Сборник авторских физико-технических идей и решений в области процессов смешивания и измельчения в технических системах

Владимир Хаустов

Сборник авторских физико-технических идей и решений в области процессов смешивания и измельчения в технических системах

Введение

Что, если эффективное измельчение вещества не требует зубастых лопастей, тысяч оборотов в минуту и энергетических жертв? Что, если идеальный миксер будущего не шумит, не крошит, а буквально «разговаривает» с веществом языком вихрей, ритма и геометрии?

Перед вами – сборник технических идей, рождённых не на конвейере, а в области, где физика встречается с инженерной интуицией. Здесь собраны авторские подходы к задачам смешивания и измельчения, в которых ключевую роль играют не столько материалы и механика, сколько поля, формы и структуры движения. Вы узнаете, как можно заставить смесь «перемешиваться сама», загнав её в управляемый вихрь, как создать иллюзию сверхскоростного потока без разгона частиц, и как колебания, детонации и фазовые сдвиги становятся рабочими инструментами в системах нового типа.

Мы не предлагаем готовые промышленные установки – мы предлагаем другое. Этот сборник – приглашение поразмышлять, как можно превратить простую жидкость или смесь в лабораторию физических эффектов, как с помощью формы, резонанса и тонкой настройки добиться того, что раньше требовало тяжёлых механических решений.

Если вы инженер, исследователь, изобретатель или просто человек, у которого отвертка лежит рядом с блокнотом – добро пожаловать. Вращаем, вибрируем, детонируем – но по-научному.

1. Способ ультратонкого жидкостного диспергирования любых веществ

Если вы когда-либо пытались смешать масло и воду, вы сталкивались с классической проблемой: некоторые вещества не желают равномерно смешиваться. Решить эту задачу можно с помощью процесса диспергирования – дробления одного вещества на мельчайшие частицы в объёме другого. Это позволяет получать эмульсии, суспензии и прочие формы неоднородных, но удивительно стабильных смесей, которые находят применение от косметологии до энергетики.

Но что делать изобретателю, исследователю или инженеру в полевых условиях, где нет доступа к промышленным мельницам, сверхмощным ультразвуковым эмульгаторам или лабораторным миксером стоимостью с подержанный автомобиль?

Ответом может стать необычный, но удивительно эффективный вихревой способ диспергирования на основе тороидального вращения – процесс, где геометрия, гидродинамика и немного инженерного гения заставляют частицы материала буквально «стираться» в ультрадисперсный порошок.

Что такое диспергирование – просто о сложном

Диспергирование (от лат. dispersio – рассеяние) – это механическое или физико-химическое дробление вещества на мельчайшие частицы (чаще всего в жидкости) до такой степени, что оно уже не растворяется, но и не выпадает осадком. Частицы настолько малы, что "всплывают" среди молекул вещества-носителя, создавая оптически однородную, но физически необычную среду.

Приемы ультрадиспергирования применяются, например, в топливной промышленности – чтобы соединить угольную пыль с водой в эффективное и экономичное жидкое топливо.

Уникальный подход: тороидально-вихревой метод

Представьте себе вихрь, закрученный не как в воронке, а в замкнутой петле – подобной бублику или тору. Такой вихрь непросто визуализировать, но именно в нём и происходит ультратонкое перемешивание и истирание частиц водо-угольной суспензии – смеси каменного или бурого угля с водой.

Внутри такой "вихревой бубликовой камеры" формируются два основных закрученных потока:

1. Центральный нисходящий многомерный поток – он сжимается к оси тора и ускоряется.

2. Наружный восходящий поток – он более разреженный и медленный в сравнении с центральным.

За счёт постоянной смены направления, скорости и формы этих потоков, создаётся мощное динамическое напряжение между частицами в жидкости. Углеродистые включения сталкиваются с потоками с невероятной скоростью, истираются, дробятся и равномерно смешиваются с водой. Частицы превращаются в ультрадисперсную массу размером менее 50 микрометров – практически пыль.

Как это работает технически?

Техническое устройство для такого метода напоминает обычную турбинную мешалку – за исключением того, что вместо привычного винта используется инновационный компонент: ленточный многомерный кольцевой горизонтальный вихреобразователь.

Этот элемент можно представить, как спираль из ленты, закрученной в виде кольца. Каждый виток такой ленты – как отдельная струя, закручивающая жидкость по своему пути. При вращении он задаёт множественные независимые вихри, которые вплетаются в общий тороидальный поток. Таким образом, вместо одного центрального вихря образуется целая система вихревых мини-струй в общем спиралеобразном вращении.

Рис. № 1. Ленточный многомерный кольцевой горизонтальный завихритель.

Ленточный кольцевой завихритель формирует серию отдельных закрученных потоков, которые сливаются в устойчивую многомерную тороидальную систему вращения.

Преимущества и физическая магия

В чём же сила такого подхода? Всё дело в законах гидродинамики. По мере того как поток жидкости с закрученными микро вихрями сжимается вдоль центральной оси тора, радиус вращения уменьшается, а скорость возрастает – как у фигуриста, прижимающего руки к телу во время вращения. Растущие вращательные скорости создают огромное тангенциальное напряжение, которое и приводит к истиранию, перемалыванию, диспергированию.

Элемент неожиданности в том, что никакие острые лопасти, абразивные частицы или сверхвысокие давления в устройстве использовать не нужно. Всё происходит "по науке": геометрия + центростремительная сила + многомерная струйная динамика.

Выводы: скромный вихрь – мощный результат

– Ультратонкое (меньше 50 микрон) диспергирование происходит не из-за механических лопастей, а благодаря организованному, ускоряющемуся вихревому движению жидкости.

– Один процесс объединяет сразу несколько стадий: измельчение, смешивание, эмульгирование и гомогенизацию угольной или иной суспензии.

– Производительность устройства можно регулировать за счёт конструкции завихрителя: количество витков, форма ленты, скорость вращения.

– Способ прекрасно подходит для реализации в условиях НИОКР и даже «гаражного прототипирования», требуя минимум компонентов и максимальную эффективность.

– Диспергатор можно масштабировать: от маленькой лабораторной установки до полу индустриальной системы.

Рис. № 2. Визуализация тороидально-вихревого многомерного потока жидкости.

Заключение

Тороидально-вихревой способ диспергирования – это красочный пример того, как можно использовать физику потока для решения задач, которые раньше требовали сложных технических решений. Он показывает, что с правильной геометрией и пониманием природы вращательного движения можно достигать выдающихся результатов – быстро, точно и без дорогостоящего оборудования.

Заключение

Настоящий сборник представляет совокупность исследовательских работ, объединяющих разнообразные инженерно-технические решения и концептуальные подходы в области управления жидкими средами. Каждая работа направлена на выявление новых тенденций и перспективных направлений, способствующих улучшению эксплуатационных характеристик оборудования, повышению энергоэффективности и снижению издержек в процессах, связанных с обработкой и транспортом жидкостей.

Исследованы ключевые аспекты организации потоков жидкости, рассмотрены методы интенсификации процессов перемешивания, разделения и передачи тепловой энергии. Значительное внимание уделено физическим особенностям закрученных и вихревых потоков, выявлены условия возникновения необычных эффектов, которые могут служить базой для создания принципиально новых устройств и технологий.

Разработанные инженерные решения направлены на решение актуальных задач повышения пропускной способности трубопроводных систем, сокращения энергопотерь и оптимизации режимов работы оборудования. Данные исследования ориентированы на широкую область практического применения, включая сферу энергетики, строительства, химического производства, водоснабжения и охраны окружающей среды.

2. Вихревой способ механического перемешивания (смешивания) в многомерных закрученых течениях

Все существующие механические способы перемешивания ограничены тем, что используют один общий поток (одномерное течение) сред с тангенциальным, или радиальным, или осевым, или смешанным – спиральным или тороидальным и т.п. течением.

С точки зрения энергозатрат существующие способы смешивания / перемешивания примерно одинаковы. Для самого процесса смешивания / перемешивания равнозначно, каким способом будет формироваться поток.

Например, турбинная мешалка использует меньше времени на перемешивание, чем винтовая, но и потребляемая мощность у турбинной мешалки выше, чем у винтовой. В итоге по энергозатратам все механические способы смешивания / перемешивания примерно одинаковы. Выигрыш только в скорости самого процесса образования нового вещества при смешивании или доведения раствора до требуемой консистенции / однородности при перемешивании.

С другой стороны, можно и вручную проводить смешивание / перемешивание.

В любом случае, в пересчёте на энергозатраты – итог будет для всех способов перемешивания / смешивания примерно одинаков. Как было заявлено выше – связано это в первую очередь с тем, что все существующие способы смешивания / перемешивания основываются на формировании одномерного закрученного течения среды по спирали, при котором происходит вращение жидкости (газа) вокруг одной спиральной оси вращения.

Но кроме одномерного закрученного течения существуют и многомерные закрученные течения.

Условно многомерное закрученное течение – это течение, когда среда вращается вокруг двух и более параллельных осей, которые в свою очередь также вращаются вокруг общего центра вращения аксиально или радиально, или аксиально радиально.

Рис. № 3. Тороидально-вихревые закрученные течения.

Такой тип движения часто встречается в природе. Движение вращающихся планет, движение отдельных закрученных потоков воды или воздуха в смерчах, торнадо. В таких природных многомерных закрученных течениях проявляются интересные физические эффекты.

Если предположить, что многомерная форма движения по спирали идеально подходит, чтобы сохранять энергию, то применительно к теме публикации предлагается следующее.

Смешивание / перемешивание проводить в многомерных спиральных вихревых течениях по типу канатной свивки, в которых каждая жила каната представляет собой отдельный вихревой поток сред или одномерное течение.

Для этих целей предлагается использовать любой тип формирователя многомерного тороидально-вихревого закрученного течения.

Предполагается, что идея позволит увеличить крутку и циркуляцию потоков (эффективность процессов смешивания / перемешивания) при одновременном снижении энергопотребления.

Формирователь многомерного тороидально-вихревого закрученного течения

Для целей инновационного смешивания / перемешивания в жидкостном многомерном торовом закрученном течении используются два новых вида механических завихрителей многомерного тороидально-вихревого закрученного течения:

А) Ленточные спиральные завихрители, см. рис. № 4.

Рис. № 4. Ленточные многомерные завихрители.

Б). Система гребенчатых завихрителей, см. рис. № 5.

Рис. № 5. Гребенчатые многомерные завихрители.

Каждый тип идеально подходит для операций смешивания или перемешивания определённого типа жидкостей, различающихся физическими и химическими характеристиками. Должен быть уточнён проведением дополнительных ОКР.

Эксперимент

Для проверки идеи механического смешивания / перемешивания в многомерном торовом закрученном течении были проведены эксперименты с различными типами формирователей многомерных закрученных течений по спирали.

Все завихрители имели одну скорость вращения (максимальная скорость вращения сверлильного станка 1500 об/мин.

Тестируемые среды – вода.

Объёмы тестируемых сред – 5 литров.

Диагностическим маркером эффективности выступали:

Потребляемый ток привода формирователя многомерного закрученного о течения по спирали (электродрель).

Визуализация вихревых процессов, одновременно протекающие в исследуемых и эталонных образцах.