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. № 2.1. 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.
Такого рода оптимальность подсказывается (Т.Е.Фабер. Гидроаэродинамика. М., Постмаркет, 2001. — 560 с.) природой (ячейки Бенара).
Организация спирального вихревого движения совместно с установкой терморазделительных диффузоров 2, 8, 11 обеспечивает формирование воздушных потоков четырёх направлений с терморазделением на:
- Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток с повышенной температурой 16,15.
- Горизонтальный торовый вихревой противоток с пониженной температурой 14.
- Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток с повышенной температурой 3, 20.
- Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток с пониженной температурой 17.
При этом терморазделение и разделение по направлению потоков в вихревой структуре аппарата обеспечивается за счёт:
- 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.
- 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.
Таким образом сформированная тороидальная вихревая структура с одновременным разделением потоков по направлению и температуре является сферическим тороидальным вихрем Хилла (Моффат, Кит (2008). «Vortex Dynamics: Наследие Гельмгольца и Кельвина». IUTAM симпозиум по гамильтоновой динамике вихревых структур, турбулентность 6: 1—10. DOI:10.1007/978-1-4020-6744-0_1.), в котором проявляется эффект терморазделения между внутренним восходящим, наружным нисходящим в вертикальной плоскости, внутренним и наружным торовым в горизонтальной плоскости спиральными вихревыми потоками, дальнейшее развитие которых реализовано в вихревых терморазделительных трубках Ранка (Вихревой эффект и его применение в технике. Меркулов А.П. – М.: Машиностроение, 1969 год – 185 с).
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.
Были проведены ОКР, подтверждающие идею, см. рис. № 2.2.
Рис. № 2.2. Тестирование многомерного завихрителя