраженный от диффузора поток также является закрученным. Направление вращения отраженного потока остается прежним, но поскольку направление его осевого движения меняется на противоположное периферийному вихрю 3, 20, то направление вращение осевого вихря так же является противоположным ему. Образуется известный внутренний вертикальный холодный осевой противоток 17.
В данном случае понижение температуры горизонтального внутреннего осевого противотока 14 приводит к повышению температуры периферийного горизонтального потока 15, 16. Сам периферийный горизонтальный поток 15, 16 одновременно формирует периферийный вертикальный поток 3, 20 и напрямую связан с терморазделением в вертикальной плоскости. Таким образом терморазделение в горизонтальной плоскости приводит как минимум к двукратному усилению эффекта терморазделения в вертикальной плоскости и значительному понижению температуры известного внутреннего вертикального холодного осевого противотока 17.
Основным условием усиления и поддержания вихря является высокая разность температур потоков. Дополнительный нагрев горизонтального торового вихревого противотока 14 приводит к дополнительному нагреву внешнего горизонтального торового вихревого потока 15,16, который напрямую связан с вертикальным внутренним и наружным кольцевыми вихревыми противотоками 3 и 17. Таким образом повышение температуры газовыми горелками 12, 19 горизонтального внутреннего торового вихревого потока 14 приводит к значительному повышению температуры внешнего горизонтального потока 15,16. Т.к. внешний горизонтальный торовый поток является образующим вертикальных потоков, то повышение его температуры за счёт терморазделения приводит к понижению температуры вертикального внутреннего кольцевого вихревого противотока 17 . Как следствие, происходит усиление и самогенерация вихревого, спирального, восходящего движения воздушного потока во внутренних слоях вихря. Работает воздушный массодинамический генератор, увеличивающий кинетическую энергию воздушного потока за счет его тепловой энергии, вследствие действия массодинамисеских сил.
После того, как будет сформирована первоначальная вихревая структура по типу природного смерча, торнадо – привод двух блоков ленточных завихрителей отключается. Это необходимо для целей самовращения блоков завихрителей уже от сформированной многомерной вихревой тороидальной структуры, повышения эффективности терморазделения и отбора мощности от общего приводного вала 1.
В этом случае источником энергии вихря выступает дополнительный нагрев внутреннего горизонтального потока двумя газовыми горелками 12, 19.
Эксперимент
Была собрана модель см. рис. № 13.
Рис. № 13. Модель вихревого двигателя / холодильника.
Модель тестировалась на проверку гипотез температурных изменений без дополнительного нагрева горизонтального торового вихревого потока, на которых основывается принцип работы вихревого двигателя:
– Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.
– Горизонтальный торовый вихревой противоток имеет пониженную температуру.
– Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.
– Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток имеет пониженную температуру.
Заключение
Резиномоторный привод обеспечил вращение ротора с максимальной частотой 1 об/сек. Большего значения получить не удалось. При такой скорости вращения ротора подтвердились все заявленные выше гипотезы на уровне изменений температур уровня +– 1 градус.
Основываясь на полученных предварительных данных эксперимента с упрощённой резиноимоторной моделью можно предположить следующее:
Полномасштабная модель двигателя при больших скоростях вращения ротора выведет градиент температур воздушных потоков на новый уровень.
С учётом дополнительного подвода тепла во внутреннюю вихревую тороидальную структуру – воздушный массодинамический генератор увеличит кинетическую энергию воздушного потока так. В этом случае вихревой генератор превратиться в вихревой двигатель для целей дальнейшего использования вращательного движения ротора.
Возможно, что при превышении скорости вращения ротора выше определённого значения появится некомпенсированная сила. Это означает, что температурные вихревые потоки, взаимодействуя с самим завихрителем будут приводить его во вращение без дополнительного подвода тепла.
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]
2.2. Вихревой охладитель воздуха
Принцип работы основан на том, что термомеханическим способом специальными завихрителями создаётся воздушная вихревая трёхмерная тороидальная структура в виде само выворачивающегося бублика по аналогии с природным смерчем, торнадо, с одновременным разделением как по направлению, так и по температуре на внутренний восходящий, наружный нисходящий в вертикальной плоскости и внутренний с наружным торовым в горизонтальной плоскости спиральные вихревые потоки, из которых для целей охлаждения используется внутренний восходящий в вертикальной плоскости холодный вихревой воздушный поток.
В конструктивном плане заявленный охладитель представлен на рис. № 2.1.
Рис. № 14. Вихревой охладитель воздуха.
Вихревая тороидальная структура по типу само выворачивающегося бублика формируется с помощью двух приводных вращающихся лопастных конструкций логарифмической формы 5, 13, размещённых на вращающемся общем горизонтальном приводном валу 12. Привод осуществляется от двигателя 15.
Сами отдельные закрученные воздушные течения формируются с помощью множества отдельных ленточных завихрителей с трапециевидной канавкой без корпуса 4. Каждый ленточный завихритель 4 при своём движении формирует за собой отдельно вращающееся воздушное течение. Все индивидуальные ленточные бес корпусные завихрители размещены симметрично и последовательно по всей длине 2-х логарифмических спиралей под небольшим наклоном по ходу вихревого спирального торового потока.
Принудительное вращение двух блоков завихрителей 5, 13 вокруг собственной оси в вертикальной плоскости с одновременным их вращением по кругу в горизонтальной плоскости формирует при своём двухмерном вращении тороидальный воздушный вихрь по форме само выворачивающегося бублика, который состоит из множества отдельных воздушных вращающихся течений по логарифмической спирали вдоль всего объёма тороидального вихря. Каждый оборот двумерного вращения одного блока завихрителя 5 или 13 при прохождении раз за разом через сформированную вторым блоком трёхмерную вихревую воздушную структуру не подавляет её из-за турбулизации среды, а наоборот поддерживает её и усиливает.
Организация спирального вихревого движения совместно с установкой терморазделительных диффузоров 2, 8, 11 обеспечивает формирование воздушных потоков четырёх направлений с терморазделением на:
А) Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток с повышенной температурой 16,15.
Б) Горизонтальный торовый вихревой противоток с пониженной температурой 14.
С) Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток с повышенной температурой 3, 20.
Д) Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток с пониженной температурой 17.
При этом терморазделение и разделение по направлению потоков в вихревой структуре аппарата обеспечивается за счёт:
1. Установки двух терморазделительных диффузоров 8, 11 (по типу терморазделительного диффузора прямоточной трубки Ранка) на общем приводном горизонтальном валу 12 двух блоков завихрителей 5, 13, за счёт которых внутренний вихревой поток отражается от диффузора. Вследствие того, что поток уже имеет организованную турбулизацию (закручивание теплового движения молекул газа масс динамическим полем периферийного вихря), то отраженные от диффузоров 8, 11 потоки также является закрученными. Направление вращения отраженных потоков остается прежним, но поскольку направление их осевого движения меняется на противоположное периферийному вихрю 16,15, то направление вращение осевого вихря так же является противоположным ему. Образуется известный горизонтальный внутренний осевой холодный противоток 14.
2 Установки внизу не вращающегося терморазделительного диффузора 2 (по типу терморазделительного диффузора противоточной трубки Ранка), за счёт которого внутренний вихревой поток отражается от диффузора. Вследствие того, что поток уже имеет организованную турбулизацию (закручивание теплового движения молекул газа масс динамическим полем периферийного вихря), то отраженный от диффузора поток также является закрученным. Направление вращения отраженного потока остается прежним, но поскольку направление его осевого движения меняется на противоположное периферийному вихрю 3, 20, то направление вращение осевого вихря так же является противоположным ему. Образуется известный внутренний вертикальный холодный осевой противоток 17.
В данном случае понижение температуры горизонтального внутреннего осевого противотока 14 приводит к повышению температуры периферийного горизонтального потока 15, 16. Сам периферийный горизонтальный поток 15, 16 одновременно формирует периферийный вертикальный поток 3, 20 и напрямую связан с терморазделением в вертикальной плоскости. Таким образом терморазделение в горизонтальной плоскости приводит как минимум к двукратному усилению эффекта терморазделения в вертикальной плоскости и значительному понижению температуры известного внутреннего вертикального холодного осевого противотока 17, который используется для целей охлаждения.
Источником энергии в сформированной вихревой структуры в данном случае выступает приводной двигатель 15.
Для целей охлаждения в данном случае объёма 16 используется внутренний вертикальный холодный поток 17.
Эксперимент
Была собрана модель см. рис. № 15.
Рис. № 15. Модель вихревого двигателя / холодильника.
Модель тестировалась на проверку гипотез температурных изменений, на которых базировался принцип работы вихревого холодильника:
– Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.
– Горизонтальный торовый вихревой противоток имеет пониженную температуру.
– Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.
– Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток имеет пониженную температуру.
Заключение
Резиномоторный привод обеспечил вращение ротора с максимальной частотой 1 об/сек. Большего значения получить не удалось. При такой скорости вращения ротора подтвердились все заявленные выше гипотезы на уровне изменений температур уровня +– 1 градус.
Основываясь на полученных предварительных данных эксперимента с упрощённой резиноимоторной моделью можно предположить следующее:
Полномасштабная модель двигателя при достижении скорости вращения ротора определённого значения способна вывести градиенты температур воздушных потоков на новый уровень.
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]
2.3. Вихревой турбо-компрессионный холодильник
Настоящее изобретение относится к теплотехнике, в частности к вихревым турбо компрессионным системам с реверсивным циклом для нагрева или охлаждения, работающим на принципе нагрева или охлаждения любого теплоносителя – жидкости или газа за счет происходящих в них вихревых процессов.
Гипотеза
Объединение двух процессов нагнетания и энерго разделения теплоносителя в один процесс позволит значительно повысить КПД термопреобразования на примере охлаждения.
Техническим результатом является создание принципиально нового вихревого турбо компрессионного термопреобразователя (холодильника) с большим КПД.
Вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь содержит два нагнетателя-энерго разделителя, каждый с установленными внутри двумя осевыми турбинами с полыми втулками по центру, которые вращаются вокруг общей оси в противоположных направлениях. Вращающиеся нагнетатели-энерго разделители по краям входят в стационарно закреплённые теплообменники, которые в зависимости от направления вращения системы используются в качестве источника тепла или холода.
Пневмо-гидравлическая связь двух рабочих полостей вихревого турбо генератора тепла / холода с внешней средой отбора тепла осуществляется через щель посредине между двумя вращающимися в противоположных направлениях нагнетателях-энерго разделителях, и через два заборника энергоносителя между теплообменниками и нагнетателями-энерго разделителями по бокам. Вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь может быть использован в качестве источника тепла или холода для различных целей.
Из существующего уровня техники известен вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша) – эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре – закрученный охлажденный поток. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20х годов при измерении температуры в промышленном циклоне. Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы. В настоящее время реализован огромное количество аппаратов, в которых используется вихревой эффект.
