Предположение по задаче № 20 с краудсорсинговой площадки изобретателей по поиску новых способов увеличения ходимости шин от 07.04.2024 года.

Предположение относится к обычной езде по дорожному полотну на разных скоростях и не применима к экстремальному вождению с дрифтом и пробуксовками.

ПРЕДПОЛОЖЕНИЕ

Спутный тангенциальный поток частиц песка, крошки и т.п. дорожного полотна, который формирует шина при контакте с дорожным полотном является источником естественного износа шины. Или можно сказать по другому – тангенциальное трение шины частицами песка, крошки и т.п. дорожного полотна при формировании спутного потока из под шины является источником естественного износа шины. 

Понимается, что за формирование спутного тангенциального потока частиц песка, крошки и т.п. с дорожного полотна  отвечает центробежная сила и  сила адгезии.

        В сухую погоду место контакта  шины с дорожным полотном фактически собирает адгезией (сцеплением поверхностей разнородных твёрдых тел и поверхности шины ) частицы песка, крошки и т.п. до точки А0, см. рис. № 1.

Затем частицы песка, крошки и т.п. с дорожного полотна на расстоянии от  А0 до А1, см. рис. № 1 ускоряются в радиальном направлении (от оси вращения колеса) до тех пор, пока адгезия не перестанет удерживать их на шине.

Предположение строится на том, что всё интересное по истиранию шины  проходит на участке  от  А0 до А1, рис. № 1.

На участке от А0 до А1  происходит небольшое трение частиц песка, крошки и т.п. по поверхности шины прежде, чем они разлетятся под небольшим углом к касательной. Происходит очень медленный, но постоянный процесс сухого истирания поверхности шины частицами песка, крошки и т.п. дорожного полотна.

В точке А1, см. рис. № 1 происходит разрыв адгезионного соединения частиц и шины с  полным отрывом частицы от шины.

Именно на это небольшое трение частиц песка, крошки и т.п. дорожного полотна на участке от А0 до А1  о шину предлагается обратить внимание, как на дополнительный новый – старый источник естественного износа шины, который раньше не принимался во внимание.

ВАРИАНТ РЕШЕНИЯ

Предлагается разделять место на шине, где происходит начало разрыва адгезионного соединения частиц дорожного полотна.  Такое решение позволит отклонять частицы дорожного полотна с поверхности шины в радиальном направлении перед их отрывом.

Технически это может  быть реализовано мощной плоской воздушной струёй воздушного ножа, направленной в противоток спутному потоку и с небольшим углом к нему, см. рис. № 1.

Небольшое угловое размещение плоского воздушного потока в противоток спутному потоку  призвано обеспечить близкое к радиальному отделение частицы дорожного полотна с поверхности шины.

Рис. № 1. Воздушный нож спутного потока.

Где:

A0 – место начала разрыва адгезионного соединения частиц дорожного полотна.

A1 – место полного разрыва адгезионного соединения частиц дорожного полотна.

А1-А0 – расстояние истирания поверхности шины частицами дорожного полотна.

Близкое к радиальному отделение частицы дорожного полотна с поверхности шины устраняет трение по поверхности шины прежде, чем они разлетятся под небольшим углом к касательной.

Таким образом, поток сжатого воздуха из воздушного ножа с подветренной стороны шины  в место контакта шины с полотном способен если не устранить, то значительно уменьшить естественный износ шины, вызванный спутным потоком частиц песка, крошки и т.п. с дорожного полотна.

Дополнительно, воздушный нож обеспечивает отвод тепла непосредственно с места окончания пятна контакта шины с дорожным полотном. 

Известно, что в месте пятна контакта шины с дорожным полотном при движении возникает деформация. Часть энергии деформации преобразуется в теплоту и приводит к нагреву шину.   Считается, что искусственно охлаждать место пятна контакта шины с дорожным полотном не возможно.  Если не возможно отводить тепло  от места пятна контакта шины с дорожным полотном, то самым оптимальным является отвод тепла непосредственно с места окончания пятна контакта шины с дорожным полотном. В этом случае естественный способ охлаждения набегающим потоком воздуха не подходит. Препятствуют этому  завихрения, которые сопровождают колесо с подветренной стороны.

ВЫВОД

1. Воздушный нож, установленный с подветренной стороны   шины способен увеличить ходимость шины транспортного средства за счёт:

– уменьшения (исключения) трения частиц песка, крошки и т.п. спутного следа  по поверхности шины на участке от А0 до А1, рис. № 1, прежде, чем произойдёт адгезионный разрыв.

– отвода тепла непосредственно с места окончания пятна контакта шины с дорожным полотном начиная с точки А0 рис. № 1. Что  раньше было не возможно организовать даже естественным путём из-за наличия завихрений с подветренной стороны шины.

2. Необходимо в автоматическом режиме постоянно отслеживать  местоположение точки А0 и рассчитывать местоположение точки А1  в зависимости от скорости движения и типа дорожного полотна. На основании расчётных данных необходимо  управлять изменением угла установки воздушного ножа и скоростью воздушного потока для заявленных целей. Связано это с тем, что точка А1 спутного потока без воздушного ножа постоянно меняется и зависит от скорости движения и среднего размера свободных частиц на дорожном полотне, т.е. от типа дорожного полотна.

Задача № 20

Дата публикации: 07.04.2024 года

Задача от:  Евгения

Изобретатели, предложите новые технические способы уменьшения износа шин автомобилей и спец. техники.

Новые конструкции шин или новую “одежду” для шин НЕ предлагайте. Этим ежедневно занимаются лучшие умы производителей. А на местах – эксплуатанты.

Нужны новые способы внешнего воздействия на сцепление шин.

Как в презентации вашей краудсорсинговой площадки заявлено – важна любая идея, записанная даже на клочке бумаги.

А дальше мы уже сами.

Спасибо.

Известны два метода получения инверсной населенности:
быстрое расширение газа в сопле (колебательная температура газа больше температуры активных степеней свободы Т^> Т) и быстрый нагрев газа (например, в ударной волне), когда Т~> Т ^. Обращается внимание на то, что при сверх быстрого изменения температуры системы в силу различия времен релаксации для разных энергетических уровней в процессе установления термодинамического равновесия для некоторых пар энергетических уровней возникает состояние с отрицательной температурой. Возникает инверсия населённостей. Дальнейший самопроизвольный переход системы в нормальное состояние сопровождается излучением фотонов стохастически (не упорядочено).
Предлагается вариант конструктивного исполнения первого
метода (быстрое расширение газа в сопле) для получения инверсной
населенности.
Предлагается сменная насадка на ствол стрелкового оружия,
позволяющая преобразовать энергию пороховых газов холостого
патрона в инфракрасное лазерное излучение с длиной волны от 9,4 до
10,6 мкм .
О газодинамических лазерах:
Известно, что в случае быстрого понижения или резкого
повышения поступательной температуры газа, состоящего из много
атомных молекул (например, в ударных волнах), из-за разной скорости
колебательно-колебательного и колебательно-поступательного
обмена для различных компонентов смеси между некоторыми
квантовыми уровнями может возникнуть инверсная населённости.
26
Рассмотрим классический газодинамический лазер. В
газодинамических лазерах используется тепловая накачка. Если
нагретый газ быстро охладить, например, путем адиабатического
расширения, то населенность отдельных уровней не успевает быстро
установиться в соответствии с новой температурой. Такие уровни
называют «замороженными». Между «замороженными» и
нижележащими уровнями возникает на некоторое время инверсия
населенности.
Один из вариантов реализации данного способа заключается в
пропускании нагретого газа через сопло Лаваля со сверхзвуковой
скоростью (рис. 1). Углекислый газ, полученный в результате сжигания
топлива в камере сгорания, смешивается с азотом и водяным паром в
соотношении 7,5 : 91,7 : 1,2.
В результате образуется высокотемпературная газовая смесь
(Т1=14000 К), которая под высоким давлением со сверхзвуковой
скоростью (U= 4 М) проходит через сверхзвуковое сопло.
За соплом происходит быстрое расширение газовой смеси,
сопровождающееся его охлаждением (до Т2=3000
К). В силу
относительно большего времени жизни верхнего энергетического
уровня молекул СО2 и малого времени прохождения газа через сопло
населенность этого уровня сохраняется на значительных (до 1 м в
крупных лазерных установках) расстояниях от сопла.
Время жизни нижнего энергетического уровня значительно
меньше и его населенность быстро падает, и практически исчезает уже
на расстоянии 3 см от сопла. Это приводит к тому, что инверсия
населенности возникает уже на расстоянии 1 см от сопла и сохраняется
по направлению потока газа на протяженности свыше 1 м
Для получения стимулированного излучения в области, где
существует инверсионная населенность, устанавливаются зеркала
резонатора, ось которых перпендикулярна потоку газа.
В лазерных устройствах широко используются оптические
резонаторы, состоящие чаще всего из двух плоскопараллельных или
сферических зеркал. Оптические резонаторы обеспечивают
необходимую для лазерной генерации положительную обратную связь
и позволяют повысить плотность мощности светового поля до уровня,
при котором происходит эффективный съем энергии с активной
лазерной среды.
27
В газовой смеси, состоящей из 10% СО2 и 90% N2 при Т=14000 К
удельная мощность излучения составляет 40 кДж/кг. КПД
газодинамических ОКГ составляет 2-5% и увеличивается с ростом
температуры газовой смеси.
Энергетика пороховых газов:
В процессе выстрела штатного патрона образуются следующие
дымовые газы:
2KNC3 + 3C + S= N2 + 3CO2 +K2S.
Продукты сгорания пороха содержан необходимые элементы, как
азот и СО2 в возбуждённом состоянии.
Продукты сгорания имеют скорость истечения 1200-2000м/с.
Заявленные характеристики пороховых газов можно
использовать для создания активной среды газодинамического лазера.
Заключительным и необходимым элементом в создании
активной среды газодинамического лазера должны стать пары
воды для “подмораживания” СО2.
Осталось предложить резонатор, в котором истечение
пороховых газов используется на всей длине присутствия
инверсии населённости.
Резонатор:
Для заявленных целей предлагается использовать
принципиально новый псевдогиперболоидный резонатор.
Внешний вид псевдогиперболоидного резонатора заявлен на рис.
№ 1

Более подробная информация о новом резонаторе в форме
псевдогиперболоида представлена в публикации по следующей
ссылке – псевдогиперболоидный резонатор.
В конструктивном плане реализация газодинамической лазерной
насадки на основе псевдогиперболоида со сквозным полно проходным каналом для стрельбы штатным патроном заявлена на рис. № 2.

Рис. № 2. Газодинамическая лазерная насадка на основе
псевдогиперболоида.

Вывод:

Энергетика и состав истечения газов выстрела штатным патроном позволяет использовать их в качестве активной среды газодинамического лазера.

Сменная насадка – резонатор на основе псевдогиперболоида к стрелковому оружию позволит преобразовать энергию пороховых газов выстрела холостого патрона в инфракрасное лазерное излучение с длиной волны от 9,4 до 10,6 мкм.

Необходимым элементом в работе является ввод паров воды для “подмораживания” СО2.

Псевдогиперболоидный резонатор-насадка должен быть оборудован системой ввода паров воды в активную зону

Известно в геометрии:

Объединим две поверхности и получим новую поверхность вращения – псевдогиперболоид.

В псевдогиперболоиде проявляются интересные лучевые распространения, как синергия лучевых распространений одновременно в гиперболе и в сфере.

Новая поверхность вращения может быть использована для целей сбора, концентрирования и формирования узко направленного диаметрального потока электромагнитной энергии в СВЧ, ИК и видимом диапазонах частот.

Таким образом, псевдогиперболоидный резонатор / концентратор направленного излучения представляет собой разомкнутую псевдосферу, которая образована вращением разомкнутой трактрисы в виде усеченной гиперболы.

Разомкнутая трактриса псевдогиперболоидного резонатора / концентратора представляет собой усечению гиперболу, согласно рис. № 1.

Рис. № 1. Разомкнутая трактриса псевдогиперболоидного резонатора / концентратора.

Рассмотрим разомкнутую трактрису псевдогиперболоидного резонатора / концентратора на предмет лучевых распространений.

В идеальных условиях, согласно фокальному свойству гиперболы – луч, направленный на один из фокусов, отражается на второй фокус. Если продолжить этот луч дальше, то можно заметить, что он последовательно направляется к обоим фокусам. И в пределе, когда ветви гиперболы становятся прямыми (по оси фокусов) – попадает в ловушку. Произойдет концентрация лучей по оси фокусов гиперболы в идеальных условиях.

Изменим немного трактрису. Возьмём усечение одной ветви гиперболы чуть выше оси фокусов, а усечение другой ветви возьмём чуть ниже оси фокусов гиперболы.

В этом случае будет происходить не только концентрация лучей к оси фокусов гиперболы, но и узко направленное распространение по оси фокусов в одном направлении.

Теперь построим из указанной выше й трактрисы – псевдогиперболоидный резонатор / концентратор направленного излучения и рассмотрим его свойства. Полученный псевдогиперболоидный резонатор / концентратор будет концентрировать и направлять лучи уже не по одной оси фокусов гиперболы, а в диаметральной плоскости оси фокусов гиперболоида.

В зависимости от назначения, псевдогиперболоидный резонатор / концентратор направленного излучения может быть полно проходным или замкнутым для входного энергетического потока, см. рис. № 2.

Замкнутый тип. Полно проходной тип.

Рис. № 2. 3-D модели двух типов псевдогиперболоидных резонаторов / концентраторов.

По конструктивному исполнению каждый тип псевдогиперболоидного резонатора может быть изготовлен с разомкнутой или замкнутой псевдосферой в её диаметре, см. рис. № 3.

С разомкнутой псевдосферой С замкнутой псевдосферой

Рис. № 3. 3-D модели псевдогиперболоидных резонаторов с разомкнутой и замкнутой псевдосферой.

ВЫВОД

1. Предложенный псевдогиперболоидный резонатор / концентратор может быть использован для формирования мощного направленного излучения в виде тонкого диаметрального канала электромагнитного потока сверхвысоких частот, в том числе и до оптических.

2. Заявленный резонатор подходит для создания компактного СВЧ излучателя, принцип действия которого основан на резонансном усилении электромагнитного поля с последующим быстрым выводом энергии в виде мощного СВЧ энергетического потока. Для формирования узконаправленного диаметрального потока СВЧ энергии псевдогиперболоидный резонатор должен быть замкнутого типа, см. рис. № 4.

Рис. № 4. Лучевые распространения в сечении псевдогиперболоидного резонатора для СВЧ энергии.

3. Предложенный псевдогиперболоидный резонатор / концентратор может быть использован для формирования инфракрасного и видимого мощного потока энергии в газодинамической лазерной генерации. В этом случае псевдогиперболоидный резонатор должен быть полно проходного типа для газодинамического потока, см рис. № 5.

Рис. № 5. Лучевые распространения в сечении псевдогиперболоидного резонатора для ИК и видимого диапазонов частот газодинамической лазерной генерации.

     4. В заявленном резонаторе могут быть реализованы два метода получения инверсной населенности: быстрое расширение газа в сопле (колебательная температура газа больше температуры активных степеней свободы Т^> Т) и быстрый нагрев газа (например, в ударной волне), когда Т~> Т ^.

Задача № 19

Дата публикации: 02.03.2024 года

Задача от:  Илья

Требуются идеи в борьбе с беспилотниками в пределах прямой видимости на основе штатного оружия.

Например – принципиально новые дульные насадки для использования других физических принципов, таких как мазеры или более низкочастотные электромагнитные импульсы широкого фронта с высокой энергетикой и т.п.

Подчеркну – именно широкого фронта направленного мощного излучения, например, диаметром в 1 метр, способные сжечь любую электронику беспилотника на дальностях прямой видимости.

Идея предложена на основании запроса № 18 от 27.01.2023 года с краудсорсинговой площадки изобретателей – Способы восстановления металлов из руд.

Предлагается восстановление железной руды до железа проводить в капельном (1-5 мм) горении специально подготовленной топливно-металлургической водной суспензии. Сжигание топливно-металлургической водной суспензии должно проводиться в классической печи, которая переоборудована для работы на водо-угольном топливе.

Предлагается топливно-металлургическая водная суспензия, как смесь воды с порошком угля и реагентом (железная руда), средним фракционным составом 75-150 мкм.  

Ответ на вопрос, сколько железа восстановится за время окислительно-восстановительной реакции горения капли топливно-металлургической водной суспензии – может дать только эксперимент.

В этом случае теоретический расчёт скорости восстановления мельчайших частиц руды на основе известного ступенчатого механизма провести невозможно, т.к. не учитываются размеры и количество частиц руды в капле и т.п.  Например, ориентировочный вес одной частицы руды с содержанием 78% оксида железа размером 100 мкм составляет 0,005 мкг и содержит 0,002 мкг железа.

Размер и содержание частиц угля и руды в капле, средний размер капли и время горения в печи будут определять зольность топливно-металлургической водной суспензии, и как результат – выход “губчатого” железа.

Топливно-металлургическая водная суспензия напоминает водо-угольное топливо, только без реагента.  Имеет подобный механизм капельного горения.

Механизм капельного горения водо-угольного топлива в топке печи существенно отличается от горения классического жидкого, газообразного или пылевидного топлив.

Капельное горение водо-угольного топлива.

Известно, что водо-угольное топливо (ВУТ) представляет собой дисперсную смесь, состоящую из угля с размерами частиц 75-150 мкм. и воды.

Известно, что при сгорании капель водо-угольного топлива образуются полые сферические частицы более крупного размера, чем исходный фракционный состав водо-угольного топлива.

Известно, что каждая капля водо-угольного топлива в среднем содержит до 200 частичек угля. Практика показала, что при распылении водо-угольной суспензии формируются капли (сфера, эллипсоид и др.) 3-5 мм. При попадании каждой капли водо-угольного топлива в горячую печь сначала вода с поверхности капли мгновенно испаряется. В след за этим происходит испарение влаги внутри капли и одновременное воспламенение микрочастиц угля на поверхности капли.  Начинается горение наружных микрочастиц угля капли по следующим схемам:

C + O2 = CO2,

2C + O2 = 2CO,

C + CO2 = 2CO.

Одновременно с процессом воспламенения наружных микрочастиц угля капли проходит другой и самый интересный процесс, в том числе,  для заявленных целей восстановления металла из руды. Перегретый пар изнутри капли взаимодействует с углеродом по следующим схемам:

C + H2O → CO + H2,

H2O → H2 + O2.

Образуются восстановители (водород и углерод). Восстановители приводят к более экологическому горению водо-угольной смеси по сравнению с традиционными топливами. Восстановители удаляют почти все оксида азота и серы в уходящих газах за счёт протекания следующих реакций восстановления:

NOx + H2 (СО) → N2 + H2O (СО2),

SOx + H2 (СО) → S + H2O (СО2).

Таким образом, резкому уменьшению образования летучей золы, оксидов серы и азота, способствует классический процесс восстановления оксидов азота и серы водородом и углеродом.

На основании вышеизложенного можно предположить следующее:

ГИПОТЕЗА

Капельное горение топливно-металлургической водной суспензии как одновременный источник тепла и “губчатого” железа в одном технологическом процессе.

Капельное горение топливно-металлургической водной суспензии необходимо проводить в обыкновенной печи, которая переоборудована для работы на классическом водо-угольном топливе. Переоборудование печи заключается в простой замене форсунки, которая позволяет формировать воздушно-капельное облако с средним размером капель в 1-5 мм.

Топливно-металлургическая водная суспензия формируется из порошков угля и реагента – руды со средним фракционным составом 75-250 мкм.

В каждой капле топливно-металлургической водной суспензии в среднем содержится смесь из 100 частичек угля и 100 частичек руды.

При попадании капли топливно-металлургической водной суспензии в горячую печь – сначала мгновенно испаряется вода с поверхности капли. В след за этим происходит испарение влаги внутри капли с одновременным воспламенением внешних микрочастиц угля капли.  Перегретый пар внутри капли взаимодействует с углеродом капли, с образованием CO и H2 (восстановитель). Восстановитель, выходя из капли, взаимодействует с частицами руды внутри капли и восстанавливает их до железа, см. рис. № 1.

Этому способствует “лабиринтный” (более медленный) выход восстановителя c вовлечением в реакцию восстановления всех частиц руды.

Рис. № 1. Стадия горения частиц угля на поверхности “капли” с выходом летучих и восстановителей (CO и H2).

Необходим эксперимент, подтверждающий предложенную идею, т.к. теоретический расчёт скорости восстановления мельчайших частиц руды на основе известного ступенчатого механизма провести невозможно, т.к. не учитываются размеры и количество частиц руды в капле и т.п.

В этом случае должно быть выполнено условие по верхнему пределу температуры горения топливно-металлургической водной суспензии – не выше 1000 градусов. Необходимо предотвратить начало спекания частиц руды в капле.  Температура горения топливно-металлургической водной суспензии определяется процентным содержанием воды, и может соответствовать 850-900 градусов.

ВЫВОД:

1. Использование топливно-металлургической водной суспензии в классической печи, которая переоборудована для работы на водо-угольном топливе (оборудована распылителем под заявленный размер капель) – решает две задачи:

     – энергетическая – получение тепла для различных целей.

     – металлургическая – получение “губчатого” железа в зольном виде.

2. Ответ на вопрос, сколько железа восстановится за время окислительно-восстановительной реакции горения капли топливно-металлургической водной суспензии – может дать только эксперимент.

3. Теоретический расчёт скорости восстановления мельчайших частиц руды в этом случае, на основе известного ступенчатого механизма провести невозможно, т.к. не учитываются размеры и количество частиц руды в капле и т.п.

4. Предполагается, что простой эксперимент может подтвердить заявленную гипотезу. В этом случае, любая тепловая электростанция и ее разновидность – теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), при незначительных доработках – превратиться в тепло-электрометаллургический завод. Коксоаглодоменное производство, как основная экологическая нагрузка на природу уйдёт в историю. История технологий производства меди в доказательство сказанному.  В древности породу, обогащенную медью, перемешивали с углем и помещали в глиняный горшок. Далее массу в горшке поджигали. Выделяющийся угарный газ восстанавливал породу до меди. По аналогии, все в точности, как сейчас происходит в доменной печи. При этом, металлургия меди вышла на совершенно новый технологический тренд в виде пирометаллургии, гидрометаллургии и электролиза меди. А металлургия железа из прошлого, в виде коксоаглодоменного производства – осталась без изменения.

Задача № 18

Дата публикации: 27.01.2024 года

Задача от:  Ашот 

Необходимы новые идеи в области восстановления металлов из руд, минуя каксоаглодоменный передел. Интересны также, как Вам кажется – утопические, безумные, бредовые и т.п.

Ищем новые способы получения губчатого железа со степенью металлизации 90% и более.

Просим ранее опубликованные идеи и решения в этой области не предлагать.

Идея предложена на основании запроса № 17 от 21.01.2023 года с краудсорсинговой площадки изобретателей – Новые измельчители для приготовления водо-угольного топлива.

ВСТУПЛЕНИЕ

Известно, что водо-угольное топливо используется на теплогенерирующих объектах, как альтернатива природному газу и мазуту. Водо-угольное топливо имеет следующие усреднённые характеристики: состав — измельченный уголь (60÷70 %) + вода (30÷40 %). Средний размер частиц — 50÷70 мкм (до 120 мкм). Устойчивость — не менее 30 дней.

Известные способы приготовления водо-угольного топлива имеют множество отдельных технологических операций:

• предварительный этап – помол угля до фракции в 1 мм.
• основной этап – помол угля с фракции 1 мм. до фракции 100 мкм,  смешивание с водой,  доводка водо-угольной смеси к использованию различными способами (химическая, кавитационная обработка и т. п.).  

Известны проблемы использования водо-угольного топлива. Водо-угольное топливо напрямую конкурировать с мазутом может только ценой уменьшения фракционного состава углерода ниже среднего, уменьшением  % содержания воды или внесением изменений в конструкцию печи. С энергетической точки зрения это всё затратно. Простая замена мазута на водо-угольное топливо в действующей печи становится нерентабельной. Измельчение угля менее 50 мкм. представляет собой достаточно сложную технологическую задачу. Для достижения такого фракционного состава, например,  в традиционных шаровых барабанных мельницах в несколько раз увеличивают время диспергирования.

В любом случае, измельчение угля менее 50 мкм. известными способами, сопровождается заметным ростом затрат на его приготовление. И не всегда оправдывает себя. В таких условиях прямое конкурирование водо-угольного топлива, например, с мазутом не всегда возможно.

ПРЕДЛОЖЕНИЕ

Предлагается тороидально-вихревой способ ультратонкого  (менее 50 мкм.) диспергирования водо-угольного раствора для использования в качестве топлива.

Тороидально-вихревой способ объединяет процессы формирования и диспергирования водо-угольной смеси в готовый  энергоноситель для использования  на теплогенерирующих объектах.

Формирование водо-угольного топлива происходит в тороидально-вихревой мельнице из воды и порошка угля среднего фракционного состава  в 1 мм в соответствующей пропорции.

 Тороидально-вихревой способ основан на создании в замкнутом объёме U сечения многомерного закрученного течения водо-угольной суспензии по спирали в форме тора с достаточно упругим центральным нисходящим многомерным закрученным потоком и относительно разряжённым наружным восходящим многомерным закрученным потоком. Основной процесс истирания водо-угольной суспензии фракционного состава менее 50 мкм. происходит в  достаточно упругом центральном нисходящем многомерном закрученном потоке.

Многомерное закрученное течение водо-угольной суспензии по спирали в форме тора – это движение с вращением вокруг двух и более параллельных осей, которые в свою очередь также вращаются вокруг общего центра вращения аксиально или радиально или аксиально-радиально. Торовое многомерное закрученное течение представлено на рис. № 1. 

Рис. № 1. Торовое многомерное закрученное течение.

Сформированный торовый многомерный закрученный по спирали поток проявляет интересную особенность.

Сжимаясь к центру, происходит уменьшение диаметра вращения отдельных закрученных течений. Это приводит к увеличению вращательной скорости отдельных закрученных течений. Увеличение вращательных скоростей и уменьшение диаметра отдельных закрученных течений в приосевом части приводит к тому, что истирание частиц угля происходит по всему диаметру поверхности каждого отдельного закрученного потока.  

За счёт сжатия центрального нисходящего многомерного закрученного потока и увеличения вращательных скоростей отдельных течений в этом потоке –  происходит ультратонкое диспергирование менее 50 мкм.  водо-угольной суспензии до готового продукта.

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ

В конструктивном плане исполнение  тороидально-вихревого способа диспергирования водо-угольной смеси аналогично исполнению турбинной мешалки, за исключением самой турбинной мешалки. 

Формирование тороидально-вихревого многомерного закрученного течения обеспечивает инновационным ленточным многомерным кольцевым горизонтальным завихрителем, см. рис. № 2.

Рис. № 2. Ленточный многомерный кольцевой горизонтальный завихритель.

Экспериментальными работами подтверждено, что ленточный кольцевой многомерный завихритель формирует, при вращении в замкнутой полости, множество отдельных, не зависящих друг от друга закрученных потоков в общем торовом вращении по спирали, см. рис. № 3. Количество отдельных закрученных потоков соответствует количеству витков ленточного кольцевого завихрителя.

Визуализация  тороидально-вихревого многомерного потока жидкости представлена на рис. № 3.  

Рис. № 1. Визуализация  тороидально-вихревого многомерного потока жидкости.

ВЫВОД.

– Ультратонкое диспергирование уровня 50 мкм  и менее происходит за счёт сжатия центрального нисходящего многомерного закрученного потока и увеличения вращательных скоростей отдельных течений в этом потоке. Организация торового многомерного закрученного движения по спирали является основой способа.

– Способ позволяет отказаться от многих отдельных технологических процессов и  объединить помол угля с фракции в 1 мм, до 50 мкм. и менее, смешивание с водой, доводка водо-угольной смеси к использованию в один технологический процесс в тороидально-вихревой мельнице.

– Эффективность процесса истирания в многомерном закрученном течении пропорциональна уменьшению диаметра внутреннего нисходящего многомерного закрученного потока, по отношению к внешнему восходящему многомерному закрученному потоку.

– Эффективность процесса истирания в многомерном закрученном течении зависит от скорости вращения и количества  отдельных закрученных течений – конструктивного исполнения  ленточного многомерного кольцевого горизонтального завихрителя.

– Техническая реализация способа достаточна проста и повторима.

– В разделе сайта ВИХРИ ХАОСА “Закрученные течения перспективных исследований” предложено большое количество конструктивного исполнения различных формирователей многомерных закрученных течений по спирали. Такие формирователи  могут быть использованы  в качестве альтернативы заявленному выше ленточному многомерному кольцевому горизонтальному завихрителю, см. рис. № 2.

 – Задача с краудсорсинговой площадки № 17 по поиску новых идей ультратонкого диспергирования веществ позволила по-новому взглянуть на использование физических процессов, протекающих  в многомерных торовых закрученных течений для использования в различных технологических процессах, например – диспергирование, смешивание, перемешивание, техническая левитация, температурные эффекты и т.п.

Задача № 17

Дата публикации: 20.01.2024 года

Задача от:  Ашот

Работаем с тематикой простой замены мазута водо-угольным топливом на действующих печах. У нас, как и у всех практический результат упёрся в фракционный состав углерода. О проблемах испарения воды при розжиге и горении в печи говорить не будем.
Решение известно, водо-угольное топливо напрямую конкурировать с мазутом может, но только ценой уменьшения фракционного состава углерода ниже среднего (менее 30 мкм), уменьшением % воды или внесением изменений в конструкцию печи. С энергетической точки зрения эти мероприятия чересчур затратны.
Простая замена мазута на водо-угольное топливо на действующей печи становится просто нерентабельной.
Необходим новый взгляд на проблему.
В поиске более экономичных идей мокрого ультратонкого диспергирования угля с водой.
Идеи из патентного поиска просим не предлагать.

В ходе проведения экспериментов по формированию многомерного закрученного торового потока в жидкости был обнаружен любопытный эффект самобалансировки длинного ротора многомерной  мешалки в установившемся режиме. 

В установившемся режиме биение ротора  полностью компенсирует многомерный вихревой поток.

ГИПОТЕЗА

Многомерное торовое закрученное течение (многомерный вихревой тороид) в замкнутом объёме имеет одну интересную особенность. В сформированном виде представляет собой многомерный вращающийся объект в форме тора с достаточно упругим центральным нисходящим потоком вокруг вертикальной оси замкнутого цилиндрического объёма.  Точнее сказать – старающимся  занять положение вращения строго вокруг центральной вертикальной оси замкнутого цилиндрического объёма. Такой упругий и достаточно плотный элемент можно условно назвать “хоботом”. Состоит из множества отдельных закрученных жгутов жидкости, по аналогии с канатной свивкой.

 Созданный какой-либо системой такой достаточно упругий многомерный вихревой тороид уже не принадлежит этой системе. Многомерный вихревой тороид принадлежит сам себе, существует сам по себе. По аналогии, это как старинный гончарный круг, приводимый в действие ногой гончара.

Стремление занять строго центральную вертикальную ось вращения достаточно плотного “хобота” в многомерном торовом закрученном течении приводит к тому, что  “хобот” своей энергетикой воздействует, в том числе и на систему, которая создала и поддерживает его.

Основным условием обратного взаимодействия вихревого многомерного тороида на систему, формирующую его, должно быть размещение системы внутри многомерного вихревого тороида.  

Как раз наш случай.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Экспериментальные работы по формированию многомерного закрученного торового потока в жидкости проводились в воде объёмом 5 литров, см. рис. № 1.

Рис. 1. Эксперимент само балансировки тонкого длинного ротора.

Скорость вращения ротора (максимальная скорость вращения сверлильного станка) 0-1500 об/мин.

Источник многомерного закрученного торового потока в жидкости – ленточный вертикальный многомерный спиральный завихритель. Спиральный завихритель установлен на тонком длинном стержне, см. рис. № 2.  

В эксперименте использовался завихритель эксцентрикового типа. “Спираль” размещена с одной стороны тонкого длинного стержня ротора.

На  скорости вращения ротора до  1000 об мин наблюдается усиление вибрации эксцентрикового ротора. Вибрация ротора передаётся не установившемуся потоку воды и проявляется в виде сильной вибрации ёмкости с водой. 

Превышение скорости вращения ротора выше 1000 об/мин  приводит к полному устранению вибрации ёмкости с водой  и формированию полноценного многомерного вихревого потока жидкости в форме тора.

Рис. № 2. Ленточный вертикальный многомерный спиральный завихритель.

Видео проявления эффекта само балансировки ротора 

ВЫВОД

1. Эффект само балансировки вала длинного ротора в вихревом  многомерном тороидальном потоке жидкости позволит увеличить скорость вращения ротора без увеличения его диаметра (массы) при зкакритических частотах его вращения, при которой возможна потеря поперечной устойчивости вследствие резонанса поперечных колебаний.

2. Изменение массы  длинного ротора в сторону уменьшения  позволит увеличить КПД технологических процессов смешивания и перемешивания, которые используют в своей работе многомерный тороидальный вихревой поток в жидкостях. 3. Эффект может быть использован также при автобалансировке вертикальных роторов центрифуг, сепараторов и т.п. в качестве альтернативы известным пассивным жидкостным автобалансирующим устройствам (АБУ). Существующие АБУ имеют главный недостаток, обусловленный малой плотностью жидкости, которая влияет на точность балансировки. В нашем случае плотность “хобота” в многомерном торовом закрученном течении намного выше, что позволяет повысить эффективность пассивных систем жидкостной автобалансировки. К сожалению, только на скоростях, превышающих критическую, т. е. в зарезонансной области