Идея предложена в ответ на задачу с краудсорсинговой площадки: Новые способы борьбы с медленным обрастанием пульпопровода

     Известно, что любой поток пульпы в пульпопроводе, как поток суспензии тонкоизмельчённых частиц в воде, со временем вызывает обрастание внутренних поверхностей трубопровода. Существующие способы химической, биологической механической и т.п. защиты достаточно успешно справляются с поставленной задачей. Только они имеют главный недостаток – цена и время.

Предлагается принципиально новая идея увеличения меж очистного периода технологического пульпопровода для целей снижения операционных затрат на повторные механические очистки и нанесение защитного покрытия.

Предлагается не бороться с обрастанием пульпой внутренних поверхностей трубопровода, а наоборот — управлять этим процессом

Способ основан на управляемом нарастании пульпы по спирали. Cпиральное нарастание пульпы на внутренней поверхности трубопровода становится естественным завихрителем потока. По мере роста спиральный нарост пульпы превращает линейное движение потока пульпы в комбинацию поступательного и создаваемого им вращательного движения.

        При достижении определённой величины нароста пульпы по спирали на непокрытом защитным покрытием пульпопровода, для определённой скорости потока пульпы – нарост прекращает расти и формирует достаточно устойчивый закрученный поток пульпы. Происходит увеличение местных пристеночных скоростей и общая перестройка течения, в котором проявляются интереснейшие вихревые эффекты, которые влияют на увеличение   меж очистного периода трубопровода.

         Технический результат достигается за счёт нанесения на внутреннюю поверхность трубопровода не сплошного антиадгезионного покрытия, а покрытия в виде чередующихся полос спирали, по аналогии с нарезной пушкой.

В этом случае проявятся интереснейшие вихревые эффекты по аналогии с закручиванием чайный лепестков в чайном стакане при перемешивании.

Более подробно о закрученных течениях заявлено здесь: Закрученные течения.

ПРИМЕНЕНИЕ

Для каждого пульпопровода нужно провести экспериментальные работы с поиском оптимальных геометрических характеристик спирали (ширина, угол крутки).

Геометрических характеристик спирали (ширина, угол крутки) можно взять из работ Виктора Шаубергера. Он в 50-х годах изготовил отдельную транспортную систему водных желобов с пол километра длинной для транспортировки брёвен в самозакручивющемся водном потоке . Если внимательно присмотреться к сохранившимся фото таких желобов 50-х годов, то можно заметить, что на них нет донных отложений или и песка. И это заслуга закрученного течения, которое формирует жёлоб.

Таким образом, по аналогии с работами Виктора Шаубергера, для экспериментальных работ на пульпопроводе требуются следующие начальные установки: Угол спирали в пределах 20-30 градусов и шаг спирали — 0,1 D (диаметр трубопровода).

Более точно угол спирали (крутки) был определён в известном соотношении Виктора Шаубергера 1953 года, которое зависит от скорости потока воды, а именно:

Λ=2πU√D/n*g

Где:

Λ — угол наклона спирали.
U – скорость движения потока, м/сек.
D- внутренний диаметр трубопровода, м.
g – ускорение свободного падения, м/с2.
n – (2-4) коэффициент – определяется опытным путём и зависит от типа течения (ламинарное или турбулентное).

Варианты исполнения идеи для жёлоба и трубы представлены на следующем рисунке.

ВЫВОД:

Для подтверждения идеи необходим эксперимент на действующем химическом производстве и желательно на желобчатом пульпопроводе с верхними защитными крышками. В период планового технического обслуживания пульпопровода, после его очистки от остатков пульпы — необходимо покрыть небольшой его участок антиадгезионным покрытием не полностью, а по спирали с начальными установками: угол спирали в пределах 20-30 градусов, шаг спирали — 0,1 D. Затем в следующий период тех. обслуживания провести визуальное обследование объёмов нароста пульпы. Когда идея подтвердится на практик- нужно в каждый период тех обслуживания «играть» с углом и шагом спирального покрытия для достижения меньшего нароста пульпы.

Предложенный способ предлагает увеличение меж очистного периода пульпопровода и снижение операционных затрат не только на механическую очистку трубопровода, но и на анти адгезионный покрывной материала на 50 %.

Дата публикации: 20.02.2023 года.

Способ опубликован здесь: Ручной вибрационный способ борьбы с сосульками и снежными наростами

Способ заключается в возбуждении механических колебаний с обратной стороны места образования сосулек, которые приводят к разрушению сцепления сосулек с торцевыми листовыми наклонными элементами кровли.

Предлагается кардинально изменить направление и способ механического воздействия на сосульки с внешнего прямого воздействия — на непрямое. На элементы кровли в места зарождения и образования сосулек с помощью возбуждения в них механических колебаний.

Механическое вибрирующее воздействие проводить с противоположной стороны места образования сосулек (изнутри крыши) через деревянные или стальные (листы) элементов перекрытия в самой нижней, наклонной части козырька крыши (место сцепления сосулек с металлической кровлей). Схема реализации способа представлена на рис. № 15.1.

Рис. № 15.1. Схема реализации способа воздействия на сосульки с обратной стороны мест образования.

В качестве вибратора можно использовать ручной перфоратор в режиме долбления с жёсткой выносной штангой длинной 2 метра с относительно мягким наконечником, предотвращающим механическое повреждение элементов крыши. Выбор материала наконечника может быть определён на месте с помощью эксперимента для перфораторов определённой мощности.

Наиболее эффективно такие работы можно проводить, используя одновременно два и более вибратора. Такая “система” будет возбуждать в нижней торцевой части места образования сосулек  — бегущие волны, которые расширят зону разрушения мест образования сосулек. К тому же “системное” вибрирующее воздействие одновременно будет распространяться и на снежные наросты в нижних частях наклонных крыш для их сползания.

Способ заключается в формировании импульсно вихревым способом чистой среды с повышенным давлением в так называемой буферной полости между объективом видеокамеры и окружающей агрессивной средой. Такая буферная полость с повышенным давлением внутри будет препятствовать проникновению извне загрязняющих агентов окружающей среды на объектив видеокамеры.

Техническая реализация способа заключается в установке перед объективом видеокамеры так называемой открытой импульсно вихревой предкамера. 

Предкамера по конструктивному исполнению может быть изготовлена по аналогии с ультракороткой вихревой трубы Ранка, в которой вместо “горячего» терморазделительного конуса установлена такая же диафрагма, как и со стороны так называемого “холодного” выхода (место установки объектива видеокамеры).Внутренняя форма импульсно вихревой предкамеры может быть различна – например сфера, эллипсоид, цилиндр. Более точно форма может быть определена после проведения испытаний.

Назначение предкамеры —  формирование и поддержание импульсного вихревого потока с повышенным давлением инертного газа или технически чистого воздуха между объективом видеокамеры и окружающей средой.

К входному соплу предкамеры тангенциально через быстродействующий клапан управления и классический редуктор подключается любой источник инертного газа или сжатого воздуха. Быстродействующий клапан формирует в предкамере импульсно расширяющийся вихревой поток.

Для создания повышенного давления газа в такой предкамере, например, диаметром 40 мм с диафрагмой в 20 мм вполне достаточен расход газа — 2 л/мин. Высокая разность давлений здесь не нужна, к тому же может привести к запотеванию объектива при появлении эффекта так называемого “вымораживания”.

          Экспериментальная проверка идеи должна строго определить под заданные размеры объектива камеры видеонаблюдения —  оптимальные геометрические размеры предкамеры, диффузора, а также энергетические характеристики носителя, участвующего в формировании вихревого кольца.   Также необходимо добиться, чтобы объектив видеокамеры не запотевал при импульсном режиме работы, когда проявится так называемый эффект вымораживании, а также не было провалов (обратных подсосов) по давлению в центральной части вихревого кольца.

PS:

Для работы видеокамеры в наиболее агрессивных средах предлагается формировать импульсный вихревой поток в предкамере инертным газом, например, аргоном согласно рис. № 3.1.

Рис. № 3.1. Схема реализации способа предотвращения загрязнений объективов камер видео наблюдений при работе в агрессивных средах.

Расчёты показывают, что одного стандартного 40-ка литрового баллона с 6000 литрами аргона при расходе газа в импульсном режиме 2 литра в минуту в буферной предкамере диаметром 40 мм и диафрагмой в 20 мм хватит на 2 дня непрерывной работы в наиболее агрессивной среде.

Если агрессивная среда проявляет себя периодически, что наиболее вероятно в большинстве технологических процессов, например, ежедневно не более2-го часа, то заправки одного баллона аргоном хватит на месяц.

Финансовая составляющая ОКР:

• Заправка одного баллона — 1200 рублей.
• Варианты предкамер — бесплатно.
• Трубки пластиковые, фитинги 1000 руб.
• Быстродействующий клапан — 2000 руб.
• Газовый редуктор — 1000 руб.
• Набор МАСТЕР КИТ “управление клапаном” – 500 руб.
• Блок питания – 1000 руб. 

Известно, что уменьшение загрязнения атмосферы вредными примесями дымовых газов достигается максимальным их рассеиванием с помощью  дымовых труб. Эффективность рассеивания выбросов тем выше, чем больше высота дымовой трубы и скорость газов на выходе из ее устья.

          Таким образом, высокая труба, этот главный проводник выбросов – одновременно и залог чистого воздуха на близ лежащей территории.

          Рассеивание выбросов через  дымовые трубы следует рассматривать, как вынужденное решение.  Это не решает принципиально вопрос надежной охраны атмосферы, а лишь «размазывает» вредные выбросы по большой площади, доводя их концентрацию у земли до предельно допустимой нормы.

          Получается, что чем выше дымовая труба, тем больше территория с относительно чистым воздухом в пределах допустимой концентрации вредных веществ.

Но каждая дымовая труба для котельной или промышленного предприятия разрабатывается в индивидуальном порядке с учетом специфики производства, состава отводимых газов и климатических особенностей района строительства. Высота трубы не может быть  сколь угодно увеличена.

ЗАДАЧА.

          Необходимо найти способ транспортировать дымовые газы на большие высоты атмосферы из относительно не высоких печных труб промышленного производства без увеличения тяги.

РЕШЕНИЕ

          Предлагается транспортировать дымовые газы высоко в атмосферу вихревыми кольцами (тороидами).

          Вихревые кольца (тороиды) известны уже давно. Например, школьный опыт для демонстрации образования устойчивых тороидальных вихрей в воздухе.  Для этого используется Ящик Вуда.  Представляет собой простой ящик любой формы с круглым отверстием с одной стороны и резиновой мембраной с противоположной стороны. Устройство настолько простое и эффектное, что есть практически во многих школьных кабинетах физики. 

Принцип работы достаточно прост. При ударе по мембране, сообщается некоторая линейная  скорость прилегающему к мембране слою воздуха. Придя в движение, этот слой уплотняет соседние слои и так далее. Когда уплотнение дойдет до диафрагмы, воздух вырвется из отверстия, приведет в движение ранее покоившийся воздух и благодаря силам вязкого трения сам закрутится в дымовое кольцо. Таким образом вихревое кольцо образуется благодаря трению с атмосферным воздухом.   Для визуализации вихревого кольца, ящик заполняют дымом.

                    Более подробная информация о способах формирования, типах и т.п. вихревых колец заявлена в статье: РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ ВИХРЕВЫХ КОЛЕЦ (ТОРОИДОВ), СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ.

          На основании выше изложенного, для заявленных целей, самым высоко энергетичным типом вихревых колец является ОБРАТНЫЙ РОТАЦИОННЫЙ ВИХРЕВОЙ ТОРОИД.

При распространении такой вихревой тороид само выворачивается вовнутрь оси распространения и имеет дополнительную крутку вокруг оси распространения, согласно рис. № 10.5.1, и имеет максимально возможную энергетику среди других типов вихревых колец.

Рис. № 10.5.1. Обратный ротационный вихревой тороид.

          Схематически, для заявленных целей, генератор вихревых тороидов с само выворачиванием внутрь оси распространения и ротацией вокруг оси распространения, представлен на рис. № 10.5.2

Рис. № 10.5.2. Способ формирования обратного ротационного вихревого

 тороида.

Закрученное течение из сопла под действием встречного потока из диафрагмы разворачивается и образует вихревой осе симметричный газодинамический купол. Обладая определенной упругостью, вихревой газодинамический купол в передней его части является препятствием по отношению ко встречному потоку. В результате уже не отрывного обтекания потоком, за этим препятствием  образуется  вихревая зона обратных токов в при осевой части.

Такая конструкция в практическом плане  формирует тороидальное вихревое кольцо с аксиальной круткой уже вовнутрь  движения с одновременным радиальным вращением, см. рис. № 10.5.3.

Рис. № 10.5.3. Формирование обратного ротационного вихревого тороида.

          Дополнительной особенности распространения вихревого кольца является тот факт, что вихревое кольцо, при движении, является объёмным, бес корпусным вихревым насосом. Само выворачивающийся бублик можно сравнить с поршнем компрессора, а неподвижный объём воздуха вокруг бублика при движении — со стенками цилиндра, в котором движется поршень (вихревой бублик).

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ

В конструктивном плане, предложенный способ представлен на рис. № 10.5.4.

Рис. № 10.5.4.   Схема реализации торидально-вхревого способа транспортировки дымовых газов промышленного производства в верхние слои атмосферы  для рассеивания.

На выходе дымовой трубы монтируется  генератор вихревых колец в виде системы из двух  противопоточных патрубков.  Высота установки генератора над выходом дымовой трубы должна быть равна диаметру вихревого кольца. Это условие обязательно для целей не допущения искусственного повышения тяги в печи за счёт эжекционных процессов формирования вихревых тороидов. Патрубки запитаны от воздушного компрессора с ресивером через быстродействующие клапаны, которые управляются так, что обеспечивается формирование следующих друг за другом  полноценных   вихревых тороидов с ротацией и само выворачиванием внутрь к оси распространения. Расход воздуха должен обеспечивать формирование вихревого тороида, диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр печной трубы.

Количественные характеристики расходов воздуха для каждого из двух противопоточных патрубков вхревого генератора  и расстояние между ними приблизительно  оценены в статье: Различные типы вихревых колец (тороидов), способы формирования, применение в науке и технике.

ОРГАНИЗАЦИЯ СПОСОБА ТРАНСПОРТИРОВКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА В ВЕРХНИЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ  ДЛЯ РАССЕИВАНИЯ:

Источник сжатого воздуха (компрессор с ресивером)  периодически формирует в противопоточном генераторе  следующие друг за другом, вихревые ротационные тороиды с само выворачиванием во внутрь к оси движения.

          Высоко энергетические вихревые тороиды, благодаря установке генератора чуть выше среза дымовой трубы —  формируются из дымовых газов печной трубы. Вихревые кольца периодически следуют друг за другом высоко вверх в зависимости от энергетики первичного вихреобразующего потока. Тем самым происходит транспортировка дымовых газов на большие высоты для рассеивания без увеличения высоты трубы и без увеличении тяги печи.

PS:

  Рассеивание выбросов через  дымовые трубы следует рассматривать, как вынужденное решение.  Это не решает принципиально вопрос надежной охраны атмосферы, а лишь «размазывает» вредные выбросы по большой площади, доводя их концентрацию у земли до предельно допустимой нормы.

О вихревых кольцах, их особенностях, способах формирования, типах и т.п.  достаточно подробно рассмотрены в публикации:  РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ ВИХРЕВЫХ КОЛЕЦ (ТОРОИДОВ), СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ.

Способ основывается на одном из необычных эффектов, связанных с  движением вихревого кольца.

На рис. № 10.6.1,  временная диаграмма формирования вихревого кольца —  синим цветом показано направление эжекции окружающего воздуха к оси распространения. Противонаправления трения об атмосферный воздух на временной диаграмме не показаны.

Рис. № 10.6.1. Временная диаграмма формирования вихревого кольца.

Где t1 — время распространения отдельного первичного вихре образующего потока.

На временной диаграмме противонаправления трения об атмосферный воздух не показаны.

При линейном движении, после формирования, кольцо с обратной стороны затягивает (всасывает) окружающий воздух к оси  движения. На временной диаграмме показаны синими стрелками. 

 Следующее вихревое кольцо выносит затянутый воздух к оси движения после предыдущего кольца. Движущееся линейно вихревое кольцо (тороид)  является объёмным, бес корпусным вихревым насосом. Вихревое кольцо (тороид) в классическом исполнении представляет собой —  само выворачивающийся наружу бублик из центральной оси распространения.

Само выворачивающийся бублик в этом случае можно сравнить с поршнем компрессора, а неподвижный объём воздуха вокруг бублика при движении последнего — с цилиндром, в котором движется поршень (вихревой бублик).

          Практические работы подтверждают работу вихревого кольца в качестве объёмного бес корпусного вихревого насоса.

 Эксперимент проводился с классическими вихревыми кольцами. Маркерами изменений давлений по ходу распространения вихревого кольца выступали два ряда полосок  бумаги на расстоянии чуть больше диаметра вихревого кольца  — само выворачивающего бублика.

В качестве источника вихревого кольца использовалась пластиковая  1,5 литровая бутылка с резиновым дном.

Внешний вид стенда по изучению линейного распространения вихревого кольца представлен на рис. № 10.6.2.

Рис. № 10.6.2. Стенд по изучению линейного распространения вихревого кольца.

 На рис. № 10.6.3 визуализируется уменьшение давления воздуха за движущимся вихревым кольцом.

Рис. № 10.6.3. Визуализация уменьшения давления воздуха за движущимся вихревым кольцом.

          Таким образом, движущееся линейно вихревое кольцо (тороид)  представляет собой объёмным, бес корпусный вихревой насос, в котором само выворачивающийся бублик можно сравнить с поршнем компрессора. Неподвижный объём воздуха вокруг бублика при движении – можно сравнить с цилиндром, в котором движется поршень (вихревой бублик)

          В конструктивном плане, для заявленных целей предлагается разместить один источник вихревых колец  в нижней части помещения у потенциально опасного места загрязнения.  Сверху помещения установить выходное отверстие диаметром в 2 раза большим диаметру вихревого кольца на входе в дымовую трубу.

В качестве источника вихревых колец подойдёт  противопоточный генератор вихревых ротационных колец с само выворачиванием к оси линейного перемещения. Противопоточный генератор вихревых колец имеет на  много большую энергетику по сравнению с классическим генератором вихревых колец.

          Схематически, для заявленных целей, генератор вихревых тороидов с само выворачиванием внутрь оси распространения и ротацией вокруг оси распространения, представлен на рис. № 10.6.4.

Рис. № 10.6.4. Способ формирования обратного ротационного вихревого  тороида.

Закрученное течение из сопла под действием встречного потока из диафрагмы разворачивается и образует вихревой осе симметричный газодинамический купол. Обладая определенной упругостью, вихревой газодинамический купол в передней его части является препятствием по отношению ко встречному потоку. В результате уже не отрывного обтекания потоком, за этим препятствием  образуется  вихревая зона обратных токов в при осевой части.

Такая конструкция в практическом плане  формирует тороидальное вихревое кольцо с аксиальной круткой уже вовнутрь  движения с одновременным радиальным вращением.

Рис. № 10.6.5 Формирование обратного ротационного вихревого тороида.

          Дополнительной особенности распространения вихревого кольца является тот факт, что вихревое кольцо, при движении, является объёмным, бес корпусным вихревым насосом. Само выворачивающийся бублик можно сравнить с поршнем компрессора, а неподвижный объём воздуха вокруг бублика при движении — со стенками цилиндра, в котором движется поршень (вихревой бублик).

ОРГАНИЗАЦИЯ ОЧИСТКИ ПОМЕЩЕНИЙ ОТ ВЗВЕСЕЙ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ:

Источник сжатого воздуха  периодически формирует в противопоточном генераторе  непрерывно, следующие друг за другом, вихревые ротационные тороиды. Тороиды с само выворачиванием во внутрь к оси движения, по сравнению с классикой школьного эксперимента ящика Вуда.

          Следующие, высоко энергетические друг за другом, вихревые кольца снизу вверх во всём вертикальном объёме помещения выносят через трубу все потенциально опасные вещества и взвеси.

          Внешний вид размещения оборудования заявленного способа и схема работы заявлены на следующем изображении.

ВЫВОД

          На основании предложенного нового способа формирования высоко энергетического вихревого кольца,  с ротацией и одновременным само выворачиванием во внутрь — можно организовать эффективную объёмную  очистку помещений от потенциально опасных веществ и взвесей.

          В любой мастерской источник сжатого воздуха  будет периодически формировать высоко энергетические, следующие друг за другом вихревые ротационные тороиды.  Такие вихревые тороиды  будут во всём вертикальном объёме помещения выносить через отверстие вверху все потенциально опасные вещества и взвеси.

          Заявленное является альтернативой классическому вытяжному вентилятору, при работе которого в помещении всегда существуют места застоя взвесей и потенциально опасных веществ.

Вариант схемы исполнения способа очистки помещений от взвесей и потенциально опасных веществ показан на рис. № 10.6.6

Рис. № 10.6.6. Схема реализации способа троидально-вихревой очистки помещений от взвесей и потенциально опасных веществ

Вихревая фильтрация и сепарация относится к технологиям, реализующим динамические методы разделения любых веществ с посторонними включениями, которые можно рассматривать как смесь веществ и примесей различной плотности и веса (вода, жидкость).

Принцип работы основан на формировании механическим способом многомерных вихревых потоков (спиральных само выворачивающихся тороидальных структур) любого вещества с помощью специальных завихрителей с одновременным центробежным разделением по плотности.

Многомерная вихревая само выворачивающаяся спиральная структура является самым оптимальным и эффективным сепаратором любых веществ, т.к. посторонние примеси любой природы с отличающейся плотностью как в большую, так и в меньшую сторону в зависимости от интенсивности формирования центробежными силами выносятся структурой или наружу, или во внутрь.

Сформированная любым способом вихревая спиральная трёхмерная само выворачивающаяся структура любого вещества не может состоять из составляющих с различной плотностью.  Центробежные силы отдельных вихревых жгутов взаимодействую друг с другом и как одно целое не позволят этому. 

За примерами далеко ходить не нужно. Природа сама дала подсказку в виде смерча, в котором внутри воронки чистейший воздух, безветрие, ярое солнце. А что творится снаружи, все мы знаем.

Завихрители в зависимости от задачи и природы вещества (газ, жидкость) могут иметь различную конструкцию, например состоять из гребёнок ленточных завихрителей, кольцевых ленточных завихрителей как в корпусах, так и без, которые приводятся во вращение электроприводом. При этом основное назначение остаётся неизменным – в зависимости от назначения формировать устойчивый тороидальный многомерный вихревой поток или потоки, состоящие в свою очередь из более мелких вихревых потоков/жгутов по аналогии с канатной свивкой.

Рис. № 10.1.1. Вихревые течения с эффектами фильтрации и сепарации.

Работы подтверждают возможность искусственного формирования многомерных вихревых структур с различными эффектами, которые удалось опытным путём зафиксировать:

1. Формирование нескольких потоком с различными характеристиками.
2. Сепарация потоков по плотности.
3. Сепарация потоков по температуре.
4. Создание подъёмной силы.
5. Создание вакуума.
6. Пространственный обратный клапан.

На основании проведённых многочисленных экспериментов , заявленный к рассмотрению вихревой сепаратор в конструктивном плане может иметь различное исполнение, но  при этом обязательно должен удовлетворять  следующим основным требованиям:

1. Иметь ротор-завихритель любой конструкции, позволяющий формировать в общей массе отдельные вихревые жгуты спиральной формы  по типу канатной свивки. Одновременно эти отдельные вихревые жгуты должны формировать общий многомерный вихревой поток (потоки)  по форме само выворачивающегося торроида.
2. Отвод очищенного вещества (жидкость или газ)  должен осуществляться по центральной оси вихревого торроида.
3. Место подача веществ для очистки не имеет значения. Это означает, что сепараторы можно изготавливать открытого и закрытого типа. Открытый тип — нет отдельного подвода, ротор-завихритель со всех сторон имеет контакт с  веществом для очистки например в открытых бассейнах, отстойниках, загазованных помещениях и т.п.

Закрытый тип – вещество подводится отдельным трубопроводом с верху или с низу ротор-завихрителя, который изготовлен закрытым со всех сторон. В такой конструкции отвод веществ с большей плотностью должен быть организован по средней внешней части диаметра вихревого тороида.

ВЫВОД

1.       Формируется нескольких потоком с различными характеристиками.

2.       Сепарация потоков по плотности.

3.       Сепарация потоков по температуре.

4.       Создание подъёмной силы.

5.       Создание вакуума.

6.       Пространственный обратный клапан.

Рассмотрим силы,  действующие в вращающемся потоке на микрочастицы в зависимости от скорости вращения.

Для ясного понимания основ работы примем для начала за основу следующее допущение: завихритель  водяного потока представляет собой полую вертикальную трубу, заполненную водой с вращающимся дном (механическим завихрителем), как показано на рисунке № 10.3.1.

Рис. № 10.3.1. Завихритель  водяного потока

Упрощённая модель завихрителя.

Для целей приближённых расчётов центробежных сил, действующих на единицу микрочастицы (микроорганизма) принимаем средний вес одной микрочастицы (бактерии)  –  кг., (Усреднённый  размер  бактерий имеет  имеет массу  5х10-13 грамма.),   радиус завихрителя – 0,035 метра.

Рассчитаем силы, действующие на такую микрочастицу (микроорганизм)  в вихревом водяном потоке радиусом 0,035 мм.

Где:

F- Сила, действующая на частицу (бактерию), Ньютон

m- масса частицы (бактерии), Килограмм

D- диаметр завихрителя, Метр

R – радиус завихрителя, Метр.

π – безразмерная величина, 3.14

f-частота вращения завихрителя, оборот/секунда.

   Результаты расчёта сил, действующих на частицу в завихрителе сведены в следующую таблицу № 10.3.2.

                                                                                              Таблица № 10.3.2

№	Частота вращения завихрителя, оборот/секунда	Сила, действующая на частицу (бактерию), Ньютон	Сила, действующая на частицу (бактерию), Кг. силы	Отношение силы, действующей на частицу к весу частицы.
1	1	6,9*10-16	0,7*10-16	0,14
2	100	690*10-16	70*10-16	14
3	1000	69000*10-16	7000*10-16	1400
4	10000	6900000*10-16	700000*10-16	140000
5	100000	690000000*10-16	70000000*10-16	14000000

Анализ результатов расчётов, приведённый в таблице  позволяет сделать следующие выводы:

1. Исходя из упрощённой модели завихрителя скорость вращения водяного вихревого потока  благодаря силам трения (вязкость воды) всегда меньше частоты вращения механического завихрителя и имеет предельное значение — до 100 оборотов в секунду.
2. В таких завихрителях мы можем рассматривать предельные отношения силы, действующей на частицу к весу частицы – не более 14 (перегрузка),  т.е. четырнадцатикратное превышение веса любой микрочастицы в вихревом потоке по отношению к весу такой же частицы при стационарных условиях.
3. Не тренированный человек может безболезненно перенести перегрузки  —  не более 6. Лётчики истребительной авиации переносят перегрузки – не более 14.
4. Для сепарации твёрдых микрочастиц в воде таких частот вращения механического завихрителя  вполне достаточно.
5. Для разделения (фильтрации) микрочастиц уровня микроорганизмов таких частот вращения механического завихрителя явно не достаточно. 
6. Для создания более эффективных механических центробежных фильтров  выход один – повышать скорость вращения водяного вихревого потока. Но из-за особенностей физических свойств воды такое повышение не безгранично и ограничено 100 оборотами в секунду.

ВЫВОД

Для обхода ограничений  предлагается использовать  волновое движение среды, которое может быть практически реализовано со скоростями на порядки большими, чем ограничения, накладываемые  физическими свойствами воды.

В конструктивном плане фильтр представляет собой классическую вихревую терморазделительную трубку, в которой так называемый “горячий” выход 1 прямого вихревого потока используется в качестве выхода загрязнённой воды. Так называемый “холодный” выход 2 рис. № 1 центрального выхода от противотока используется для выхода очищенной воды.  

При этом основную суть фильтру придаёт не классический способ тангенциального ввода среды внутрь вихревой трубы, а  новый выше поименованный способ формирования сверхвысокоскоростного волнового фронта среды внутри фильтра с  одновременной  организацией внутри фильтра двух вихревых трёхмерных потоков  противоположного направления (один в другом) которые состоят одновременно из большого множества более маленьких вихрей с одинаковым спином  по потоку.

Это достигается тем, чтобы  механическим способом формировать так называемую сверхвысокоскоростную “постоянную бегущую дорожку” по спирали на поверхности вращающегося диска из чередующихся открывающихся/закрывающихся отверстий.

Одновременно через эти отверстия подаётся под давлением  вода для очистки. Вращающийся диск при этом используется для первоначального  классического центробежного закручивания воды внутри фильтра а также формирования трёхмерного вихревого потока внутри фильтра. 

Формирование трёхмерного вихревого потока внутри фильтра обеспечивается за счёт:

1.  Вращения самого диска завихрителя с полно проходными отверстиями, размещёнными по спирали .
2.  Подачи воды через чередующиеся (открывающиеся/закрывающиеся)  отверстиями, размещённые по спирали. Благодаря такой организации по п.1 и п. 2  внутри фильтра формируются так называемые “вихревые жгуты” по типу канатной скрутки.
3. Формирования  дополнительной  крутки  завихрителями так называемых “вихревых жгутов” по п.2.  Завихрители установлены в каждое полно проходное отверстие вращающегося диска завихрителя.

Так называемая сверх высокоскоростная беговая дорожка из   чередующихся открывающихся/закрывающихся отверстий при пропускании через неё под давлением воды становится источником   сверхвысокоскоростной трёхмерной волны среды внутри фильтра.

Таким образом, внутри фильтра формируется устойчивая бегущая волна среды со скоростями на порядок большими по сравнению с практически возможными для реализации классическими методами.

Более подробно способ  формирования сверхвысокоскоростного волнового фронта изложен в профильной теме .

На основании выше поименованного был разработан и изготовлен действующий прототип вихревого двух поточного водяного фильтра с одним потоком загрязнённой воды и вторым  потоком очищенной воды, конструкция которого приведена  на рисунке № 1, на котором были протестированы фильтрующие способности.

Рис. № 1. Прототип вихревого двух поточного водяного фильтра.

Фильтр состоит из следующих основных узлов:

1. Конус термо и грязе разделительный (вихревой трубы).
2. Корпус фильтра (вихревой трубы).
3. Вращающийся завихритель с периодически размещёнными по спирали полно проходными отверстиями с установленными в каждое отверстие индивидуальными завихрителями, см. рис. № 2.
4. Не вращающаяся часть завихрителя  также с проходными отверстиями определённой формы.
5. Основание фильтра .

Для целей наглядности ниже приводятся 3D  модели вышепоименованных основных узлов двух поточного водяного фильтра.

Рис. № 2. Вращающийся формирователь сверх высокоскоростного вихревого потока.

Общий вид неподвижного завихрителя с размещёнными по спирали полно проходными отверстиями, в которые установлены индивидуальные завихрители показан на рис. № 3.

Рис. № 3. Общий вид неподвижного завихрителя с размещёнными по спирали полно проходными отверстиями, в которых установлены индивидуальные завихрители.

Рис. № 4. Эксперимент по фильтрации водопроводной воды

Результаты измерений водопроводной воды до фильтра и после на температуру, запах, цвет, прозрачность мутность, водородный показатель, микробиологию жёсткость и содержание железа приведён в Таблице № 10.4.5.

Таблица 1. Сравнительный анализ водопроводной воды до фильтра и после.

№	Характеристика	Единица измерения	Значение до фильтра.	Значение после фильтра.
				Очищенный поток	Загрязнённый поток
1	Температура (t)	ºС	50	60	48
2	Максимальная разность температур в точках отбора (∆t)	ºС	0	+10	-2
3	Запах характер	Словесное описание	Очень слабый	Без запаха	Очень слабый
	Запах интенсивность	Баллы 0-10	1	0	1
4	Цветность	Словестное описание	Прозрачный с еле заметным жёлто-коричневым оттенком	Прозрачный	Прозрачный с еле заметным жёлто-коричневым оттенком
5	Водородный показатель	pН От 6 (включительно) до 9 (включительно)	7,26 (07.12.11) 7,80 (15.12.11)	7,20 (07.12.11) 7,08 (15.12.11)	7,73 (07.12.11) 7,60 (15.12.11)
6	Cанитарно-бактериологическое исследование на общее микробное число (ОМЧ).	Единицы измерения. Не более 50 в 1 мл.	0	0	0
7	Санитарно-бактериологическое исследование на общие колиформные бактерии.	Единицы измерения. Не допускается в 100 мл.	0	0	0
8	Санитарно-бактериологическое исследование на термотолерантные бактерии.	Единицы измерения. Не допускается в 100 мл.	0	0	0
9	Жёсткость.	Не более 7	1,1	1	1,1
10	Содержание железа	Не более 0,3 мг/л.	0,02	0 (ниже предела разрешения измерительного прибора)	0,02

Анализ результатов тестирования двухпоточного водяного фильтра.

 В опыте использовались следующие механические данные фильтра:

— скорость вращения завихрителя – 4 оборота/секунда,

— кратность увеличения скорости вращения завихрителя – 15 раз,

— итоговая скорость вращения вихревого водяного потока – 60 оборотов/секунда.

При таких начальных условиях была подтверждена способность устройства воздействовать на физические и химические свойства водопроводной воды горячего водоснабжения Зашекснинского района г. Череповец. А именно на:

— водородный показатель (значение pH приближается к значению дистиллированной воды – 7,00 ),

— запах (исчезает),

— цветность воды (исчезает),

— содержание железа (уменьшается),

— жёсткость воды (изменяется).

Заключение

Практическая значимость работы:

1. В ходе изучения физических, химических и бактериологических показателей водопроводной воды Зашекснинского района г. Череповца, сведённых в таблицу № 1 можно утверждать, что значения по выше указанным показателям не превышают предельно допустимых значений и качество воды соответствует установленным нормам.
2. В ходе проведения предварительного расчёта было доказано, что для создания более эффективных механических водяных фильтров необходимо повышать скорость вращения водяного вихревого потока. Но из-за особенностей физических свойств воды – такое повышение не безгранично и ограничено 100 оборотами в секунду.

Предложена новая комбинированная система вихревой водоочистки, предусматривающая использование дополнительной закрутки воды за счёт предложенного, нигде не используемого способа, способного увеличивать скорость вращения вихревого потока в десятки, сотни и тысячи раз по сравнению со скоростью вращения завихрителя за счёт открытия/закрытия в определённой последовательности выпускных отверстий со скоростью, на много превышающей скорость вращения самого завихрителя.

Использование такой технологии позволит строить принципиально новые очистные установки, использующие центробежные силы для разделения (сепарации) уже не микро частиц, а нано, пико частиц и микроорганизмов.

При таких центробежных силах в вихревом водяном потоке –структурирование воды можно будет проводить в промышленных масштабах.

3. 7 декабря 2011 года и повторно 15 декабря 2011 года был проведён эксперимент по фильтрации водопроводной воды Зашекснинского района г. Череповца с отбором проб воды для независимой экспертизы физических, химических и бактериологических показателей Федеральным бюджетным учреждением здравоохранения “Центр гигиены и эпидемиологии в Вологодской области” в г. Череповец.

4. Для целей анализа физические, химические и бактериологические показатели экспертизы сведены в таблицу № 15.5.

Независимой экспертизой подтверждено, что вода после фильтра меняет свои физические и химические свойства. Доказать или опровергнуть работу фильтра касательно бактериологических показателей не удалось по причине отсутствия таковых в водопроводной воде.

5 При сравнении показателей воды до и после эксперимента по вихревой технологии очистки воды была подтверждена способность механического фильтра воздействовать на физические и химические свойства водопроводной воды горячего водоснабжения Зашекснинского района г. Череповец.

Основаны на применении эффекта,  открытого Жоржем Ранком в 1931 году для газов, однако также применим и к жидкостям. Заключается он в том, что в вихревых трубах достаточно простой геометрии происходит разделение поток (в нашем случае – воды) на два: один из которых – периферийный – имеет температуру выше температуры исходного вещества, а второй – центральный – соответственно ниже.

Центробежные силы вихревого движения потока стараются вынести наружу любые частицы , которые выводятся из вихревой трубки с так называемого “горячего” выхода.

Очищенная вода выходит через так называемы “холодный” выход.

На основе этого эффекта возможно создание различных вихревых фильтрах для использования в  водоподготовке и водоочистки, о перспективах которой мы и будем говорить далее.

Начало применению вихревых процессов в водоочистке положил австрийский изобретатель Виктор Шаубергер. Им было установлено, что структура воды изменяется, если она движется, создавая завихрения. Оставалось лишь решить проблему завихрения воды, и в итоге он создал установку в виде дугообразной направляющей контррельсы из благородного металла в круглой трубе с двойной спиралью.

Позже в Датском институте экологической техники было проведено испытание устройства, надеваемого на водопроводный кран. В его создании использовались открытия Шаубергера, касающиеся завихрения. В результате было установлено, что получающаяся на выходе вода структурирована и более щелочная.

К примеру, также известен опыт о проверке действия завихрений на количество бактерий в сточных водах. Одновременно эта же вода была очищена традиционным способом продувки озоном и в результате необработанная сточная вода содержала 640 тыс. бактерий на кубический сантиметр, вода, прошедшая продувку озоном, показала остатки бактерий в 95 тыс. на кубический сантиметр, а вода, обработанная вихрем, показала лишь 5 тыс. бактерий на кубический сантиметр. Таким образом, можно сделать вывод, что вихревой метод очистки воды в данном случае оказался в 25 раз эффективнее традиционного. К тому же, как было отмечено, уже через четверть часа у этой воды пропал сильный запах, и все продукты распада в очистительной колонке выпали на дно, т.е. вода сама по себе полностью очистилась.

Как уже говорилось, одним из перспективных направлений водоочистки является использование вихревого эффекта Ранка. На его основе происходит фракционное разделения жидкостей, и таким образом воду можно очищать от твёрдых примесей и взвешенных частиц благодаря тому, что центробежные силы стараются вынести наружу  любые примеси и взвешенные частицы.

Благодаря  вихревому движению воды  в фильтрах молекулярная структура воды меняет свои размеры и состав: вихрь  разрушает и изменяет водные кластеры. В фильтре создаются мощные центробежные силы и, если вода попадает в поле закрученных потоков, то начинаются процессы фракционного разделения. Более тяжёлая жидкость, содержащая примеси, оттесняет лёгкую жидкость от периферии к оси вращения, и таким образом происходит разделение водяного потока на очищенный и концентрат примесей.

Классическая схема вихревого фильтра воды показана на рисунке № 10.2.1.

Рис. № 10.2.1. Схема работы вихревого фильтра (вихревой трубки).

Однако если говорить о вихревой водоочистке в настоящее время, то сейчас вихревые технологии в водоочистке используется только на начальной стадии какого-либо другого способа, когда центробежным способом необходимо удалить крупные песчинки, песок или другой похожий мусор. Данные технологии находятся в зачаточном состоянии, и причины этого заключены в следующем:

1. Как уже говорилось выше, благодаря центробежной силе в современной вихревой водоочистке удаляется только крупный мусор, но если увеличить скорость вращения воды в тысячи раз, то центробежная сила будет действовать даже на мельчайшие бактерии. Однако данное направление почти не развивается, поэтому на практике это проверено не было, а если и было, то эти эксперименты не получили такой известности. 
2. Вопросы водоочистки практически не связывают с вопросами ураганов, тайфунов и торнадо, в которых разделение потоков идёт по температуре, давлению и плотности, что в свою очередь связано с возможностью разделения воды на определённые фракции с различным содержанием примесей. Это связано с малоизученным трёхмерным движением внутри ураганов, тайфунов и торнадо (орбитальное, вращательное и циркуляционное). Существующий, пусть и отдалённый аналог этих природных явлений – трубка Ранка, которая имеет низкий предел по скорости вращения вихревого потока.
3. До сих пор нет чёткого научного объяснения процессов, происходящих в так называемой трубке Ранка. Существует только большое количество гипотез, под которые подобран математический аппарат, а ведь  вода или воздух  ведут себя в ней диаметрально противоположно.
4. Чем меньше по массе посторонний объект необходимо удалить,  тем больше должна быть скорость вихревого потока, что в свою очередь напрямую связано с пределом технических возможностей современной науки и технологии по конечным скоростям вращения.

ВЫВОД

Применение вихревых технологий в водоочистке пусть и неразвитое направление, но перспективное, так как если решить существующие проблемы, такие как, например, разгон воды до высоких скоростей, то подобный способ механической очистки воды будет куда удобнее и выгоднее многих ныне существующих физических и химических способов.