ЭКСПЕРИМЕНТ № 1: 

Гексагональная топология с последовательным включением полупроводников с контактной разностью потенциалов

Цель: 

Оценка электрофизических характеристик гексагональной схемы, в которой полупроводниковые элементы (сформированные на поверхности меди после высокотемпературного обжига) включены последовательно с участками из разнородных металлов (константана и нихрома).

Методика: 

А) Изучалась система, состоящая из 23 гексагональных электрических контуров, построенных по «сотовому» принципу: в каждом контуре — полупроводник (CuO) включён последовательно с двумя различными металлами. 

Б) Для отдельного элемента применялась модель: 7 последовательно соединённых диодов (p–n элементов) и проводников с направлением от константана к нихрому (– константан + нихром). 

В) Использовалась схема без гальванического заземления. Измерения напряжений производились в термодинамически стабильных условиях (t = 24 С). 

Конструкция и примеры соединений представлены на следующем рисунке.

Рис. 1. Схема эксперимента: структура гексагональной ячейки из металлов и полупроводника (p-типа).

Вариант конструктивного исполнения системы, у которой полупроводники в каждом контуре включены последовательно показан на следующем рисунке.

 Рис. № 2.  Варианты конструктивного исполнения систем.

Результаты:

Сводные значения выходных характеристик приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты измерений (Эксперимент № 1)

                                                                                                 Таблица № 1.

Термодинамическое равновесие, t=24 градуса.
Система	U вых., мВ.	ΔU вых. мВ. (человек приближается к системе с расстояния 2-х метров)	I к.з., мкА	Распределение напряжений по контурам, мВ.
23 контура	30	5	НЕТ!!!	4 ; 3 ; 5 ; 4 ; 6 ; 5 ; 7 ; 6 …   (увеличивается по типу: ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ …)

Наблюдения:

— Зависимость выходного напряжения от положения человека (в пределах 2 м). 

— Отсутствие коротко-замыкающего тока при любых конфигурациях. 

— Динамика напряжения по цепи: на чётных контурах U вых. возрастает на +2…3 мВ, тогда как на нечётных снижается на 1 мВ. 

— Суммарное выходное напряжение не является простой алгебраической суммой напряжений с отдельных контуров. 

— Распределение показаний напряжения по гексагональной структуре демонстрирует признаки взаимной асимметрии, не поддающиеся простому линейному моделированию. 

Вывод:

— В системе фиксируются тонкие токовые и напряженческие асимметрии, обусловленные сложным взаимодействием контактных потенциалов, внешнего электрического и магнитного поля Земли, а также присутствием приближающихся зарядов (человека как объекта). 

— Гексагональная топология проявляет себя как чувствительная к изменениям электрического поля, а изменение напряжения по направлениям может быть интерпретировано аналогично фазированной антенной решётке. 

— Заземление системы не влияет на чувствительность. 

— Зафиксирован потенциал применения топологии как пассивного пространственного датчика перемещений зарядов или источников поля.

ЭКСПЕРИМЕНТ № 2

Гексагональная топология с встречно включёнными полупроводниками и разнородными металлами

Цель:

Анализ поведения гексагональной полупроводниково-металлической структуры, в которой элементы соединены встречно как по направлению включения p–n-переходов, так и по ходу токов в смежных контурах.

Методика:

А) Исследовалась модель схемы, в которой полупроводниковые элементы (оксид меди p-типа) были включены встречно-параллельно внутри каждого контура, а гексагональная топология формировалась из чередующихся участков из константана и нихрома. 

Б) Прототип содержал 4 встречно включённых диода и металлических проводника (константан — диод — нихром), отключённых от земли. 

В) Измерения проводились в термостатированных условиях при температуре окружающей среды 24 C. Все участки подвергались одинаковой термической обработке. 

Схема эксперимента представлена на следующих рисунках.

Рис. № 3. Схема эксперимента.

Вариант конструктивного исполнения системы, у которой полупроводники в каждом контуре включены встречно показан на следующем рисунке.

 Рис. № 4.  Варианты конструктивного исполнения систем.

Результаты эксперимента сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Параметры выходного сигнала для встречно включённых элементов

                                                                                                

Термодинамическое равновесие, t=24 градуса.
Система	U вых., мВ.	ΔU вых. мВ. (человек приближается к системе с расстояния 2-х метров)	I к.з., мкА
2 контура,  подключение+ —	0,02	0,005	НЕТ!
1 контура,  подключение+ 0	0,02	0,005	5

Наблюдения:

— Независимо от количества контуров и типа подключения, фиксировалось выходное напряжение порядка 0,02 мВ.

— При подключении двух контуров в схеме «+ –» ток короткого замыкания отсутствовал.

— При одностороннем подключении («+ 0») ток короткого замыкания достигал 5 мкА.

— При приближении человека к системе (2 м) наблюдалось увеличение выходного напряжения на 5 мкВ.

— Распределение напряжений не является симметричным по отношению к физической оси симметрии системы, что указывает на возникновение локальных асимметрий.

Вывод:

— Даже при встречновключённых p–n-переходах и металлических участках структура продолжает демонстрировать наличие выходного напряжения, чувствительного к электростатическому окружению.

— Фиксируется слабая взаимосвязь между проводимостью и направлением электрического поля, что может свидетельствовать о сложных ёмкостных и диффузионных процессах в зонах контакта.

— Заземление не влияет на чувствительность к переменам в локальном электростатическом фоне.

— Выходное напряжение нестабильно и определяется как внутренней структурой включения, так и положением внешнего объекта (например, человека), что подтверждает возможность использования схемы в качестве детектора присутствия и изменения электростатического или магнитного поля.

ЭКСПЕРИМЕНТ № 3 

Гексагональная топология с встречно включёнными полупроводниками и последовательным соединением контуров

Цель: 

Исследование выходных характеристик и чувствительности гексагональной электроцепи, в которой полупроводники включены встречно с разнородными металлами внутри каждого элемента, а сами гексаконтуры соединены последовательно между собой.

Методика:

A) Анализировалась система на основе гексагональной топологии, в которой полупроводники (CuO, p-типа) включены встречно с участками из константана и нихрома в каждом контуре. Контуры соединялись строго последовательно, в цепь от 1 до 46 элементов. 

B) Исследования проведены на следующих семи образцах:

1. Одиночная термопара: (– константан / + нихром); 

2. Один диод; 

3. 6 последовательно соединённых диодов; 

4. 6 диодов и участков – константан / + нихром; 

5. 14 контуров; 

6. 23 контура; 

7. 46 контуров. 

C) Эксперименты проводились как с заземлением, так и без него. Напряжение и токи короткого замыкания измерялись при t = 24 C. Также определялась зависимость выходных параметров от:

— приближения человека (2 м); 

— ориентации конструкции относительно магнитного поля Земли. 

Схемы экспериментов и вариантов конструктивной реализации систем приведены на следующих рисунках.

Рис. 5. Схемы экспериментов.

 Рис. № 6.  Варианты конструктивного исполнения систем.

Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3. Показатели выходного напряжения и тока

 

Термодинамическое равновесие, t=24 градуса.
Система	Система без заземления				Система заземлена
	U вых., В.	I к.з., мкА	ΔU вых. мВ. (человек приближается к системе с расстояния 2-х метров)	ΔU вых. мВ.  (ориентация в магнитном поле земли. Перераспределения на отдельных контурах)	U вых., В.	I к.з., мкА	ΔU вых. мВ. (человек приближается к системе с расстояния 2-х метров)	ΔU вых. мВ.  (ориентация в магнитном поле земли. Перераспределения на отдельных контурах)
1 термопара         (- константан,               + нихром)	0,035	0	0	0	0,035	0	0	0
1 диод	U1 = 0,001     U2 = 0,35	0	U1 = 0.002                  U2 =0.020	0	U1 = 0,001     U2 = 0,35	0	U1 = 0.002                 U2 =0.020	0
6 диодов	0,11	0	0,02	0	2	0	0,005	0
6 диодов и проводников                (- константан,          + нихром)	0,125	0	0,03	0	2,4	0	0,005	0
6 контуров	0,14	0,09	0,04	0	2	0,5	0,005	0
14 контуров	0,29	0,19	0,09	0,01	3	1	0,01	0
23 контуров	0,35	0,37	0,14	0,02	6,2	6,5	0,02	0
46 контуров	0,67	0,93	0,4	0,05	12,3	13,2

Наблюдения:

— При увеличении количества гексогональных контуров происходит нарастание общего выходного напряжения, однако зависимость не является линейной. 

— У заземлённой 46-контурной системы выходное напряжение составило 12,3 В, при токе короткого замыкания 13,2 мкА. 

— Напряжение на первом контуре составило 5 В, вместо ожидаемых ≈0,56 В (из расчёта равномерного распределения) — выявлено асимметричное распределение потенциала. 

— Разность напряжений между соседними контурами колеблется от 0,2 до 0,7 В и зависит от ориентации относительно поля Земли.

— При приближении человека (даже без прикосновения и на расстоянии до 2 метров) фиксируется изменение выходного напряжения до 0,4 мВ.

Вывод:

— В системе с гексагональной топологией и встречно-последовательным соединением p–n переходов формируется совокупный объёмный заряд в барьерной и диффузионной ёмкости, стабилизируемый контактными разностями потенциалов и фоновой зарядовой средой Земли.

— Это проявляется в выраженных градиентах напряжений и наличию неравномерной генерации, несмотря на нахождение системы в условиях термодинамического равновесия.

— Возникает эффект «сверхпозиционного потенциала» — суммирующегося по мере увеличения числа контуров, но не линейно.

— Реакция системы на местоположение наблюдателя (влияние внешнего статического заряда) указывает на чувствительность к электростатическому фону, что может быть использовано для пространственной локализации объектов — аналог фазированной антенной решётки.

— Конструкция демонстрирует свойства электрета с объёмной поляризацией и потенциально может применяться как сенсор слабых полей или в автономной микро-генерации.

ЭКСПЕРИМЕНТ № 4 

Исследование отдельного элемента источника электрической энергии на основе полупроводников и металлов с контактной разностью потенциалов в условиях термодинамического равновесия

Цель: 

Оценка возможности генерации электрического сигнала (напряжения и тока короткого замыкания) в элементарной системе, состоящей из одного или нескольких p-типа полупроводников, соединённых через разнородные металлические проводники (константан и нихром), при отсутствии теплового или внешнего электрического воздействия.

Методика:

A) Исследуемая система состоит из пяти последовательно включённых полупроводниковых участков (CuO, сформированного термообжигом медной проволоки) с закороткой через разнородные металлы (константан — нихром). 

B) Для сравнения регистрировались параметры одиночной термопары и одиночного диода, подключённых отдельно к милливольтметру в прямом и обратном направлениях. 

C) Основной режим эксперимента – измерение выходного напряжения (Uвых) и тока короткого замыкания (Iк.з.) при последовательном отключении отдельных полупроводников из цепи. 

Схема экспериментального узла приведена на рис. 7.

Рис. № 7. Схема эксперимента

Результаты сведены в таблице 6.

Таблица 6.

Наблюдения:

— Один полупроводник, соединённый с двумя разнородными металлами, даёт максимально стабильный выходной сигнал: Uвых = 0,16 мВ и Iк.з. = 1,5 мкА; 

— Изменение количества включённых в цепь полупроводников не оказывает устойчивого влияния — ток и напряжение изменяются нерегулярно. Это говорит о нелинейном распределении ёмкостей и напряжений; 

— Отдельная термопара и одиночный диод, как субъекты сравнения, не демонстрируют выходного тока короткого замыкания при равновесных условиях; 

— Изменение взаимной ориентации диодов или металлов не критично в пределах данного эксперимента; 

— Показатели не зависят от заземления системы и положения наблюдателя (отсутствует влияние электростатического заряда человека).

Вывод:

— Полученные результаты показывают, что даже один полупроводник, соединённый с двумя разнородными металлическими проводниками, способен генерировать устойчивое напряжение и ток короткого замыкания в условиях термодинамического равновесия. 

— Эффект не достигается ни при использовании изолированного полупроводника, ни при использовании простой термопары; он возникает исключительно в сочетании «полупроводник – металл1 – металл2». 

— Реакция системы на изменение количества закороченных элементов носит волнообразный (дискретный) характер, что позволяет предполагать наличие внутренних резонансных ёмкостных и/или диодных эффектов. 

— Работа системы не зависит от приближения человека или внешних полей, а генерируемое напряжение постоянно в указанных условиях.

— Такой элемент можно условно рассматривать как простейший «ячеистый» элемент генератора на основе контактной разности потенциалов с встроенной функцией накопления заряда в полупроводниковом объёме p-n типа — аналог элементарной формы электрета.

Таким образом, эксперимент подтверждает возможность создания минимального источника сигнала в замкнутой системе в условиях, близких к равновесным, только за счёт контактных и полупроводниковых свойств материалов. Это открывает перспективу дальнейших разработок в области автономных микроисточников и сенсорных ячеек.

Общий вывод по всем экспериментальным работам (эксперименты № 1–4):

В результате серии экспериментальных исследований, выполненных на гексагональных топологиях электрических контуров, основанных на системах из полупроводников p-типа (оксид меди), соединённых с разнородными металлами (константан, нихром), получены следующие обобщённые результаты и выводы:

1. Электрогенерация без внешнего воздействия: 

Во всех конфигурациях — как при последовательном, так и встречно-последовательном включении контуров — наблюдается генерация выходного напряжения и/или тока короткого замыкания в условиях, близких к термодинамическому равновесию (t = 24 C, отсутствие теплового или светового воздействия), что является нетривиальным результатом с точки зрения классической электрофизики. Это стало возможно только при использовании гетерогенных материалов на границах металл–полупроводник.

2. Роль материала и направления соединения: 

— Конфигурации с чередованием константана и нихрома обеспечивают направленное движение заряда за счёт разности их функций выхода; 

— Наибольшее напряжение и устойчивость сигнала наблюдаются в системах с последовательным включением полупроводников через разнородные металлы (эксперименты № 1 и № 3); 

— Системы с встречно-параллельным включением (эксперимент № 2) демонстрируют минимальные выходные значения, однако сохраняют отклик на внешние электростатические поля.

3. Гексагональная топология как усилитель и «фокусатор»: 

Наличие многоконтурной гексагональной структуры приводит к суммарному накопительному эффекту, аналогичному сетке электрета или аккумуляторной решётке. Выходное напряжение при последовательном включении 46 гексаконтуров достигло 12,3 В при токе короткого замыкания до 13,2 мкА (эксп. № 3), несмотря на то, что напряжение на одном отдельном контуре составляет 0,1–0,16 В.

4. Чувствительность к внешним полям:

— Зафиксированы надёжные изменения выходного напряжения при приближении человека без физического контакта (2 м — ΔU до 0,4 мВ), что указывает на высокую чувствительность к электростатическому полю; 

— Системы демонстрируют фазоподобное поведение при изменении ориентации в магнитном поле Земли — напряжения перераспределяются по узлам; 

— Заземление практически не влияет на чувствительность, что говорит о внутренней поляризации и способности системы работать как плавающий источник/датчик.

5. Выходные параметры не линейны: 

Суммарное напряжение не является арифметической суммой напряжений с отдельных контуров, а ток короткого замыкания не пропорционален числу элементов. Напряжение на отдельных контурах изменяется нелинейно, что может быть объяснено контурными колебаниями ёмкостей и взаимодействием с внешним электростатическим ландшафтом (подобие фазированной антенной решётки).

6. Эффективность миниатюрных ячеек: 

Показано, что даже одна ячейка (полупроводник + константан + нихром) даёт стабильно измеряемый ток (1,5 мкА) и напряжение 0,16 мВ — что открывает путь к созданию микроисточников питания или пассивных сенсоров внешнего поля.

7. Объёмная накопительная природа эффектов: 

Подтверждено, что заряд в системе накапливается не на обкладках, а в объёме p–n перехода — в барьерной и диффузионной ёмкости. Это делает изучаемые структуры по свойствам близкими к электрета — твёрдотельному носителю постоянного внутреннего поля, не зависящему от внешнего источника тока.

8. Потенциал практического применения:

— Пассивные сенсоры электростатического и магнитного поля; 

— Источники питания ультранизкой мощности для систем IoT; 

— Электростатическая и магнитометрическая локация объектов; 

— Системы анализа загрязнения и радиационного фона через флуктуации электрических свойств среды;

Заключение:

Все четыре эксперимента подтверждают, что гексагональная топология, полупроводниковая активная поверхность (p-тип оксида меди), комбинированная с электростатически разнородными металлами, позволяет реализовать эффект самоподдерживающейся генерации выходного сигнала в отсутствие классических внешних факторов возбуждения. Эти явления дают основание говорить о принципиально новом подходе к энергоактивной топологии и сверхчувствительной электроемкостной сенсорике. Работа систем за пределами идеального термодинамического равновесия требует дополнительного теоретического осмысления и разработки моделей описания на основе нелинейной электростатики, физики контактных переходов и вариативной ёмкости.

Реферат

В данной работе рассматривается источник электрической энергии, основанный на использовании контактной разности потенциалов между металлами и полупроводниками p-типа в условиях термодинамического равновесия. Система представлена в виде гексагональной топологии,  состоящей из множества идентичных электрических  контуров, включённых последовательно-параллельно. Каждый контур состоит из последовательно  соединённых   проводников с контактной разностью потенциалов (например, нихром и константан) и полупроводниковых “кубиков” р-типа. Каждый контур соединен  общим проводником, который является одним из проводников для соседнего  контура по типу природной сотовой структуры.

Следующие публикации будут отражать исследования поведения этой системы вне условий термодинамического равновесия и эффектов, возникающих при таких условиях.

Cхематическое исполнение  источник  электрической энергии на контактной разности потенциалов полупроводниковых “кубиков” р-типа и разнородных металлов гексагональной топологии в условиях термодинамического равновесия представлено на слеждующем рисунке.

Рис. № 1. Гексагональная топология  источника  электрической энергии на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия.

      Электрическая схема выполнена по сотовой схеме с использованием структуры в виде гексагональной топологии (множества шестигранников) с узловыми точками контактных разностей потенциалов 3-х материалов – константан, нихром и полупроводниковых “кубиков” р-типа. 

С практической точки зрения интересен “непрямляющий” омический контакт по типу контакта полупроводниковых “кубиков” элемента Пельтье с медными соединительными пластинами. (использование p-n диодов и диод Шоттки в  гексагональной топологии было рассмотрено в статье: Генерация электроэнергии из земного электрического поля с помощью контактной разности потенциалов полупроводников и металлов в гексагональной топологии).

Каждая узловая точка гексагональной топологии  является контактной разностью потенциалов  различной структуры одновременно для 6-ти соседних контуров. За счёт этого в каждом контуре гексагональной топологии формируются временные токовые асимметрии, которые влияют как на соседние контуры, так и  на  систему в целом для заявленных целей.

На токовые асимметрии каждого контура в условиях термодинамического равновесия также оказывают воздействие  внешние влияние которые являются предметом дополнительного изучения (например: электрического и (или) магнитного поля земли).

Из всех типов дополнительных влияний на систему в условиях термодинамического равновесия  особенно интересны  электростатические и магнитные влияния на систему через полупроводники р-типа. 

Полупроводник р-типа сам по себе не может образовывать p-n-перехода, необходимого для возникновения барьерной и диффузионной емкостей. Это значит, что каждый узел  гексагональной топологии не может быть чувствителен к внешним электростатическим воздействиям, только к электромагнитным.

Экспериментальные работы с омическими контактами константана и нихрома с медными проводниками, которые полностью покрыты слоем оксида меди (полупроводника) обнаружили в системе электростатическую аномалию. В настоящее время готовятся работы с омическими контактами константана и нихрома с готовыми полупроводниковыми “кубиками” р-типа типоразмером 3х3х3 мм из модулей Пельтье. Это должно прояснить ситуацию с внешним электростатическим воздействием на систему.

Экспериментальная проверка

В первом эксперименте по проверке идеи вместо полупроводниковых “кубиков” р-типа использовался самодельный полупроводник р-типа на основе оксида меди, которым была покрыта медная проволока.

Технология изготовления полупроводника р-типа из медной пластины достаточно проста. Обжиг при высокой температуре меди формирует на  её поверхности тонкий слой оксида меди, который является полупроводником р-типа.

    В практическом плане сначала была сформирована (связана)  гексагональная топология системы из множества узлов  3-х проволок различных материалов – константан, нихром и медь, см. рис. № 2. 

Рис. № 2. Гексагональная топология системы из константана, нихрома и меди.

Затем все узлы (связки)  были обожжены горелкой до красна, для целей формирования поверх медных проволок слоя полупроводника р-типа из оксида меди, см. рис. № 3.

Рис. № 3. Гексагональная топология системы из константана, нихрома и полупроводника p-типа на основе оксида меди.

Источник  электрической энергии на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия гексагональной топологии состоит из 37 идентичных электрических  контуров, которые в свою очередь представляли один большой шестигранник.

Каждый контур состоит из последовательно включённых металлов (константан и нихром) и медных проводников, которые прошли термическую обработку. В этом случае на поверхности меди сформирован тонкий слой полупроводника р — типа.

Экспериментом подтверждены следующее характеристики системы:

1.    Система состоит из 37 электрических  контуров гексагональной топологии, которые  представляют один большой шестигранник со стороной в 4-е электрических контура.

2.    Выходное напряжение имеет ярко выраженную зависимость от внешних электрических зарядов (местоположения человека, производящего измерения). На порядок большая зависимость, чем в ОКР с классическими диодами.

3.    Минимальное выходное напряжение системы 0,02 мВ.  Выходное напряжение зависит от местоположения человека, производящего измерения и ориентации системы в магнитном поле земли).

4.    Максимальное выходное напряжение системы 0,4 мВ. Выходное напряжение зависит от местоположения человека, производящего измерения и ориентации системы в магнитном поле земли.

5.    Выходное напряжение, пока не понятно по каким причинам, в некоторых случаях становится ярко выраженным переменным с частотой 0,5 — 1 Гц. В этом случае уже частота зависит от местоположения человека, производящего измерения и ориентации системы в магнитном поле земли.

6.    Максимальный ток короткого замыкания системы 10 мкА.

Вывод

1.    В системе происходят сложные взаимодействия между различными компонентами и внешними условиями.

2.    В каждом контуре гексагональной топологии протекают временные токовые асимметрии, вызванные электрическим и магнитным полями земли и отдельными электрическими зарядами, которые влияют как на соседние контуры, так и  на  систему в целом в части аномальных рапределений выходных напряжений.

3.    Использование гексагональной топологии в  качестве датчиков измерения и регистрации изменений в уровне различных электростатического и магнитного полей будет полезна в различных областях науки и техники, например: мониторинг уровней загрязнений, радиационных полей и температурных изменений окружающей среды, контроль качества воздуха,  влияния электростатических полей на различные физические процессы, такие как поведение частиц, движение жидкостей и газов, а также химические реакции, мониторинг производственных процессов и оборудования,  медицинская диагностика, мониторинг уровни электростатического поля вокруг защищаемых объектов, электростатическая локация и т.п.

4.    Работа системы за пределы термодинамического равновесия и проявленные при этом  эффекты является новым и интересным направлением в электрической генерации. Предварительно, экспериментальными работами подтверждено, что такая система, при нарушении термодинамического равновесия (например: общий нагрев) — не нуждается в дополнительном охлаждении каких-либо противоположных узлов, как у элемента Пельтье. В этом случае можно предположить, что замена в системе одного типа полупроводника на другой должна генерировать электричество уже от общего охлаждения системы, но это  задел на будущие ОКР и публикации по ним.

Приложения:

1. Генерация электроэнергии из земного электрического поля с помощью контактной разности потенциалов полупроводников и металлов в гексагональной топологии).

2. Видео ОКР № 1. Выходное напряжение имеет ярко выраженную зависимость от внешних электрических зарядов (местоположения человека, производящего измерения). На порядок большая зависимость, чем в ОКР с классическими диодами (см. приложение п.1.).

3. Видео ОКР № 2. Выходное напряжение, пока не понятно по каким причинам, в некоторых случаях становится ярко выраженным переменным с частотой 0,5 — 1 Гц. В этом случае уже частота зависит от местоположения человека, производящего измерения и ориентации системы в магнитном поле земли.

Аннотация

В данной работе рассматривается источник электрической энергии, основанный на использовании контактной разности потенциалов между металлами и полупроводниками в условиях термодинамического равновесия. Система представлена в виде гексагональной топологии, состоящей из множества идентичных электрических контуров, соединенных последовательно-параллельно. Каждый контур включает в себя проводники с контактной разностью потенциалов (например, нихром и константан), а также полупроводники. Контуры связаны общим проводником, образуя структуру, аналогичную природной сотовой структуре. Один из выводов системы заземлен.

Следующие публикации будут отражать исследования поведения этой системы вне условий термодинамического равновесия и эффектов, возникающих при таких условиях.

Cхематическое исполнение  источника  электрической энергии электрического поля земли на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия представлено на следующем рисунке.

Рис. № 1. Гексагональная топология  источника  электрической энергии поля земли на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия.

      Электрическая схема выполнена по сотовой схеме с использованием структуры в виде гексагональной топологии (множества шестигранников) с узловыми точками контактных разностей потенциалов 3-х материалов – константан, нихром и полупроводник.  Каждая узловая точка гексагональной топологии  формирует контактные разности потенциалов одновременно для 6-ти соседних контуров. Контактные разности потенциалов полупроводников и металлов меняют работу выхода под воздействием электрического заряда земли. Таким образом, в каждом контуре гексагональной топологии будут формироваться временные токовые асимметрии, которые влияют как на соседние контуры, так и  на  систему в целом для заявленных целей.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА

      Источник  электрической энергии электрического поля земли на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия гексагональной топологии изготовлен из 48 идентичных, последовательно соединённых по диагонали электрических  контуров гексагональной топологии. Каждый контур состоит из двух полупроводников, двух металлов из константана и двух металлов из нихрома.  Узловые точки — контактных разностей потенциалов 3-х материалов – константан, нихром и полупроводник.

    Конструктивное исполнение системы показано на следующем рисунке.

Рис. № 2. Гексагональная топология системы источника электрической энергии.

Экспериментом подтверждены следующее характеристики источника  электрической энергии электрического поля земли на контактной разности потенциалов:

1. 48 электрических  контуров, последовательно соединённых по диагонали гексагональной топологии.

2. “-“ проводник заземлён.

3. Выходное напряжение системы 12,3 вольт.

4. Выходное напряжение изменяется на уровне десяток милливольт при повороте системы (изменении ориентации) в магнитном поле земли.

5. Ток короткого замыкания 13.2 мкА.

6. Ток короткого замыкания стабилен  при  непрерывном измерении  в течении нескольких дней.

7. Добавление нового ряда по диагонали в гексагональной топологии увеличивает пропорционально ток короткого замыкания без значительного увеличения выходного напряжения.

       Таким образом можно представить  рабочие  характеристики принципиально нового источника  электрической энергии поля земли:

— 48×48 электрических  контуров гексагональной топологии.

— “-“ проводник заземлён.

— Выходное напряжение системы 12,3 вольт неограниченное время.

— Ток короткого замыкания системы 0,63 mА неограниченное время.

— Выходное напряжение изменяется на уровне десяток милливольт при повороте системы (изменении ориентации) в магнитном поле земли.

ЧТО ГОВОРИТ НАУКА

1.   Известно, что земля совместно с ионосферой являются гигантским сферическим конденсатором, который заряжен и создает электрическое поле вокруг нас. Напряженность электрического поля у поверхности Земли составляет 120-150 В/м. Практическое использование  такой напряжённости для генерации электричества достаточно проблематично.  Таким образом, электрическое поле Земли на сегодняшний день остаётся скорее объектом научного интереса, чем источником энергии для практических целей.

2.    Известно, что в условиях термодинамического равновесия контактная разность потенциалов не может быть источником энергии. Контактная разность потенциалов не создаёт направленного движения электрических зарядов. В условиях термодинамического равновесия электроны распределяются таким образом, чтобы уравновесить разницу в работах выхода, и в результате ток не течёт. Энергия, необходимая для поддержания этого равновесия, поступает из тепловой энергии окружения, но она не может быть использована для выполнения работы. Тока короткого замыкания не должно быть.

3.    Cогласно закону Вольта, сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи в условиях термодинамического равновесия должна равняться нулю. Это означает, что если мы просто соединим несколько термопар, не создавая никаких внешних воздействий (таких как температурный градиент), то результирующая ЭДС будет равна нулю. Напряжения на выходе практически не должно быть.

4.    Известны способы обойти ограничение закона Вольта в услових термодинамического равновесия — это создание неравновесных условий в системе. Например, можно использовать материалы, которые меняют свою работу выхода под воздействием внешних факторов, таких как магнитное поле, электрические заряды или свет. В любом случае сумма контактных разностей потенциалов 48 контуров системы в условиях термодинамического равновесия не может превышеть уровень миливольт.

5.    Существуют магнитные полупроводники — у которых меняется проводимость  в зависимости от магнитного поля. Только это не относится к обычным диодам. Таким образом — изменения выходного напряжения в системе, состоящей из обычных диодов в зависимости от направления поля земли не должно быть.

6.    Несмотря на то, что температура всех компонентов схемы может казаться одинаковой, микроразницы температур могут существовать. Эти микроразницы вызывают дополнительные термо-ЭДС, влияющие на показания вольтметра.

7.    Напряжение, вырабатываемой контактной разностью потенциалов металлических  проводников не достаточно для “открытия” диодов, тока короткого замыкания не должно быть.

8.    Если система ведёт себя, как отдельно заряженный конденсатор —  ток короткого замыкания должен уменьшаться со временем.

9.    Неисправность вольтметра может привести к таким показаниям.

10.                 Среда с высоким уровнем электростатических зарядов влияет на показания вольтметра. Электростатические поля создают дополнительные напряжения, которые суммируются с контактной разностью потенциалов.

11.                 В схемах, содержащих повторяющиеся  элементы, возможны эффекты взаимодействия между компонентами. Взаимная ёмкость может вносить вклад в общее напряжение, регистрируемое вольтметром.

Вывод

1.    В системе происходят сложные взаимодействия между различными компонентами и внешними условиями.

2.    Подтверждается  влияние электрического заряда земли, отдельных электрических зарядов  и магнитного поля земли на создание временной асимметрии в гексагональной топологической схеме (множеству шестигранных контуров, по типу пчелиных сот с контактной разностью потенциалов) для генерирации электричества в условиях термодинамического равновесия. Барьерная и диффузионная емкости каждого полупроводника будут являются накопителями заряда земли в объёме p-n перехода.  Таким образом электрический заряд земли совместно с контактной разностью потенциалов формирует объемный заряд в барьерной и диффузионной емкости p-n перехода.

3.    Работа системы за пределы термодинамического равновесия и проявленные при этом  эффекты является новым и интересным направлением в электрической генерации. Предварительно, экспериментальными работами подтверждено, что такая система, при нарушении термодинамического равновесия (например: общий нагрев) — не нуждается в дополнительном охлаждении каких-либо противоположных узлов, как у элемента Пельтье. В этом случае можно предположить, что замена в системе одного типа полупроводника на другой должна генерировать электричество уже от общего охлаждения системы, но это  задел на будущие ОКР и публикации по ним.

4.    Благодаря возможности накопления заряда не на обкладках, как у классического конденсатора, а в объёме p-n перехода — гексагональная топологическая схема полупроводников и металлов с контактной разностью потенциалов без заземления  превращается в  высокочувствительный датчик электрического поля. 

5.    Использование гексагональной топологии в  качестве датчиков измерения и регистрации изменений в уровне различных электростатического и магнитного полей будет полезна в различных областях науки и техники, например: мониторинг уровней загрязнений, радиационных полей и температурных изменений окружающей среды, контроль качества воздуха,  влияния электростатических полей на различные физические процессы, такие как поведение частиц, движение жидкостей и газов, а также химические реакции, мониторинг производственных процессов и оборудования,  медицинская диагностика, мониторинг уровни электростатического поля вокруг защищаемых объектов, электростатическая локация и т.п.

Приложения:

1. Источник электрической энергии гексагональной топологии на контактной разности потенциалов полупроводников р-типа и разнородных металлов в условиях термодинамического равновесия
2. Видео ОКР № 1. Гексагональная топология из двадцати трёх электрических  контуров при заземлении генерирует выходное напряжение 5,8 вольт с 0,6 В без заземления.

3. Видео ОКР № 2. Гексагональная топология из 7 электрических контуров без заземления. Напряжение на каждом контуре следующем контуре уменьшается.

Известно, что КПД классического термоэлектрического
преобразователя на полупроводниках не более 10-15 %. КПД термоэлектрического преобразователя на металлических термопарах не более 1 %.

В настоящей работе предложен термоэлектрический
преобразователь на металлических термопарах c КПД на много большим, чем у самых лучших известных полупроводниковых преобразователей!

Оперируя энергетикой емкостных накопителей в десятки и
более джоулей для напряжения, вырабатываемого всеми
термопарами, например, в 5 вольт можно получить переменный ток в нагрузке, измеряемый амперами!

Известно, что время заряда конденсатора, в том числе и от термоэлектрического преобразователя, зависит от его емкости. Время заряда емкостного накопителя энергии емкостью, например, в 1 Фарад до напряжения термоэлектрического генератора, например, в 5 вольт будет измеряться секундами.

Задачей данной работы  является предложить способ “мгновенного” заряда емкостного накопителя для целей повышения КПД преобразования низко потенциального тепла в электричество.

Согласитесь, что зарядить одновременно, например, 1000 конденсаторов емкостью по 1000 мкФ от различных источников в 1000 раз быстрее, чем один конденсатор емкостью 1 Фарад от одного источника.

Такое заключение является базой, на основании которой предлагается принципиально новый, высоко эффективный способ преобразования  низко потенциального тепла в электричество.

На основании выше изложенного предлагается емкостная термоэлектрическая батарея с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла. 

Емкостная термоэлектрическая батарея с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла представляет собой классический термоэлектрический источник  тока в управляемом импульсном режиме, который обеспечивает  заряд/перезаряд встроенных двух емкостных накопителей энергии. В свою очередь нагрузка запитана от одного емкостного накопителя энергии.

Принцип работы основан на синергии термоэлектрического эффекта Зеебека (явление возникновения ЭДС на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах) и двух емкостных накопителей энергии с управлением токами заряда/перезаряда как от отдельного индуктивного накопителя энергии, так и без него.

Вот как это работает кратко:

В традиционных термоэлектрических генераторах, когда они пытаются напрямую питать нагрузку, их высокое внутреннее сопротивление сильно ограничивает выдаваемый ток и снижает КПД. Это как пытаться наполнить ведро через очень тонкую соломинку – процесс долгий и неэффективный.

Идея с «перекоммутацией короткого замыкания» состоит в следующем:

1. «Мгновенный» заряд конденсаторов: Вместо того, чтобы напряжение от термопар сразу шло на нагрузку, оно сначала используется для быстрого заряда специально интегрированных в конструкцию конденсаторов.
2. Управление «коротким замыканием»: В определенные моменты времени (очень быстро) цепь термопар кратковременно закорачивается (происходит «короткое замыкание») с помощью электронного ключа. Это позволяет конденсаторам заряжаться максимально быстро, «вытягивая» ток из термопар, несмотря на их внутреннее сопротивление.
3. Выдача энергии из конденсаторов: После быстрого заряда, энергия, накопленная в конденсаторах, мгновенно сбрасывается на нагрузку. Поскольку конденсаторы могут отдавать энергию очень быстро, они способны обеспечить высокий импульсный ток.
4. Переменный ток: За счет чередования циклов заряда и разряда двух конденсаторов (один заряжается, пока другой отдает энергию), на выходе получается переменный ток.

Простыми словами:

Представьте, что термопара – это очень слабый, но постоянный источник воды, который пытается наполнить большой стакан (нагрузку) через тонкую трубочку. Это долго.

Новый подход:

1. У вас есть много маленьких стаканчиков-конденсаторов, каждый из которых соединен со своей тонкой трубочкой-термопарой.
2. Вы на мгновение «открываете кран на полную» (короткое замыкание) для каждого стаканчика. Вода (ток) быстро, почти мгновенно, заполняет стаканчики, потому что сопротивление минимально.
3. Как только стаканчики полны, вы выливаете их содержимое на большую лопасть турбины (нагрузку), которая начинает быстро вращаться (генерируется мощный переменный ток).
4. Цикл повторяется очень быстро, обеспечивая постоянный поток энергии.

Таким образом, «перекоммутация короткого замыкания» позволяет максимально эффективно «выжать» всю возможную энергию из термопар, используя их для быстрой зарядки конденсаторов, а затем уже использовать энергию конденсаторов для питания нагрузки, обходя проблемы высокого внутреннего сопротивления самих термопар.

Особенностями емкостной термоэлектрической батареи с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла является следующее:

1. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.
2. ОБЩЕЕ СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.
3. РАЗЛИЧНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ.
4. ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рассмотрим каждую особенность по отдельности.

1. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.

В конструктивном плане основу емкостной термоэлектрической батареи представляет собой “сборный пакет”, состоящий из листов (фольги) из разнородных металлов, между которыми проложены листы диэлектрика. Листы (фольга) из разнородных металлов по краям  соединены между собой механическим способом, образуя термопары. Каждая ветвь термопары является обкладкой для двух конденсаторов емкостного накопителя. Другие обкладки этих конденсаторов соединены между собой, и между такими же другими. Таким образом, формируется дополнительный электрод в системе, который будет являться одним из выходов в передаче электрической энергии.

Конструктивное исполнение емкостной термоэлектрической батареи  может быть двух типов:

Тип 1. Прямоугольная батарея (пакет) с подводом / отводом тепла с противоположных сторон батареи (пакета) – рис. № 9.1, 9.2

Рис. № 9.1. Прямоугольная батарея (пакет) с подводом / отводом тепла с противоположных сторон батареи (пакета)

Рис. № 9.2. Прямоугольная батарея (пакет) с подводом / отводом тепла с противоположных сторон батареи (пакета)

Тип 2. Цилиндрическая (коаксиальная) батарея (пакет) с подводом / отводом тепла внутрь / снаружи цилиндра – рис. № 9.3

Рис. 9.3. Цилиндрическая (коаксиальная) батарея (пакет) с подводом/отводом тепла внутрь / снаружи цилиндра.

• СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.

На рис. № 9.4 каждая ветвь термопары  представлена отдельным источником напряжения, преобразующим тепловую энергию в электрическую.

Рис. № 9.4 . Электрическая схема  ТЭГ

Общее количество конденсаторов в накопителе:

N = n*2

Где:

• n — Количество термопар.

Каждая ветвь термопары заряжает свой конденсатор емкостного накопителя. При этом емкостной накопитель может работать в разных режимах в зависимости от коммутации нагрузки и управления работой заряда/разряда емкостного накопителя.

• РАЗЛИЧНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ.

Термоэлектрический генератор  работает в нескольких режимах в зависимости от коммутации нагрузки и управления работой заряда/разряда емкостного накопителя.

Режим 1. Емкостной накопитель без управления зарядом/разрядом

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.5.

Рис. № 9.5. Эквивалентная схема емкостного накопителя без управления зарядом/разрядом без управления зарядом/разрядом

Выходное постоянное напряжение снимается с контактов – 1-3 емкостной термобатареи. Контакт 2 – не используется.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов емкостного накопителя представлена на рис. № 9.6.

Рис. № 9.6. Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов.

В емкостном накопителе все конденсаторы соединены последовательно-параллельно каждому источнику напряжения в виде термопары.

Общая емкостью накопителя: 

С1=С0/n

Где:

• n — количество термопар.
• C0 – емкость одного конденсатора.

Выходное напряжение:

    Uвых=U0

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.

Энергия емкостного накопителя:

W= √C1Uвых²/2

В формуле корень связан с тем, что каждый конденсатор накопителя заряжается до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар.

Режим 2. Емкостной накопитель/делитель напряжения без управления зарядом/разрядом .

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.7

Рис. № 9.7. Эквивалентная схема ёмкостного накопителя/делителя напряжения.

Представляет собой два идентичных емкостных накопителя энергии, включенные последовательно по типу емкостного делителя напряжения.

Выходное постоянное напряжение снимается с контактов – 1-2 одной емкостной термобатареи. Термопары заряжают два накопителя одновременно.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов двух емкостных накопителей представлена на рис. № 9.8.

Рис. № 9.8. Схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения  с графиком напряжений заряда конденсаторов.

В каждом из двух накопителей все конденсаторы соединяются параллельно с общей емкостью:

 С1=С2=С0*n

Где:

• n- количество термопар
• С0- емкость одного конденсатора.

Напряжение на выходе:

     Uвых = U2 =  U0/2

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U2 – выходное напряжение одного из двух емкостных накопителей энергии.

Энергия, запасенная в одном накопителе:

W= √C2*U2²/2

В формуле корень связан с тем, что каждый конденсатор накопителя заряжается до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар.

Режим 3. Емкостная термоэлектрическая батарея с двумя идентичными накопителями энергии (С1 и С2)  с управлением зарядом/разрядом емкостных  накопителей.

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.9.

Рис. № 9.9. Эквивалентная схема ёмкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения с управлением зарядом/разрядом.

Представляет собой два идентичных емкостных накопителя энергии, включенные последовательно по типу емкостного делителя напряжения с коммутирующим ключом К1.

Выходное напряжение – переменное.  Снимается с контактов – 1-2 одного емкостного накопителя энергии. Термоэлектрический генератор заряжает два накопителя одновременно.

Ключ К1 обеспечивает ток короткого замыкания в цепи всех термопар. Управление коммутацией тока короткого замыкания ключом К1 приводит к тому, что все параллельно соединенные конденсаторы обоих накопителей  заряжаются до половины напряжения питания.

U1=U2=U0/2

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

В противном случае каждый конденсатор накопителя заряжался бы до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар, как было заявлено выше в 1 и 2 режиме.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов двух емкостных накопителей представлена на рис. № 9.10.

Рис. № 9.10. Схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения  с управлением зарядом/разрядом и графиком напряжений заряда конденсаторов.

В каждом накопителе все конденсаторы соединяются параллельно с общей емкостью:

С1=С2=С0*n.

Где:

• n- количество термопар.
• С0 – емкость одного конденсатора.

Выходное напряжение — переменное:

     Uвых = U1+U2 = Uo

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

Общая энергия  системы:

     W= C2*Uвых²/2

Режим 4. Емкостная термоэлектрическая батарея с двумя идентичными накопителями энергии (С1 и С2) и индуктивным накопителем с управлением зарядом/разрядом емкостных  накопителей.

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.11.

Рис. № 9.11. Эквивалентная схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения с управлением зарядом/разрядом  и индуктивным накопителем.

Представляет собой два идентичных емкостных накопителя энергии, включенные последовательно по типу емкостного делителя напряжения с коммутирующим ключом К1 и дополнительным внешним индуктивным накопителем L1.

Выходное напряжение – переменное.  Снимается с контактов – 1-2 одного емкостного накопителя энергии. Термоэлектрический генератор заряжает два накопителя одновременно.

Ключ К1 обеспечивает ток короткого замыкания в цепи всех термопар. Управление коммутацией тока короткого замыкания ключом К1 совместно с индуктивным накопителем L1 приводит к тому, что все параллельно соединенные конденсаторы обоих накопителей  заряжаются не до половины напряжения питания, как в предыдущем режиме, а до напряжения питания.

U1=U2= Uo.

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

В противном случае каждый конденсатор накопителя заряжался бы до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар, как было заявлено выше в 1 и 2 режиме.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов двух емкостных накопителей представлена на рис. № 9.11.

Рис. № 9.11. Схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения  с управлением зарядом/разрядом и графиком напряжений заряда конденсаторов.

В каждом накопителе все конденсаторы соединяются параллельно с общей емкостью:

 С1=С2=С0*n

Где:

• n- количество термопар.
• С0 – емкость одного конденсатора.

Выходное напряжение — переменное:

     Uвых = U1+U2 = 2U0

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

Общая энергия  системы:

W= C2*(2U0)²/2

• ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Для оценки уровня энергетических характеристик и КПД предлагаемой  емкостной термоэлектрической батареи с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла рассмотрим хромель-копелевые термопары и ΔT = 50 градусов.

Значения запасенной энергии в  емкостной термоэлектрической батарее в зависимости от типа и размеров используемых конденсаторов приведены в следующей таблице № 9.1.

Таблица № 9.1.

	Тип емкостного накопителя	Выходное напряжение	Количество конденсаторов	Площадь одного конденсатора	Высота диэлектрика — пленка — 0,01 мм. (обычный конденсатор)		Высота диэлектрика — оксид алюминия — 0,1 мкм. (электролитический конденсатор)		Высота диэлектрика — двойной электрический слой  — 0,1 нм. (ионикс)
					Емкость накопителя	Энергия накопителя	Емкость накопителя	Энергия накопителя	Емкость накопителя	Энергия накопителя
		В	Шт.	М2	Фарад	Джоуль	Фарад	Джоуль	Фарад	Джоуль
1	Емкостной накопитель со смешанным включением конденсаторов без управления зарядом/разрядом	5	1613	0,2	0,0000000001	0,0000000012	0,00000011	0,0000014	0,0001	0,001
2	Емкостной накопитель   без управления зарядом/разрядом	5	1613	0,2	0,000285	0,060	0,285	1,889	285	59,733
3	Емкостной накопитель  с управлением зарядом/разрядом	5	1613	0,2	0,000285	0,0036	0,285	3,568	285	3568
4	Емкостной накопитель   с управлением зарядом/разрядом и индуктивным накопителем	5	1613	0,2	0,000285	0,014	0,285	14,270	285	14274

Исходя из Выше изложенного, для практических целей, режимы работ емкостного термоэлектрического генератора № 3 и № 4 являются основными для генерации переменного электрического тока.

          В этом случае классический металлический термоэлектрический генератор работает  не на нагрузку, а на заряд/перезаряд двух емкостных накопителей энергии. И далее, только один емкостной накопитель энергии питает нагрузку переменным током заряда/перезаряда.

Главный недостаток любых термоэлектрических генераторов, как большое внутреннее сопротивление перестает быть значимым.  На первый план выходит время заряда/перезаряда двух емкостных накопителей энергии.

Для подтверждения работоспособности идеи был проведен эксперимент, см. рис. № 9.12, на котором проверялась энергетика одного ёмкостного накопителя при токе короткого замыкания во втором и наоборот.  

Рис. № 9.12. Эксперимент – энергетика одного ёмкостного накопителя при коротком замыкании  второго, и наоборот.

Видео эксперимента опубликовано на канале Ютуб:

В качестве термопар  использовались батарейки на 1.5 вольт.

В качестве  двух емкостных накопителей энергии использовались электролитические конденсаторы. Общая емкость каждого емкостного накопителя  — 60 мкФ.

В качестве  нагрузки использовались два светодиода, включенные параллельно и противополярно.

Результат коммутации тока короткого замыкания  термоэлектрического генератора или заряд/перезаряд двух емкостных  накопителей энергии визуализируется светодиодами. Переменный ток в нагрузке визуализируется, как поочередная работа двух, включенных противополярно светодиодов. 

В этом случае ток в нагрузке зависит только от  емкостей двух накопителей энергии и времени их заряда/перезаряда.

ВЫВОД

Приведенные в выше поименованной таблице № 1  расчетные данные по энергетике  емкостных накопителей, запитанных классическими термопарам, термоэлектрического генератора подтверждают заявленное.

Ток в нагрузке зависит только от  емкостей двух накопителей энергии и времени их заряда/перезаряда.

Оперируя энергетикой емкостных накопителей в десятки и более джоулей для общего напряжения, вырабатываемого всеми термопарами, например, в 5 вольт  можно получить переменный ток в нагрузке, измеряемый амперами.

КПД классического термоэлектрического преобразователя уровня 1 % перестает быть актуальным.

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 одном процессе 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 20-х 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.

Существенным недостатком всех систем разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две температурные фракции заключается в обязательном наличии отдельного нагнетателя, не возможность реверсирования процесса энерго разделения и невозможности напрямую использовать одну из температурных фракций многократно для целей увеличения температурного градиента.

Наиболее близким к заявленному техническому решению являются патент RU 2321804, опубликованный 10.04.2008, и патент RU 2407955, опубликованный 27.12.2010 в которых авторы попытались совместить осевой нагнетатель с вихревой трубой. Недостатками данного технического решения является однократность прохождения газа или жидкости через камеру энерго разделения, тем самым получение низкого КПД и не возможность реверсирования теплового потока при изменении направления вращения нагнетателя.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание принципиально нового термопреобразователя путём объединения процессов нагнетания и энерго разделения в один процесс с использованием многократного прохождения одной и той же ступени энерго разделения одним и тем же носителем (газ / жидкость).

Данная задача решается за счет того, что в вихревом реверсивном турбо компрессионном термопреобразователе объединены в одно не делимое целое процесс нагнетания и процесс энерго разделения теплоносителя за счёт использования двух осевых турбокомпрессоров особой конструкции, вращающихся контрроторно друг напротив друга вокруг общей втулки (холодного потока) с использованием многократного прохождения одной и той же ступени энерго разделения одной и той же порцией энергоносителя (газ / жидкость) с возможностью реверсирования нагрев-охлаждение за счёт изменения направления вращения полостей турбо генератора тепла / холода.

Техническим результатом является создание принципиально нового вихревого турбо компрессионного термопреобразователя, в работе которого одновременно участвуют несколько процессов – нагнетание и энерго разделение, благодаря тому, что вихревой компрессионный термопреобразователь содержит два нагнетателя-энерго разделителя каждый с установленными внутри двумя вывернутыми наизнанку осевыми турбинами с полыми втулками по центру, которые вращаются вокруг общей оси в противоположных направлениях и создают друг в друге эффект разделения газа или жидкости. Происходит это благодаря тому, что внутри каждого нагнетателя-энерго разделителя формируются два потока, один в другом, с противоположной круткой и с противоположным направлением движения. На периферии каждой полости образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре — закрученный поток с меньшей температурой. По краям двух полостей расположены теплообменники, которые в зависимости от направления вращения нагнетателей-энерго разделителей используются в качестве источника тепла или холода благодаря использованию многократного прохождения одной и той же ступени энерго разделения одним и тем же носителем (газ / жидкость).

Сущность изобретения поясняется чертежами № 10.10.1 и 10.10.2, на которых представлен вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь.

Рис. № 10.10.1 Цилиндрические турбины с полно проходными отверстиями.

Рис. № 10.10.2.  3-D вид двух цилиндрических турбин с полно проходными отверстиями.

Вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь включает в себя по две осевые турбины особой конструкции с полыми втулками по центру 3, 6 и 10, 13, которые закреплены в двух нагнетателях-энерго разделителях 5, 11. Нагнетатели-энерго разделители 5, 11 вращаются вокруг общего центрального потока в противоположных направлениях в которых протекает основной процесс энерго разделения в камерах 4,12. По краям стационарно расположены теплообменники 1, 15 с внешними заборниками энергоносителя 1-5, 11-15. Внутри каждого теплообменника расположено спрямляющее воздушный поток устройство. Посредине двух, вращающихся в противоположные направления нагнетателях-энерго разделителях 5, 11 расположен регулируемый дроссель 8 с камерами разделения потоков 7, 9 по обе стороны.

Работает устройство следующим образом.

1. Рассмотрим процесс охлаждения теплообменников 1, 15.

При включении привода два нагнетателя-энерго разделителя 5,11 с расположенными внутри в каждом по две осевые турбины особой конструкции с полыми втулками по центру 3, 6 и 10, 13, начинают вращаться в противоположные стороны захватывая энергоноситель из полостей теплообменников 2, 14 через внешние заборникамии энергоносителя 1-5, 11-15 . При втекании энергоносителя в полости энерго разделения 4, 12 образуются интенсивные круговые потоки по периферии с противоположной круткой, которые встречаются друг с другом в камерах разделения потоков 7, 9 и вытекают через дроссель 8 в виде горячего потока. В камерах разделения потоков 7, 9 одновременно формируются приосевые обратные круговые потоки, которые направлены противоположно круговым потокам по периферии и имеют противоположную крутку. Благодаря организации такого процесса вращения одного потока внутри другого в противоположных направлениях и с противоположной круткой осуществляется процесс энерго разделения. Источником приосевого обратного потока для камеры энерго разделения 4 является нагнетатель-энергоразделитель 11. И наоборот. Источником приосевого обратного потока для камеры энерго разделения 12 является нагнетатель –энергоразделитель 5. Приосевые обратные потоки заметно охлаждаются в полости энерго разделения 4, 12, отводятся в виде холодного потока в теплообменники 1, 15 где спрямляются (убирается крутка) и тормозятся в полостях 2, 14 , отдавая им тепло. Смешиваются с небольшой частью энергоносителя от внешнего заборника 1-5, 11-15 и весь процесс повторяется снова. Регулируя ширину дросселя 8 и входные площади внешних заборников энергоносителей 1-5, 11-15 изменяем общий уровень давления энергоносителя в системе , тем самым изменяем общее количество холодного потока, который будет многократно использоваться в работе системы.

2. Рассмотрим процесс нагрева теплообменников 1, 15.

При включении привода два нагнетателя-энерго разделителя 5, 11 с расположенными внутри в каждом по две осевые турбины особой конструкции с полыми втулками по центру 3, 6 и 10, 13, начинают вращаться в противоположные стороны, захватывая энергоноситель из полостей камеры разделения потоков 7,8 через окно 8 и одновременно из противоположных приосевых зон осевых турбин особой конструкции 6, 10. При втекании энергоносителя в полостях энерго разделения 4, 12 образуются интенсивные с повышенной температурой круговые потоки по периферии с противоположной круткой. Благодаря организации такого процесса вращения одного потока внутри другого в противоположных направлениях и с противоположной круткой осуществляется процесс энерго разделения. Источником приосевого обратного потока для камеры энерго разделения 4 является нагнетатель-энергоразделитель 11. И наоборот. Источником приосевого обратного потока для камеры энерго разделения 12 является нагнетатель-энергоразделитель 5. Круговые потоки по периферии с повышенной температурой поступают в теплообменники 1, 15 где спрямляются и тормозятся в полостях 2, 14 , отдавая им тепло. Большая часть потока с небольшой частью новой порции энергоносителя от внешнего заборника 1-5, 11-15 снова поступает с одной стороны в приосевую полость 4 за счёт всасывания нагнетателя-энергоразделителя 11, с другой стороны в приосевую полость 12 за счёт всасывания нагнетателя-энергоразделителя 5 и весь процесс повторяется снова. Регулируя ширину дросселя 8 и входные площади внешних заборников энергоносителей 1-5, 11-15 изменяем общий уровень давления энергоносителя в системе, тем самым изменяем общее количество тёплого потока, который будет многократно использоваться в работе системы.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Была собрана упрощённая модель вихревого реверсивного турбо-компрессионного термопреобразователя, см. рис. № 10.10.3.

Рис. № 10.10.3. Модель вихревого реверсивного турбо-компрессионного термопреобразователя.

Упрощённая модель тестировалась на нагрев / охлаждение боковых статических теплообменников. Изменение направления вращения ротора должно привести к изменению направления нагрева / охлаждения теплообменников. В упрощённой модели теплообменниками являлись обыкновенные стальные банки.

ВЫВОД.

Экспериментальные работы подтвердили гипотезу — объединение процесса нагнетания и процесса энерго разделения теплоносителя в один процесс повышает КПД терморазделения.

Упрощённая модель вихревого реверсивного турбо[1]компрессионного термопреобразователя (холодильника) обеспечила вращение двух роторов с скоростями вращения +1000 об/мин и – 1000 об/мин относительно друг друга.  

Упрощённая модель вихревого реверсивного турбо-компрессионного термопреобразователя (холодильника) обеспечила нагрев / охлаждение теплообменников в пределах +-5 градусов, в зависимости от направления вращения (направления вихревых потоков внутри вихревого турбо-компрессионного термопреобразователя).

Вихревой реверсивный турбо-компрессионный термопреобразователь, изготовленный с полноценными теплообменниками способен обеспечить охлаждение воздуха на порядок лучшее, чем удалось зафиксировать в эксперименте с упрощённой моделью вихревого реверсивного турбо-компрессионного термопреобразователя.

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. № 9.8.1.

Рис. № 9.8.1. 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:

1. Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток  с повышенной температурой 16,15.
2. Горизонтальный торовый вихревой противоток с пониженной температурой  14.
3. Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток с повышенной температурой 3, 20.
4. 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.

         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. № 10.8.2.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Была собрана модель см. рис. № 9.8.2.

Рис. № 9.8.2. Модель вихревого двигателя / холодильника.

Модель тестировалась на проверку гипотез температурных изменений, на которых базировался принцип работы вихревого холодильника:

1. Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.

2. Горизонтальный торовый вихревой противоток имеет пониженную температуру.

3. Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.

4. Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток имеет пониженную температуру.

ВЫВОД.

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 +- 1 градус.

Для продолжения экспериментальных работ необходимо изготовить полномасштабную модель с электрическим приводом и частотой вращения ротора в десятки оборотов в секунду.

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.

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. № 9.9.1.

Рис. № 9.9.1.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. Такого рода оптимальность подсказывается (Т.Е.Фабер. Гидроаэродинамика. М., Постмаркет, 2001. — 560 с.) природой (ячейки Бенара).

Такая организация спирального вихревого движения  совместно с установкой терморазделительных диффузоров 2, 8, 11 обеспечивает формирование воздушных потоков  четырёх направлений с терморазделением на:

1. Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток  с повышенной температурой 16,15.
2. Горизонтальный торовый вихревой противоток с пониженной температурой  14.
3. Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток с повышенной температурой 3, 20.
4. 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 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.

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). 

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. № 9.2.

Рис. № 9.2. Модель вихревого двигателя / холодильника.

Модель тестировалась на проверку гипотез температурных изменений без дополнительного нагрева горизонтального торового вихревого потока, на которых основывается принцип работы предлагаемого вихревого двигателя:

1. Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.

2. Горизонтальный торовый вихревой противоток имеет пониженную температуру.

3. Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.

4. Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток имеет пониженную температуру.

ВЫВОД.

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.

Для продолжения экспериментальных работ необходимо изготовить полномасштабную модель с электрическим приводом и частотой вращения ротора в десятки оборотов в секунду.

Основываясь на полученных предварительных данных эксперимента с упрощённой резиноимоторной моделью можно предположить следующее:

1. Полномасштабная модель двигателя при больших скоростях вращения ротора выведет градиент температур воздушных потоков на новый уровень.

2. 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.

3. 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.