Для лазерной генерации известны два метода получения инверсной населенности.
Первый метод получения инверсной населенности.
Первый метод реализован в существующих газодинамических лазерах. Существующие газодинамические лазеры на колебательно-вращательных переходах в молекулах газа осуществляют излучение в основном в ближней и средней инфракрасной области спектра. В них газовая смесь с давлением 15 атмосфер и температурой 1500 градусов расширяется через сопло. Истечение из сопла адиабатическое. На выходе температура газа резко падает. Таким образом после зоны расширения за соплом будет достаточно широкая область с инверсией населённости.
Второй метод получения инверсной населенности.
Второй метод, как быстрый нагрев газа (например, в ударной волне), когда Т> Т1 предлагается реализовать в заявленном лазере на встречных детонационных волнах.
Метод основан на встречном “сжатии” двух и более волн детонационного горения газоовоздушной смеси в общем центре.
Генерация лазерного излучения по второму методу.
Рассмотрим принципиально новый резонатор на основе новой геометрической фигуры 2-го порядка с переменной отрицательной кривизной – псевдогиперболоиде.
Псевдогиперболоидом 2-го порядка можно назвать разомкнутую объёмную полость с переменной отрицательной кривизной, которая образована вращением усеченной гиперболы вокруг оси F, параллельной оси фокусов F1F2 гиперболы и смещенной от нее на R. Рассмотрим образующую в виде усеченной гипербол, описываемую уравнением:
где a = b = 1.
При осевом вращении образующей относительно оси симметрии F, получается поверхность вращения с вогнутыми стенками (отрицательная кривизна), потенциально способная фокусировать и волновую энергию в цилиндрической оси фокусов F1F2.
Рис. № 1. Разомкнутая образующая в виде двух усеченных симметричных гипербол.
Ход лучей внутри песвогиперболлоида
А) Лучи, направленные в фокусы
В идеальных условиях, согласно фокальному свойству гиперболы — луч, направленный на один из фокусов (F2), отражается на второй фокус (F1). 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 F1-F2) – попадает в ловушку. Произойдет концентрация лучей по оси фокусов гиперболы F1-F2 в идеальных условиях.
Рис. № 2. Распространение лучей, направленных в фокус псевдогиперболоида.
В) Спиралевидное/гелиоидное сближение с осевой областью
Внеграничные лучи, попадающие на стенки под углом, в большинстве случаев будут многократно отражаться, “обтекая” ось резонатора спиралью. Это распространено во многих волноводных или резонаторных системах. Отражения постепенно приближают траекторию луча к цилиндрической оси фокусов.
Механизм можно сравнить с оптической воронкой — структура, втягивающая световые лучи к своей оси. Только в данном случае фокус существует не как точка, а как цилиндрическая область, к которой стремятся лучи.
Для использования в качестве резонатора в нём необходимо предусмотреть выходную апертуру в месте сосредоточения ЭМ энергии.
Для этого изменим немного трактрису. Возьмём усечение одной ветви гиперболы со стороны выхода ниже оси фокусов, равном длина волны/2. Например, для ИК 5-50 мкм
В этом случае будет происходить не только концентрация лучей к диаметральной оси фокусов гиперболы, но и узко направленное цилиндрическое распространение по оси фокусов в одном направлении потока с толщиной “стенки” излучения, равной длине волны.
Схема
Реализация лазера представлена на следующем рисунке
Два источника волн детонационного горения, генерируя ударные волны со скоростями порядка 2000–3000 м/с и температурами выше 2000 C, создают условия для интенсивного возбуждения молекулярных уровней газа.
При встрече этих волн в объёме, ограниченном псевдогиперболоидным (или иным фокусирующим) резонатором, происходит резкое повышение давления и локальная компрессия газа, сопровождаемая дополнительным нагревом, который может превышать 3000 градусов
Такие резкие изменения температур вызывают инверсию населённостей на колебательно-вращательных уровнях молекул (например, CO, CO2, N2O, HCl и др.). Это создаёт условия для вынужденного излучения — основы лазерной генерации, поскольку переходы происходят между колебательно-вращательными уровнями, длины волн излучения попадают в ближний (около 1–3 мкм) и средний (от 3 до 8 мкм) инфракрасный диапазон спектра.
Таким образом, описанный процесс — это реализация безэлектродного лазера, где энергетическая накачка осуществляется исключительно за счёт газодинамических процессов, без участия электрических разрядов или оптической накачки.
Заключение
Использование волн детонационного горения в конфигурации с встречным сжатием внутри псевдогиперболоидного резонатора позволяет эффективно формировать инверсию населённостей молекулярных уровней без применения традиционных методов накачки. Такой подход обеспечивает сверхбыстрый нагрев газа до температур, достаточных для возбуждения колебательно-вращательных переходов, что приводит к генерации когерентного излучения в ближней и средней инфракрасной области спектра. Полученный лазерный выход может быть использован в различных приложениях — от дистанционного зондирования и спектроскопии до оборонных и промышленных технологий. Этот метод представляет собой перспективное направление в области разработки высокоэнергетических газодинамических ИК-лазеров.
Рассмотрим принцип работы и конструктивное исполнение детонационно-вихревой ротационной топки-теплообменника.
Работа детонационно-вихревой ротационной топки-теплообменника основывается на синергии нескольких условий:
1. В качестве источника волн детонационного горения используются трубчатые детонационные горелки. Их достоинство, это самая высокая энергетика детонационного горения и простота конструктивного исполнения. К сожалению, они имеют существенный недостаток, как низкая частота следования волн детонационного горения (не более несколько герц). Общий КПД такой грелки низкий, несмотря на высокий КПД единичного детонационного импульса. Сжигание мелко дисперсионных порошков в волнах детонационного горения с частотой следования в несколько герц – не возможно.
2. Для увеличения общего КПД используются несколько трубчатых детонационных горелок, работающие поочерёдно по типу “револьвера” – механического вращающегося клапана с низкой частотой вращения на одну общую нагрузку – вихревую камеру детонационного горения. Принцип работы основан на последовательном формировании волны детонационного горения в каждой детонационной горелке посредством вращающегося клапана. При этом, в других горелках происходит процесс подготовки топливовоздушной смеси к детонационному горению за счёт «вакуума», который сопровождает детонацию после расширения от предыдущего цикла детонационного горения.
3. Для увеличения общего КПД изменяется направление распространения следующих друг за другом волн детонационной горения с прямолинейного на вихревое в полузамкнутом пространстве. Такое конструктивное решение формирует в приосевой зоне распространения волн детонационного горения пониженное давление с одновременным сжатием (локализацией) по спирали. В приосевую область детонационно-вихревого горения вводится мелко дисперсионный порошок любых отходов для полного сжигания. При температуре в вихревой волне детонационного горения 3000-3500 °С происходит сверх высокотемпературное сжигание (разложение) любых мелко дисперсионный отходов. Кроме этого, при таких температурах происходит разрыв прочной связи атомов углерода с атомами кислорода, т.е. термическое разложение СО2. Утилизация любых отходов происходит самым безопасным способом.
Детонационно-вихревая ротационная топка-теплообменник сверх высокотемпературного сжигания любых мелко дисперсионных отходов с тангенциальным расположением 4-х низкочастотных импульсных горелок показана на рис. № 8.26.1.
В конструктивном плане детонационно-вихревая ротационная топка-теплообменник представляет собой коаксиальный цилиндр, в котором внешний цилиндр неподвижен, а внутренний цилиндр принудительно вращается с частотой не более 2-3 об/сек. Вращение внутреннего цилиндра обеспечивается системой из двух коаксиальных редукторов.
Во внутреннем вращающемся цилиндре происходит детонационно-вихревое сжигание любых мелко дисперсионных отходов. Внутренний вращающийся цилиндр одновременно выполняет роль механического револьверного затвора, обеспечивающего последовательную инициацию волн детонационного горения от нескольких трубчатых детонационных горелок. Между неподвижным и вращающимся цилиндрами циркулирует теплоноситель – вода. Вода выполняет одновременно две функции — охлаждение внутреннего вращающегося цилиндра и передача тепловой энергии внешним потребителям.
Сверху неподвижного цилиндра внутрь вращающегося цилиндра подаётся аксиально мелко дисперсионный порошок для сжигания.
Тангенциально к внешнему неподвижному цилиндру топки подходят 4 — 8 трубчатых источников волн детонационного горения. 4 детонационные горелки формируют волны детонационного горения с частотой следования 12 Гц. Восемь горелок будут формировать волны детонационного горения с частотой следования 24 Гц. Таких частотных характеристик уже достаточно для детонационно-вихревого сжигания любых мелко дисперсионных порошков.
ВЫВОД:
Температура в вихревой волне детонационного горения 3000-3500 °С и частота следования 24 Гц внутри вихревой камеры позволят самым эффективным образом сжигать любые мелкодисперсное отходы. Кроме этого, при таких температурах происходит разрыв прочной связи атомов углерода с атомами кислорода, т.е. термическое разложение СО2. Это означает, что сжигание любых отходов происходит самым безопасным способом с экологической точки зрения.
Современные детонационные двигатели с вращающимся фронтом детонационного горения (спиновые) на сегодняшний день представляют собой одно из наиболее перспективных направлений в области высокоэффективной тяги и энергетики. Их уникальность заключается в использовании сплошного детонационного горения в виде вращающейся волны, распространяющейся по кольцевой камере.
В отличие от классических турбореактивных и жидкостных ракетных двигателей, в которых сгорание происходит в режиме дефлаграции (дозвукового распространения пламени), в спиновом детонационном двигателе применяются сверхзвуковые фронты горения. За счёт этого значительно повышается термодинамический КПД, увеличивается удельный импульс, снижается потребность в массивных камерах сгорания и уменьшается масса двигателя.
Однако, несмотря на показанные в экспериментах преимущества, широкое внедрение спиновых детонационных двигателей тормозится рядом нерешённых проблем, главная из которых — сложность устойчивого поддержания детонационной волны. В большинстве существующих прототипов волна легко теряет устойчивость из-за неправильной синхронизации подачи топлива, неравномерного воздушно-топливного потока, возникновения паразитных дефлаграционных фронтов или эхов волн в камере.
Подача топлива в традиционных схемах организована либо через постоянные форсунки, либо через открытые кольца подачи, что не обеспечивает согласованности с мгновенным положением волны. В результате, несмотря на мощный потенциал, спиновые детонационные двигатели остаются нестабильными, а в ряде режимов даже опасными для повторяемого использования.
Именно на этом этапе возникает необходимость в принципиально новом подходе к организации как подачи топлива, так и подготовки смеси.
Одним из вероятных решений, способных «спасти» концепцию спиновых детонационных двигателей и вывести их из стадии лабораторных экспериментов в реальные аэрокосмические применения, является механическая синхронизация топливной подачи.
Предлагается принципиально новый подход к решению задачи синхронизации: замена множества отдельных традиционных клапанов на механически масштабируемую и устойчивую к сбоям систему управления впрыском топлива. Такая механическая «волна подачи» соответствует траектории вращающегося фронта детонационного горения, что должно теоретически обеспечить непрерывную и надёжную работу даже при высоких частотах вращения детонационной волны.
Предлагаемая концепция спирально-волнового спинового детонационного двигателя вводит высокоточную механическую клапанную систему, синхронизированную с положением детонационной волны. Это позволяет обеспечить устойчивое и управляемое распространение детонации и сделать спиновые детонационные процессы пригодными для практического применения.
Тем самым спирально-волновой детонационный двигатель может рассматриваться не просто как модификация спинового двигателя, а как системное решение их фундаментальных конструктивно-физических ограничений. Открывая путь к созданию нового поколения компактных, мощных и надёжных тяговых установок.
2. Конструктивное исполнение.
Конструкция спирально-волнового детонационного двигателя представляет собой интегрированный многокомпонентный агрегат, в котором объединяются элементы гидродинамики, детонационной аэродинамики, высокоточной механики и термостойких материалов. Уникальность конструкции заключается в сочетании кавитационного блока с устойчивой спиновой детонационной камерой, управляемых через синхронизирующую клапанную систему. Ниже подробно рассматриваются все ключевые узлы и их функции.
Общая архитектура двигателя:
Кавитационный блок (фаза I — подготовка топлива).
Превращает топливо в активную эмульсию с нанопузырьками, повышающую детонационную чувствительность.
Суть технологии – при повороте одного диска на 1 сегмент (штору) относительно другого — зона совпадения отверстий смещается на 1 позицию вдоль по всей длине спирали, создавая эффект бегущей волны открытия/закрытия клапанов.
Вариант конструктивного исполнения механической клапанной системы показан на следующем рисунке.
Рис. № 1. Механическая клапанная система
Геометрия механической клапанной системы: два соосных диска. Один диск вращается, второй статичен/вращается в противофазе. На неподвижном диске размещены форсунки по спирали. На вращающемся диске размещены радиально-тангенциально так называемые шторы. Шторы являются источниками топлива и воздуха для форсунок, которые размещены на неподвижном диске.
Число витков спирали неподвижного диска: 1-50. Число отверстий (распылительных форсунок): 50-100000. Вращение приводит к последовательному совмещению отверстий, создаётся «бегущая дорожка» открытий / закрытий. Такая система позволяет формировать спиральную волну открытия/закрытия форсунок с частотой до 1-10 МГц (кажущаяся скорость волны).
Через отверстия клапанной системы происходит синхронизированная раздельная подача воздуха и топлива в область перед фронтом детонационной волны, без предварительного смешивания.
Предварительное смешивание топлива и окислителя в спиновых двигателях не является обязательным. Связано это с тем, что детонационная волна (~2000 м/с) создаёт ударный фронт, который сжимает и нагревает свежие порции топлива и окислителя. Вызывает их автоматическое смешивание в зоне высокого давления перед волной.
С учётом того, что скорость волны детонационного горения составляет ориентировочно 2000 м/сек — приведём ориентировочный расчёт механической клапанной систем.
Имеется неподвижный клапанный диск, который одновременно является основанием камеры детонационного горения со следующими характеристиками:
— D1 = 0.025 м (наружный диаметр неподвижного диска),
— D2 = 0.3.91 м (внутренний диаметр вращающегося диска),
— D3 = 2 мм (диаметр форсунки),
— N1 = 72 (количество форсунок на 1 витке спирали),
— K = 10 (количество витков спирали),
— N = 720 (количество форсунок на спирали),
— F = 10 об/с (частота вращения диска).
Рассчитаем скорость переключения клапанов по спирали.
Длинна архимедовой спирали:
L ≈ π⋅K⋅(R1+R2) = 3,9 м.
Скорость переключения клапанов по спирали (скорость волны):
V= N1⋅ L⋅ F = 10⋅72 ≈ 2808 м/с.
Таким образом высокоточная синхронизация подачи компонентов топлива и воздуха (±0,01 мм) позволяет эффективно работать с фронтом детонации. Расчёт скорости переключения клапанов (2808 м/с при 10 об/с) соответствует требуемой скорости распространения фронта детонации (≈2000 м/с), что подтверждает допустимость механического метода согласования.
Детонационная камера.
Цилиндрическая. Неподвижный клапанный диск механической клапанной системы с форсунками (воздух, топливо) является одновременно цилиндрической камеры детонационного горения. Детонационная волна циркулирует со скоростью до 2000 м/с. Период вращения: каждые 700–1000 мкс один виток.
За счёт размещения большого количества форсунок, последние выполняют функцию охлаждения.
Система зажигания.
Обеспечивает первичную инициацию детонационной волны. После первой инициации задействуется режим автоподдержания, и источник искры становится резервным.
Система управления и обратной связи.
Обеспечивает постоянный анализ положения фронта детонации.
Информация идет в управляющий блок, который обеспечивает подстрой ку скорости вращения одного диска механической клапанной системы
Реактивное сопло.
Преобразует давления в кинетическую энергию реактивной струи. Тип: Лаваля (сужающееся-расширяющееся), адаптировано под скачкообразный выхлоп от детонационной волны.
3. Потенциальные трудности.
Точность клапанной системы ± 0.01 мм.
Материалы. Рабочие температуры 2500–3000°C при 25 атм. требуют новых композитов (например, C/SiC, UHTC-керамика).
4. Вывод.
Спирально-волновой детонационный двигатель представляет собой пример принципиально новой научно-инженерной концепции, находящейся на стыке сразу нескольких передовых направлений — детонационной аэродинамики, гидродинамической активации топлива, высокоточной механики и автоматизированной синхронизации потоков. Уникальность данной разработки заключается в системном подходе к решению наиболее фундаментальной проблемы спиновых детонационных двигателей — удержанию устойчивой вращающейся детонационной волны. Вместо традиционной подачи топлива через статические форсунки или открытые конфигурации, предлагается оригинальное решение — механическая клапанная система, способная обеспечивать точную пространственно-временную синхронизацию подачи компонентов рабочего тела с положением фронта детонации.
Особое внимание заслуживает инновационный принцип работы клапанного блока: за счёт использования двух дисков с большим числом микросопел достигается эффект бегущей волны подачи, синхронизированной с вращением детонационного фронта по кольцевой камере. Это позволяет исключить паразитные дефлаграционные процессы, минимизировать эхофеномены, существенно повысить устойчивость горения и, в конечном итоге, добиться более высокого термодинамического и тягового КПД. Немаловажно и то, что за счёт миниатюризации элементов управления и интеграции кавитационного блока достигается серьёзное сокращение габаритов и массы двигателя.
В физическом плане процесс дистанционного подрыва противопехотных мин (разминирования) осуществляется путём воздействия на детонаторы противопехотных мин упругими высоко энергетическими тороидальными вихревыми газовыми кольцами.
Особенностью таких воздушных вихревых тороидальных газовых колец является то, что при линейном распространении газовые кольца переносятся на достаточно большие расстояния почти всю энергию формирования.
Для понимания происходящих процессов можно обратиться к всем известному школьному эксперименту по физике с ящиком Вуда, который демонстрирует образование и движение низкоэнергетических вихревых колец. При этом такая стрельба воздушными кольцами не является чем-то новым. Курильщики любят пускать слабо энергетические дымовые кольца, которые могут, что только на небольшом расстоянии ронять вертикально стоящие спички.
Основная проблема в этом случае заключается в том, чтобы сформировать высокоэнергетическое воздушное тороидальное кольцо с внутренней энергией, которое при соприкосновении с любым препятствием в любом месте (сверх, вниз и т.п.) воздействовало на него с усилием взрослого человека, а именно, в 90 кг.
ТЕХНОЛОГИЯ
Вихре кольцевая газовая пушка представляет собой полузамкнутый патрубок детонационного горения топливовоздушной смеси со сферическим резонатором на выходе.
Вихре кольцевая газовая пушка формирует высоко энергетические газовые вихревые кольца с частотой следования не более 3 герц.
Принцип работы вихре кольцевой газовой пушки основан на преобразовании в сферическом резонаторе линейных волн детонационного горения топливовоздушной смеси в высоко энергетические вихревые кольца. В этом случае продукты детонационного горения обладают огромной кинетической энергией, большая часть которых переходит в энергетику вихревого газового кольца и распространяется на значительное расстояние для заявленных целей.
Вариант конструктивного исполнения вихре кольцевой газовой пушки представлен на рис. № 8.23.1
Рис. № 8.23.1. Схема детонационной пушки с сферическим резонатором на выходе.
Рабочий процесс предложенной воздушной вихревой импульсно-детонационной пушки основан на периодической подаче в детонационный патрубок топливовоздушной смеси, периодическом поджигании электро-искровым способом топливовоздушной смеси, распространении детонации в сферический резонатор и истечения продуктов в окружающее пространство формируя высокоэнергетическое вихревое кольцо.
ЧТО СДЕЛАНО НА ТЕКУЩИЙ МОМЕНТ:
Собран прототип генератора со сферическим резонатором диаметром 0,08 м. См. рис. № 8.23.2.
Рис. № 8.23.2. Прототип генератора со сферическим резонатором диаметром 0,08 м.
Собран прототип генератора со сферическим резонатором диаметром 0,15 м. См. рис. № 8.23.3.
Рис. № 8.23.3. Прототип генератора со сферическим резонатором диаметром 0,15 м.
Визуализация формирования вихревого кольца показана на рис. № 8.23.4. Вихревое кольцо на расстоянии 1 метр сдвигает с места тестовый куб размером 0,15*0,15*015 м. и весом 5 кг.
Рис. № 8.23.4. Вихревое газовое кольцо на выходе сферического резонатора.
ВЫВОД:
Выведена зависимость энергии, переносимой вихревым кольцом от размеров детонационной трубы, как квадрат произведения длинны на внутренний диаметр — (L*D)² .
Предлагается рациональная классификации существующих и будущих детонационных источников энергии, которые только разрабатываются или ещё не придуманы для использования в различных технологических процессах промышленного производства.
В структуре рациональной классификации заложены векторы возможного направления развития таких идей.
Такая классификация позволит оценить конструктивные исполнения, технически возможности, достоинства и недостатки различных типов детонационных источников энергии и увидеть вектор возможного дальнейшего развития.
Классификация основывается с учётом следующих признаков:
Геометрические признаки. Характеризуют формы камер, в которых происходит детонационное горения топливовоздушной смеси. Все детонационные источники энергии по данному признаку разделяются на:
— Детонационные источники энергии цилиндрической формы
— Детонационные источники энергии полусферической формы.
2. Конструктивные признаки формирования топливовоздушной смеси для детонационного горения. Характеризуют способы и места ввода топливовоздушной смеси непосредственно внутрь камеры детонационного горения. Все детонационные источники энергии по данному признаку разделяются на:
— Бесклапанные.
— Одно клапанные с механическим управлением.
— Одно клапанные с электромагнитным управлением.
— Много клапанные с механическим управлением (сверхвысокоскоростные).
— Много клапанные электромагнитным управлением (сверхвысокоскоростные).
Для каждого типа детонационного источника энергии характерны определённые частоты следования волн детонационного горения и как следствие — энергетические характеристики.
На основании выше изложенного предлагается следующая классификация (классификационные решения) всех детонационных источников энергии с визуализацией возможных дальнейших направлений векторов развития таких источников энергии.
В таблице № 6.1 такими векторами развития конструктивного исполнения будущих детонационных источников энергии являются пустые ячейки.
Процесс детонационного напыления защитных покрытий был впервые разработан в 1955 году Х. Б. Сарджентом, Р. М. Пурманом и Х. Миногой.
Этот процесс позволяет наносить очень твердые и плотные поверхностные покрытия, которые полезны в качестве износостойких покрытий. По этой причине детонационное распыление обычно используется для защитных покрытий в авиационных двигателях, штекерных и кольцевых датчиках, режущих кромках (ножах), трубчатых сверлах, лопастях ротора и статора, направляющих рельсах или любом другом металлическом материале, подверженном высокому износу.
Обычно материалами, которые распыляются на детали при детонационном напылении, являются порошки металлов, металлических сплавов и металлокерамики, а также их оксиды (алюминий, медь, железо и др.).
Детонационное распыление покрытий наносится с помощью детонационного пистолета, который состоит из длинного металлического ствола с водяным охлаждением, содержащего впускные клапаны для введения газов и порошков в камеру. Предварительно выбранное количество защитного материала покрытия в виде порошка с размером частиц 5–60 мкм вводят в камеру. В камере кислород и топливо поджигается свечой зажигания для создания сверхзвуковой ударной волны, которая выталкивает смесь расплавленного и/или частично расплавленного и/или твердого сырья (в зависимости от типа используемого материала из ствола на распыляемый объект. Затем ствол очищается с помощью короткой очереди азота, прежде чем D-пушка готова к повторному выстрелу.
Частота следования волн детонационного горения в данной технологии ограничена 20 Гц.
ДОСТОИНСТВА СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ
— возможность получения покрытий из большинства порошков, плавящихся при температуре до 2800 °С без разложения.
— возможность нанесения покрытий на различные материалы (металлы, керамику, стекло, пластмассу и др.);
— отсутствие деформации напыляемой поверхности;
— возможность получения покрытий с пористостью 0,5— 1,5% и высокой прочностью сцепления покрытий;
— возможность управлять химическим составом продуктов детонации за счет регулирования газового режима;
НЕДОСТАТКИ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Детонационное напыление из-за своего импульсного режима работы является не слишком производительным методом (по сравнению, например, с высокоскоростным газопламенным напылением).
Детонационное напыление экономично для напыления поверхностей площадью не более нескольких квадратных сантиметров.
ЗАДАЧА
Исходя из недостатков детонационного напыления, необходимо предложить технологию промышленного нанесения защитных покрытий на большие площади, например для производства стального листа с цинковым, алюминиевым и т.п. защитным покрытием, которое в разы прочнее классике горячего оцинкования или алюминирования.
ПРЕДЛАГАЕМОЕ РЕШЕНИЕ
Классические трубчатые источники волн детонационного горения
для заявленных целей нанесения покрытий на большие площади в условиях промышленного производства не эффективны. Связано это в первую очередь с частотами следования волн детонационного горения, которые ограничены конструктивными особенностями самих источников волн детонационного горения. В пределе частота следования волн не превышает 20 гц.
Исходя из выше изложенного, предлагается использовать для заявленных технологических целей источники волн детонационного горения, работающие в квазиимпульсном (почти непрерывном) режиме работы с энергетическими характеристиками одной волны детонационного горения со скоростями уровня 2000 м/с и температурой во фронте уровня 3000°С. С частотой следования волн детонационного горения более 1 кГц.
Такие высокочастотные (квазирезонансные) источники энергии, конструктивные особенности, принципы работы и т.п. наиболее подробно изложены в книге: Детонационные технологии как новый технологический тренд в промышленности [2].
К таким высокочастотным источникам волн детонационного горения относятся полусферические детонационно-резонансные горелки и спиновые источники волн детонационного горения с механическими и электромагнитными системами клапанов управления детонационного горения.
Заявленные источники волн детонационного горения работают на частотах 1-10 кГц, что вполне достаточно для заявленных промышленных целей нанесения защитных покрытий на большие площади.
Для примера, схематически, предлагаемое решение на основе полусферической детонационно-резонансной горелки представлено на рис. № 8.19.1.
Полусферическая детонационно-резонансная горелка размещается сверху стального, движущегося листа. Сверху полусферы горелки размещён бункер с клапаном дозатором. В бункере находится жидкий металл.
Рис. № 8.19.1. Квазиимпульсная технология напыления защитных металлических покрытий.
Подготовленное топливо поступает для смешивания с вторичным воздухом непосредственно перед кольцевым выходным соплом в короткую кольцевую зону смешивания. Смешивание происходит путём инжекции подготовленного топлива вторичным воздухом с большой скоростью.
После инжекции, подготовленная к детонационному горению топливовоздушная смесь поступает в кольцевое сопло. На выходе в фокусе полусферы формируется высокоскоростной поток за счёт кольцевого сопла, которое изготовлено по профилю поперечного сечения сопла Лаваля. Такой профиль позволяет сформировать радиальный центростремительный поток топливовоздушной смеси со сверхзвуковой скоростью. Большая скорости потока топливовоздушной смеси не допускает его самовоспламенения.
Одновременно в эту центральную область поступает порционно жидкий металл из бункера.
Заключительный этап – инициация детонационной волны электроискровым поджогом с частотой, равной частоте следования волн детонационного горения.
После инициации формируется фронт бегущей волны детонационного горения с сверхвысокой температурой, давлением и сверхзвуковой скоростью. Волна детонационного горения придаёт порции жидкого металла высокую энергетику для заявленных целей формирования защитного покрытия на стальном листе. Затем цикл повторяется с частотой 1 кГц.
Можно сказать, что такая полусферическая детонационно-резонансная горелка работает в квазиимпульсном (почти непрерывном) режиме формирования волн детонационного напыления
Пример детонационно-резонансной горелки представлен на рис. 8.19.2
Рис. № 8.19.2. Детонационно-резонансная горелка с полусферическим резонатором
ВЫВОД
— Переход от классических трубчатых низкочастотных (20 Гц.) источников волн детонационного горения на высокочастотные с частотами 1-10 кГц позволит расширить сферу применения детонационного способа напыления защитных покрытий. Это относится в первую очередь к высокочастотным источникам волн детонационного горения полусферического детонационно-резонансного типа и спинового типа с механическими и электромагнитными системами клапанов управления детонационного горения.
— Заявленный способ обеспечит массовое, площадное нанесение защитных покрытий, и что самое главное, с более высокими характеристиками, которые не доступны, например, горячему способу оцинкования или алюминирования стального листа. Это обеспечивается, в отличии от классических технологий горячего нанесения покрытий, за счёт следующего:
При детонационном воздействии (высоко скоростное, высоко кинетическое, высоко температурное воздействие) расплавленные частицы покрытия ударяются о более холодную поверхность с последующим растеканием и одновременным затвердеванием. По мере растекания уже затвердевшая часть покрытия бомбардируется новой порцией высоко кинетического жидкого покрытия, обеспечивая большую адгезию с подложкой (стальным листом).
— Процесс детонационного горения в заявленных высокочастотных (квазиимпульсных) источниках и параметры и сочетания различных продуктов детонационного напыления легко регулируются. Таким образом можно получать материалы с новыми характеристиками.
Получение порошков металлов методом газового распыления является относительно простым и дешевым технологическим процессом. При этом, и это важно — уровень “микронности” ограничен энергетическими характеристиками первичного газового потока:
Размер образующихся частиц зависит от скорости газового потока.
Размер образующихся частиц зависит от энергетики газового потока.
Размер образующихся частиц зависит от температуры газового потока. Наиболее эффективно распыление идёт при температуре газового потока, совпадающего с температурой расплава или выше её, так как вязкость и поверхностное натяжение при этом не претерпевают изменений в процессе дробления струи из-за отсутствия переохлаждения расплава.
ПРЕДЛОЖЕНИЕ
Анализируя выше поименованные ограничения получается, что для увеличения эффективности процесса получения мелко дисперсионных порошков микронного уровня необходимо увеличивать энергетику, скоростные и температурные характеристики первичного газового потока.
Исходя из выше изложенного, предлагается обратить внимание на детонационные источники энергии в качестве источника первичного высокоскоростного, высокоэнергетического и высокотемпературного
Детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-3500 °С. Мощность тепловыделения в детонационном фронте на несколько порядка выше дефлаграционного фронта (обычного горения).Продукты детонации обладают огромной кинетической энергией. Теплопередача от продуктов детонации к теплоносителю существенно выше, чем при использовании обычного горения, ввиду огромной конвективной составляющей.
Наиболее подробно принципы работ, виды, типы, особенности, конструктивные исполнения детонационных источников энергии заявлены здесь:
Предлагается для заявленных целей в качестве источника высокотемпературного, высокоскоростного и высокоэнергетического газового потока использовать классическую сферическая детонационно-резонансную горелку, например такого конструктивного исполнения, ссылка:
Предлагаемое конструктивное исполнения по заявленному способу достаточно просто и выглядит согласно рис. № 8.16.1.
Сферическая детонационно-резонансная горелка размещена сверху по центру достаточно габаритного пылеуловительного бункера. Сама горелка имеет конструктивное отличие от классики тем, что дополнительно на наружной части сферического резонатора горелки в центральной части установлена ёмкость с жидким металлом. В ёмкости внизу на выходе установлен клапан регулировки потока подачи жидкого металла. Бункер снабжён по средине пылеуловительными тарелками и нижним затвором для выгрузки мелко дисперсионного порошка металла.
Жидкий металл гравитационным способом подаётся в фокус сжатия/разряжения волн детонационного горения классической детонационно-резонансной горелки. Структура потока определяется клапаном регулировки подачи жидкого металла.
Разрушение жидкого металла начинает происходить непосредственно в фокусе формирования следующих друг за другом волн детонационного горения в детонационно-резонансной горелке. Затем частицам жидкого металла придаётся значительное ускорение следующими друг за другом сверхзвуковыми волнами горения/сжатия.
Происходит высоко энергетическое, высокотемпературное и высокоскоростное распыление жидкого металла. Время пребывания частичек металла в волнах горения несоизмеримо мало, поэтому последние не успевают сгореть с образованием оксидов. Продукт распыления оседает в крупногабаритном бункере с встроенными пылеуловительными тарелками.
Предлагается использовать волны детонационного горения с температурами уровня 2000 градусов и скоростями уровня 2000 м/сек в качестве источника первичной энергии для целей проявления вихревого терморазделительного эффекта в системе из последовательно соединённых по схеме “осевой горячий выход — следующий вход” нескольких прямоточных вихревых труб .
ВСТУПЛЕНИЕ
Согласно классике, вихревой эффект Ранка -Хилша заключается в температурном разделении газа при закручивании в цилиндрической камере при условии, что поток газа в трубке проходит не только прямо, но и обратно, см. рис. № 10.15.1.
Рис. № 10.15.1. Вихревая трубка Ранка –Хилша.
Эффект хорошо известен и практически давно используется для технологических целей нагрева и охлаждения.
Результат вихревого эффекта — на периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а из центра в противоположную сторону выходит охлажденный поток. Такое направление температурного разделения является одним из интереснейших парадоксов вихревого эффекта. Теоретически, более тёплый поток газа имеет меньшую плотность и центробежными силами должен стремиться к центру, а более холодный поток газа имеет большую плотность и, соответственно, должен стремиться к периферии. Практически всё происходит в точности наоборот.
Касательно расчётных данных по вихревым трубам нет никаких ограничений, связанных с какими-либо ограничениями по температурами и скоростными характеристиками первичного формирующего и вторичных терморазделительных газовых потоков.
На первый план в этом случае выступает проблема выбора конструкционных материалов, способных достаточно продолжительное время противостоять температурам уровня 3000 + градусов и сверхзвуковым тангенциальным скоростям. Любой газовый поток с такими начальными характеристиками со временем ”вымывает” любой существующий конструкционный материал.
Вот если бы сверх высокотемпературный вихревой поток находился как в матрёшке — снаружи относительно более холодного вихревого потока, тогда проблема с выбором конструкционных материалов не была бы актуальной.
Такое возможно с учётом обнаруженного обратного вихревого эффекта детонационного горения в вихревых трубах.
ОБРАТНЫЙ ВИХРЕВОЙ ЭФФЕКТ
В ходе экспериментальных работ с распространением сверхзвуковых аксиально-радиальных волн детонационного горения в вихревых трубках обнаружен весьма любопытный, можно назвать — обратный вихревой эффект классике Ранка – Хилша.
Эффект заключается в строго противоположном нагреве внутреннего потока и охлаждении наружного потока. Обеспечивается за счёт формирования двух высокоскоростных высокотемпературных вихревых противопотоков путём распространении периодически следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия.
В прямоточную вихревой трубу классического исполнения тангенциально вводятся периодически следующие друг за другом волны детонационного горения, от одного или нескольких источников.
В вихревой трубе формируются два авто волновых высокоскоростных высокотемпературных вихревых противопотока следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия.
Фронт каждой волны детонационного горения имеет температуру 1500-2000 градусов, сверхвысокое давление и скорость распространения порядка 2000 м/сек. Наружный вихревой поток имеет температуру уровня 1000 градусов и скорость уровня сверхзвука. Внутренний вихревой поток имеет температуру уровня 3000 градусов и скорость уровня сверхзвука.
Таким образом обеспечивается локализация одного высокотемпературного вихревого потока внутри второго относительно холодного внешнего вихревого потока. В этом случае решается задача с выбором конструкционных материалов.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Первоначально предполагалось, что проявление эффекта обеспечивается за счёт аксиально-тангенциального высокоскоростного распространения периодически следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия, которые формируют два соосных вихревых противопотока.
На основании многочисленных экспериментов по вихревому температурному разделению, заявленных на сайте https://vihrihaosa.wordpress.com можно заявить, что при формировании на начальной стадии двух коаксиальных вихревых противопотоков в вихревой трубе температурного разделения нет!!!.
Формирующиеся два вихревых противопотока температурно нейтральны!!!.
Какому потоку быть холодным, а какому горячим определяется тем, какая первичная температура теплообмена подводится к внешнему вихревому потоку по отношению к температуре самого потока.
Рассмотрим два варианта формирования вихревых противопотоков:
Тангенциальный ввод газа под давлением с его расширением (классика).
При классическом истечении сжатого воздуха в вихревую трубу его температура уменьшается. При этом стенки вихревой трубы имеют большую температуру. Теплообмен от стенок вихревой трубы повышает температуру внешнего вихревого потока совсем не значительно. Этого вполне достаточно для начала полноценного проявления вихревого терморазделительного процесса в вихревой трубе.
Происходит лавинообразное увеличение температуры внешнего вихревого потока с одновременным понижением температуры внутреннего вихревого противопотока. Степень изменения температур двух потоков зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетике первичного потока.
В вихревую трубу подаётся уже сформированный скоростной высокотемпературный поток. В этом случае относительно холодная стенка вихревой трубы первоначально придаёт импульс охлаждению внешнему вихревому потоку. Тем самым происходит лавинообразное уменьшение температуры внешнего вихревого потока с одновременным нагревом внутреннего вихревого потока. Степень изменения температур двух потоков также зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетике первичного потока.
ВЫВОД
Исходя из Выше изложенного предлагается объединить последовательно по схеме “горячий выход — следующий вход” несколько прямоточных вихревых труб с пропорционально уменьшающимися размерами в единую систему многоступенчатого повышения и локализации сверхвысоких температур. Последняя ступень будет содержать осевой сверх высокотемпературный вихревой поток например уровня начала протекания ядерного синтеза водорода в гелий. Он будет локализован в относительно более холодном внешнем вихревом потоке последней ступени.
За счёт такой локализации решается задача выбора конструкционных материалов, которые непосредственно контактируют с относительно более холодными вихревыми потоками.
Источником первичной энергии (горелки) для этих целей являются следующие друг за другом волны детонационного горения и сжатия с частотами следования от 1 Гц до 1 кГц, температурами во фронте волны детонационного горения уровня 2000-3000 градусов и сверхзвуковыми скоростями уровня 2000 м/сек.
Сверхзвуковая скорость вихре образующего первичного потока позволяет соединить вихревые трубы последовательно по схеме “горячий выход — следующий вход” без значительного снижения эффективности терморазделения следующих ступеней.
За счёт уменьшения размеров последующих ступеней вихревых труб в том числе и проходных сечений подводных и отводных труб обеспечивается равномерное распространение в общей системе.
ЗАМЕЧАНИЕ!!!
Одновременно для второй и следующих ступеней, так называемый, первичный вихре образующий поток, уже сам будет является вихревым потоком, т.е. будет иметь дополнительную орбитальную ось вращения. В этом случае во второй и последующих ступенях за счёт взаимодействия между собой уже многомерных вихревых противотечений эффективность терморазделения будет увеличена.
ПРИМЕР:
Всего четыре ступени, см. рис. № 10.15.2. Четыре прямоточные вихревые трубы соединены последовательно по схеме “горячий выход — следующий вход”. Первая ступень запитана от источника следующих друг за другом волн детонационного горения с температурой 2000 градусов и скоростью 2000 м/сек. На “горячем” выходе первой ступени температура внутреннего вихревого потока будет 3000 градусов. В каждой ступени температура повышается на 1000 градусов.
Рис. № 10.15.2. Многоступенчатый способ получения сверх высоких температур.
В итоге, на выходе четвёртой ступени в значительно меньшем объёме по сравнению с первой ступенью, в относительно более холодном наружном вихре будет локализована сверх высокотемпературная вихревая область уровня термоядерного синтеза.
Предлагается использовать волны детонационного горения с температурами уровня 2000 градусов и скоростями уровня 2000 м/сек в качестве источника первичной энергии для целей проявления вихревого терморазделительного эффекта в системе из последовательно соединённых по схеме “осевой горячий выход — следующий вход” нескольких прямоточных вихревых труб .
ВСТУПЛЕНИЕ
Согласно классике, вихревой эффект Ранка -Хилша заключается в температурном разделении газа при закручивании в цилиндрической камере при условии, что поток газа в трубке проходит не только прямо, но и обратно, см. рис. № 7.15.1.
Рис. № 7.15.1. Вихревая трубка Ранка –Хилша.
Эффект хорошо известен и практически давно используется для технологических целей нагрева и охлаждения.
Результат вихревого эффекта — на периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а из центра в противоположную сторону выходит охлажденный поток. Такое направление температурного разделения является одним из интереснейших парадоксов вихревого эффекта. Теоретически, более тёплый поток газа имеет меньшую плотность и центробежными силами должен стремиться к центру, а более холодный поток газа имеет большую плотность и, соответственно, должен стремиться к периферии. Практически всё происходит в точности наоборот.
Касательно расчётных данных по вихревым трубам нет никаких ограничений, связанных с какими-либо ограничениями по температурами и скоростными характеристиками первичного формирующего и вторичных терморазделительных газовых потоков.
На первый план в этом случае выступает проблема выбора конструкционных материалов, способных достаточно продолжительное время противостоять температурам уровня 3000 + градусов и сверхзвуковым тангенциальным скоростям. Любой газовый поток с такими начальными характеристиками со временем ”вымывает” любой существующий конструкционный материал.
Вот если бы сверх высокотемпературный вихревой поток находился как в матрёшке — снаружи относительно более холодного вихревого потока, тогда проблема с выбором конструкционных материалов не была бы актуальной.
Такое возможно с учётом обнаруженного обратного вихревого эффекта детонационного горения в вихревых трубах.
ОБРАТНЫЙ ВИХРЕВОЙ ЭФФЕКТ
В ходе экспериментальных работ с распространением сверхзвуковых аксиально-радиальных волн детонационного горения в вихревых трубках обнаружен весьма любопытный, можно назвать — обратный вихревой эффект классике Ранка – Хилша.
Эффект заключается в строго противоположном нагреве внутреннего потока и охлаждении наружного потока. Обеспечивается за счёт формирования двух высокоскоростных высокотемпературных вихревых противотоков путём распространении периодически следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия.
В прямоточную вихревой трубу классического исполнения тангенциально вводятся периодически следующие друг за другом волны детонационного горения, от одного или нескольких источников.
В вихревой трубе формируются два авто волновых высокоскоростных высокотемпературных вихревых противотока следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия.
Фронт каждой волны детонационного горения имеет температуру 1500-2000 градусов, сверхвысокое давление и скорость распространения порядка 2000 м/сек. Наружный вихревой поток имеет температуру уровня 1000 градусов и скорость уровня сверхзвука. Внутренний вихревой поток имеет температуру уровня 3000 градусов и скорость уровня сверхзвука.
Таким образом обеспечивается локализация одного высокотемпературного вихревого потока внутри второго относительно холодного внешнего вихревого потока. В этом случае решается задача с выбором конструкционных материалов.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Первоначально предполагалось, что проявление эффекта обеспечивается за счёт аксиально-тангенциального высокоскоростного распространения периодически следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия, которые формируют два соосных вихревых противотока.
На основании многочисленных экспериментов по вихревому температурному разделению, можно заявить, что при формировании на начальной стадии двух коаксиальных вихревых противотоков в вихревой трубе температурного разделения нет!!!.
Формирующиеся два вихревых противотока температурно нейтральны!!!.
Какому потоку быть холодным, а какому горячим определяется тем, какая первичная температура теплообмена подводится к внешнему вихревому потоку по отношению к температуре самого потока.
Рассмотрим два варианта формирования вихревых противотоков:
Тангенциальный ввод газа под давлением с его расширением (классика).
При классическом истечении сжатого воздуха в вихревую трубу его температура уменьшается. При этом стенки вихревой трубы имеют большую температуру. Теплообмен от стенок вихревой трубы повышает температуру внешнего вихревого потока совсем не значительно. Этого вполне достаточно для начала полноценного проявления вихревого терморазделительного процесса в вихревой трубе.
Происходит лавинообразное увеличение температуры внешнего вихревого потока с одновременным понижением температуры внутреннего вихревого противотока. Степень изменения температур двух потоков зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетике первичного потока.
В вихревую трубу подаётся уже сформированный скоростной высокотемпературный поток. В этом случае относительно холодная стенка вихревой трубы первоначально придаёт импульс охлаждению внешнему вихревому потоку. Тем самым происходит лавинообразное уменьшение температуры внешнего вихревого потока с одновременным нагревом внутреннего вихревого потока. Степень изменения температур двух потоков также зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетике первичного потока.
ВЫВОД
Исходя из Выше изложенного предлагается объединить последовательно по схеме “горячий выход — следующий вход” несколько прямоточных вихревых труб с пропорционально уменьшающимися размерами в единую систему многоступенчатого повышения и локализации сверхвысоких температур. Последняя ступень будет содержать осевой сверх высокотемпературный вихревой поток например уровня начала протекания ядерного синтеза водорода в гелий. Он будет локализован в относительно более холодном внешнем вихревом потоке последней ступени.
За счёт такой локализации решается задача выбора конструкционных материалов, которые непосредственно контактируют с относительно более холодными вихревыми потоками.
Источником первичной энергии (горелки) для этих целей являются следующие друг за другом волны детонационного горения и сжатия с частотами следования от 1 Гц до 1 кГц, температурами во фронте волны детонационного горения уровня 2000-3000 градусов и сверхзвуковыми скоростями уровня 2000 м/сек.
Сверхзвуковая скорость вихре образующего первичного потока позволяет соединить вихревые трубы последовательно по схеме “горячий выход — следующий вход” без значительного снижения эффективности терморазделения следующих ступеней.
За счёт уменьшения размеров последующих ступеней вихревых труб в том числе и проходных сечений подводных и отводных труб обеспечивается равномерное распространение в общей системе.
ЗАМЕЧАНИЕ!!!
Одновременно для второй и следующих ступеней, так называемый, первичный вихре образующий поток, уже сам будет является вихревым потоком, т.е. будет иметь дополнительную орбитальную ось вращения. В этом случае во второй и последующих ступенях за счёт взаимодействия между собой уже многомерных вихревых противотечений эффективность терморазделения будет увеличена.
ПРИМЕР:
Всего четыре ступени, см. рис. № 7.15.2. Четыре прямоточные вихревые трубы соединены последовательно по схеме “горячий выход — следующий вход”. Первая ступень запитана от источника следующих друг за другом волн детонационного горения с температурой 2000 градусов и скоростью 2000 м/сек. На “горячем” выходе первой ступени температура внутреннего вихревого потока будет 3000 градусов. В каждой ступени температура повышается на 1000 градусов.
Рис. № 7.15.2. Многоступенчатый способ получения сверх высоких температур.
В итоге, на выходе четвёртой ступени в значительно меньшем объёме по сравнению с первой ступенью, в относительно более холодном наружном вихре будет локализована сверх высокотемпературная вихревая область уровня термоядерного синтеза.
Вихревой эффект Ранка – Хилша хорошо известен и практически давно используется для технологических целей нагрева и охлаждения. На самом эффекте останавливаться не будем, он и так достаточно широко представлен, за исключением одного из его парадоксов.
Парадоксальность эффекта Ранка известна и заключается в том, что горячий вихревой поток располагается в вихревой коаксиальной противопоточной структуре снаружи, при этом холодный вихревой поток концентрируется внутри.
При этом, как известно, более тёплый поток газа имеет меньшую плотность и центробежными силами должен стремиться к центру, а более холодный поток газа имеет большую плотность и, соответственно, должен стремиться к периферии. В реальности всё происходит в точности наоборот. Внешний поток имеет большую температуру, чем внутренний.
СВЕРХВЫСОКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПРОБЛЕМА С ВЫБОРОМ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рассматривая классическое применение эффекта Ранка – Хилша для целей получения и применения в промышленности сверхвысоких температур уровня 3000 градусов и сверхзвуковых скоростей наружного вихревого потока — сталкиваемся с проблемой выбора конструкционных материалов. Тангенциальные сверхзвуковые скорости при таких температурах приводят к ”вымыванию” со временем любого существующего конструкционного материала.
Вот если бы сверх высокотемпературный вихревой поток находился как в матрёшке снаружи относительно более холодного вихревого потока, тогда проблема с выбором конструкционных материалов не была бы актуальной.
Оказывается такое возможно с учётом обратного вихревого эффекта.
ОБРАТНЫЙ ВИХРЕВОЙ ЭФФЕКТ
В ходе экспериментальных работ с распространением сверхзвуковых аксиально-радиальных волн детонационного горения в вихревых трубках обнаружен весьма любопытный, можно назвать — обратный вихревой эффект классике Ранка – Хилша.
Эффект заключается в строго противоположном нагреве внутреннего потока и охлаждении наружного потока. Обеспечивается за счёт формирования двух высокоскоростных высокотемпературных вихревых противопотоков путём распространении периодически следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия.
В прямоточную вихревой трубу классического исполнения тангенциально вводятся периодически следующие друг за другом волны детонационного горения, от одного или нескольких источников.
В вихревой трубе формируются два авто волновых высокоскоростных высокотемпературных вихревых противопотока следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия.
Фронт каждой волны детонационного горения имеет температуру 1500-2000 градусов, сверхвысокое давление и скорость распространения порядка 2000 м/сек. Наружный вихревой поток имеет температуру уровня 1000 градусов и скорость уровня сверхзвука. Внутренний вихревой поток имеет температуру уровня 3000 градусов и скорость уровня сверхзвука.
Таким образом обеспечивается локализация одного высокотемпературного вихревого потока внутри второго относительно холодного внешнего вихревого потока. В этом случае решается задача с выбором конструкционных материалов.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Первоначально предполагалось, что проявление эффекта обеспечивается за счёт аксиально-тангенциального высокоскоростного распространения периодически следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия, которые формируют два соосных вихревых противопотока.
На основании многочисленных экспериментов по вихревому температурному разделению, заявленных на сайте https://vihrihaosa.wordpress.com можно заявить, что при формировании на начальной стадии двух коаксиальных вихревых противопотоков в вихревой трубе температурного разделения нет!!!.
Формирующиеся два вихревых противопотока температурно нейтральны!!!.
Какому потоку быть холодным, а какому горячим определяется тем, какая первичная температура теплообмена подводится к внешнему вихревому потоку по отношению к температуре самого потока.
Рассмотрим два варианта формирования вихревых противопотоков:
Тангенциальный ввод газа под давлением с его расширением (классика).
При классическом истечении сжатого воздуха в вихревую трубу его температура уменьшается. При этом стенки вихревой трубы имеют большую температуру. Теплообмен от стенок вихревой трубы повышает температуру внешнего вихревого потока совсем не значительно. Этого вполне достаточно для начала полноценного проявления вихревого терморазделительного процесса в вихревой трубе.
Происходит лавинообразное увеличение температуры внешнего вихревого потока с одновременным понижением температуры внутреннего вихревого противопотока. Степень изменения температур двух потоков зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетике первичного потока.
В вихревую трубу подаётся уже сформированный скоростной высокотемпературный поток. В этом случае относительно холодная стенка вихревой трубы первоначально придаёт импульс охлаждению внешнему вихревому потоку. Тем самым происходит лавинообразное уменьшение температуры внешнего вихревого потока с одновременным нагревом внутреннего вихревого потока. Степень изменения температур двух потоков также зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетике первичного потока.
Рис. № 6.1. Вихревое распространение волны детонационного горения.
Рассмотрим заявленное подробно.
Парадоксальность эффекта Ранка известна и заключается в том, что горячие слои располагаются в вихревой коаксиальной противопоточной структуре снаружи, а холодные концентрируются аксиально по центру вихревой структуры. При этом, как известно, более тёплый поток газа имеет меньшую плотность и центробежными силами должен стремиться к центру, а более холодный поток газа имеет большую плотность и, соответственно, должен стремиться к периферии. В реальности всё происходит в точности наоборот.
На основании многочисленных экспериментов по вихревому температурному разделению, заявленные на сайте https://vihrihaosa.wordpress.com можно заявить, что при формировании на начальной стадии двух коаксиальных вихревых противопотоков в вихревой трубе температурного разделения нет.
Изначально два противопотока температурно нейтральны, Направление начала терморазделения зависит от того, какая первичная температура теплообмена подводится к внешнему вихревому потоку.
При классическом истечении сжатого воздуха в вихревую трубу его температура уменьшается. При этом стенки вихревой трубы имеют большую температуру. Теплообмен от стенок вихревой трубы повышает температуру внешнего вихревого потока совсем не значительно. Этого вполне достаточно для начала полноценного проявления вихревого терморазделительного процесса в вихревой трубе. Происходит лавинообразное увеличение температуры внешнего вихревого потока с одновременным понижением температуры внутреннего вихревого противопотока. В этом случае степень изменения температур двух потоков зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетических характеристик первичного потока.
Исходя из выше изложенного при начальных противоположных условиях происходит следующее.
В вихревую трубу подаётся уже сформированный скоростной высокотемпературный поток. В этом случае относительно холодная стенка вихревой трубы первоначально придаёт импульс охлаждению внешнему вихревому потоку. Тем самым происходит лавинообразное уменьшение температуры внешнего вихревого потока с одновременным нагревом за счёт трения внутреннего вихревого потока.
Данное заключение основано на том, что изначально в ходе экспериментальных работ с распространением сверхзвуковых аксиально-радиальных волн детонационного горения в трубах, в том числе и в классическом понимании — вихревых трубах Ранка-Хилша обнаружен весьма любопытный, и можно назвать – обратный вихревой эффект температурного разделения вихревых потоков.
Эффект заключается в строго противоположном нагреве внутреннего вихревого потока и охлаждении наружного вихревого потока.
Известно, что:
1. Вихревые течения в классической вихревой трубе отличаются интенсивной турбулентностью с присутствием радиальных пульсации скоростей распространений.
2. Практические работы по изучению турбулентной структуры потоков в вихревых трубах затруднены. Это связано в первую очередь с их относительно малыми габаритами.
3. Термодинамическая эффективность процесса терморазделения в вихревых трубах зависит в первую очередь от степени расширения первичного вихре образующего потока, т.е.:
π=P1/P0.
Где:
Р1 – давление в потоке на входе в вихревую трубу (Т потока=↑).
Р1 – давление среды, в которую происходит истечение(Т потока=↓).
А теперь немного о детонационном горении.
Известно:
Детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, температура горения достигает 3000-3500 °С.
Последовательное следование волн детонационного горения формирует авто волновой высокоскоростной высокотемпературный поток следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия
В соответствующих разделах сайта https://vihrihaosa.wordpress.com представлены различные типы детонационных источников энергии с частотами следования от 1 гц до 1 кГц и выше.
С учётом выше изложенного были проведены практические работы с вихревыми течениями волн детонационного горения.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Были сделаны корпуса для двух типов вихревых труб (прямоточная и противоточная) диаметром 100 мм, см. рис. № 6.2. У противоточной вихревой трубы установлена осевая полно проходная диафрагма диаметром 28 мм. Тангенциально приварен входной патрубок диаметром 32 мм.
Рис. № 6.2. Внешний вид корпусов двух типов вихревых труб — прямоточного и противоточного исполнения без дросселирующего конуса.
В качестве источника волн детонационного горения в экспериментах использовалась самая простая конструкция детонационной бесклапанной горелки трубчатой формы с непосредственной инжекцией воздуха газом (пропаном), см. рис. № 6.3. Частота следования волн детонационного горения 1 гц.
Рис. № 6.3. Источник волны детонационного горения – трубчатая импульсная детонационная горелка.
В первую очередь проверялась возможность формирования в трубе вихревого потока на скоростях входного линейного потока 2000 м/с. Было сомнение, что на таких скоростях вместо вихревого потока в трубе будет идентифицироваться сильно турбулентный аксиальный поток. Эксперименты подтвердили, что это не так.
На рис. № 6.4. показана визуализация огненного закрученного потока волны детонационного горения с температурой по свечению 1600 градусов.
Рис. № 6.4. Огненный закрученный поток волны детонационного горения.
Завещающий этап — детонационное горение в вихревой прямоточной трубе Ранка-Хилша и достижимые температуры. В вихревой трубе использовались три съёмных конуса с углом раскрытия в 45 градусов и диаметрами проходных сечений: 60, 50 и 40 мм, см. рис. № 6.5. Температуры выходных потоков планировалось измерять по цвету свечения.
Рис. № 6.5. Внешний вид прямоточной вихревой трубы в сборе.
Результат эксперимента подтвердили ошибочность постоянства направления температурного разделения. Что приосевой выходной поток всегда имеет более низкую температуру, чем периферийный.
Визуализация и цвет (температура) двух потоков детонационно-вихревого горения на выходе из прямоточной трубки Ранка-Хилша представлена на рис. № 6.6.
Рис. № 3.5. Визуализация двух потоков (холодного и горячего) детонационно-вихревого горения с температурными разделениями по цветовым оттенкам.
На фото видно, что приосевой выходной поток детонационно-вихревого горения имеет более высокую температуру, чем выходной периферийный поток детонационно-вихревого горения. Результат эксперимента подтвердил ошибочность утверждения постоянства направления температурного разделения, что приосевой выходной поток всегда имеет более низкую температуру, чем периферийный.
Приблизительно оценить температуры выходных двух вихревых потоков можно по цвету пламени. Центральный “белый” внутренний вихревой поток имеет температуру уровня 1500 градусов. Периферийный внешний вихревой поток имеет температуру намного ниже центрального.
ВЫВОД:
За счёт особенностей вихревого эффекта можно практически формировать области сверх высоких температур для технологических целей.
2. Предлагается конструктивная локализация сверх высокотемпературной области вихревого нагрева уровня 3000 градусов внутри относительно более холодной области вихревого охлаждения с температурами уровня 1000 градусов. С такими температурами легко справятся существующие конструкционные материалы.
3. Температурную локализацию может обеспечить заявленный обратный вихревой эффект за счёт первичного высокоскоростного высокотемпературного потока следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия с частотами следования от 1 Гц до 1 кГц и выше в классической вихревой трубе.
Проект “Вихри Хауса” — это авторская инициатива, направленная на исследование новых физических эффектов, разработку новых технологий и популяризацию науки.
