Особенности детонационного горения и способы формирования волны детонационного горения подробно изложены в отдельных публикациях здесь: Детонационные технологии, как новый технологический тренд в различных областях науки и техники. | ВИХРИ ХАОСА (wordpress.com), поэтому останавливаться на них не будем.

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.

Рис. № 8.26.1. Детонационно-вихревая ротационная топка-теплообменник  сжигания любых мелко дисперсионных отходов. 

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.

ЛИТЕРАТУРА:

 1.    Детонационные технологии, как новый технологический тренд

2.    Рациональная классификация детонационных источников энергии.

3.    Детонационный источник энергии цилиндрической формы много трубный, клапанный с револьверным механическим управлением. Код в рациональной классификации – в.2.

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 .

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

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.

ВСТУПЛЕНИЕ

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:

1. Размер образующихся частиц зависит от скорости  газового потока.
2. Размер образующихся частиц зависит от энергетики газового потока.
3. 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:

Детонационные источники энергии и технологии

Предлагается для заявленных целей в качестве источника  высокотемпературного, высокоскоростного и высокоэнергетического газового потока использовать классическую сферическая детонационно-резонансную горелку, например такого конструктивного исполнения, ссылка:

Детонационно-резонансная горелка.

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ПО ЗАЯВЛЯЕМОМУ СПОСОБУ

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.

Рис. № 8.16.1. Гравитационно-детонационный распылительный способ получения мелко дисперсионных порошков микронного уровня любых металлов из жидких расплавов.

ПРИНЦИП РАБОТЫ:

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:

1. 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.

• Тангенциальный ввод высокоскоростного высокотемпературного газового потока (обратный вихревой эффект)

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:

1. 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.

2. Тангенциальный ввод высокоскоростного высокотемпературного газового потока (обратный вихревой эффект)

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.

СУЩНОСТЬ

Считается, что в вихревой трубе направление температурного разделения постоянно и не может меняться. Приосевой выходной поток всегда имеет более низкую температуру, чем периферийный.

Заявленный эффект заключается в том, что направление температурного разделения двух вихревых потоков в вихревой трубе не постоянно. Зависит  от направления и перепада температур между входным вихре формирующим потоком и температурой наружного корпуса вихревой трубы.

ОПИСАНИЕ

Парадоксальность эффекта Ранка известна и заключается в том, что горячие слои располагаются в вихревой коаксиальной противоточной 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 вихревой трубе всё происходит в точности наоборот.

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  энергетических характеристик первичного потока.

После проведения многочисленных практических работ в области вихревых технологий  обнаружено, что на начальной стадии формирования двух коаксиальных вихревых противотоков  в вихревой трубе температурного разделения нет!

Изначально два сформированных вихревых противотока имеют одинаковую температуру. Потоки температурно нейтральны. 

Направление начала  терморазделения  зависит от  того, и зависит  от направления и перепада температур между входным вихре формирующим потоком и температурой наружного корпуса вихревой трубы.

В случае детонационного горения/формирования вихревого потока – в вихревую трубу  подаётся уже сформированный высоко скоростной высоко температурный поток. Холодная стенка вихревой трубы первоначально охлаждает внешний вихревой поток.  Тем самым происходит лавинообразное  уменьшение  температуры внешнего вихревого потока с одновременным нагревом  за счёт трения внутреннего вихревого потока.

Эксперименты с распространением сверхзвуковых аксиально-радиальных волн детонационного горения в трубах, в том числе и в вихревой трубе Ранка-Хилша обнаружили 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.

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 противотоков.  

После анализа результатов экспериментальных работ подтверждается тот факт, что на начальной стадии формирования  два противотока температурно нейтральны.   Направление начала  терморазделения  зависит исключительно от  того, какая  первичная  температура  теплообмена  подводится  к внешнему вихревому потоку, но обо всём по порядку. 

Рассмотрим заявленное подробно.

Классическая терморазделительная трубка Ранка-Хилша  известна, достаточно широко представлена и практически используется в технике и технологиях. При этом “физика” работы самого процесса терморазделения по настоящее время не однозначна.

В данной публикации  вопросы работы классической вихревой трубы затронуты не будут, они и так хорошо известны, за исключением акцентирования внимания на 3-х следующих особенностях, которые непосредственно относятся к заявленному:

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.

1. Термодинамическая эффективность процесса терморазделения в вихревых трубах  зависит в первую очередь от степени  расширения первичного вихре образующего потока.

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:

1. 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.
2. Последовательное следование волн детонационного горения  формирует авто волновой высокоскоростной высокотемпературный поток следующих друг за другом  волн детонационного горения и сжатия
3. 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 в вихревой трубе. 

ЭКСПЕРИМЕНТ

1. Был сделан корпус вихревой трубы диаметром 100 мм. с осевым полно проходным затвором диаметром 28 мм, Который мог закрываться.  Тангенциально приварен входной патрубок диаметром 32 мм. См. рис. № 8.13.1.

Рис. № 8.13.1. Корпуса вихревых прямых и обратных вихревых труб.

2. 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. № 8.13.2. Частота следования волн детонационного горения 1 гц.

Рис. № 8.13.2. Источник  волн детонационного горения.

3. 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. № 8.13.3  визуализируется огненный вихрь продуктов детонационного горения с температурой по свечению 1600 градусов.

Рис. № 8.13.3. Визуализация огненного вихря

4. 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. Температуры выходных потоков планировалось измерять по цвету свечения.

Рис. № 8.13.4. Конструктивное исполнение вихревой трубы для экспериментов по детонационному горению.

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. № 8.13.5.

Рис. № 8.13.5. Визуализация  и цвет (температура) двух потоков детонационно-вихревого горения  на выходе из прямоточной трубки Ранка-Хилша.

На рис. № 8.13.5 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:
 
ВИХРЕВОГО ПАРАДОКСА НЕТ!

          Два противотока на начальной стадии формирования – температурно нейтральны!

          Направление начала  терморазделения  зависит от  того, какая  первичная  температура  теплообмена  подводится  к внешнему вихревому потоку для лавинообразного  изменения температур  двух потоков.  В этом случае степень  изменения температур двух потоков зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и  энергетических характеристик первичного потока.

ПРИМЕНЕНИЕ

Заявленный эффект является перспективным для проведений высокоскоростного высокотемпературного пиролиза или синтеза элементов.

1. Детонационно-вихревой сверх высокотемпературный пиролиз любых отходов промышленного производства. Ссылка: Детонационно-вихревой  скоростной сверх высокотемпературный пиролиз (ССВП)
2. Многостадийный детонационно-вихревой способ получения сверх высоких температур для сверх высокотемпературного пиролиза. Ссылка: Многостадийный детонационно-вихревой способ освоения сверхвысоких температур
3. Детонационно-вихревой дожиг любых дымовых газов промышленного производства. Ссылка: Детонационно-вихревой дожиг любых дымовых газов

Предлагаемый к рассмотрению скоростной сверх высокотемпературный пиролиз (ССВП) любых органических отходов (соединений) для целей получения топлива, в том числе и водорода протекает без доступа кислорода  в системе сформированных конструктивным исполнение трубки Ранка-Хилша и взаимодействующих между собой  двух высокотемпературных коаксиальных вихревых противопотоков один в другом.

Вихревые потоки имеют температуры уровня 3000 и 1000 градусов соответственно. Формируются одним или несколькими источниками волн детонационного горения с температурой 2000 градусов и скоростью уровня 2000 м/сек. Сам пиролиз протекает в горячем внутреннем при осевом вихревом потоке с дальнейшим центробежным обогащением продуктами пиролиза  (СО, Н2) наружного относительно  холодного потока. Дальнейшая сепарация водорода, т.е. удаление из обогащённого потока СО2 проходит известными способами, которые не являются предметом заявляемого.

Способ основан на следующих классических и необычных явлениях:

1. 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
2. Существуют различные типы источников детонационной энергии с частотами следования волн от нескольких герц до 1 кГц и выше. Наиболее подробно представлены в соответствующих разделах сайта vihrihaosa.wordpress.com. (Вихри хаоса.)

• Скоростной высокотемпературный пиролиз (не ССВП!) представляет собой быстрый бескислородный нагрев  уровня 1000 град/сек органических соединений с одновременным разложение на простые высоко энергетические составляющие.
• Вихревой эффект (Ранка — Хилша)  температурного разделения газа при закручивании в цилиндрической или конической камере при условии, что поток газа в трубке проходит не только прямо, но и обратно. Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что горячие слои газа располагаются в вихревой коаксиальной противопоточной структуре  — снаружи, а холодные — по центру вихря. При этом, как известно, более тёплый поток газа имеют 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. Наиболее подробно вихревые технологии представлены в соответствующих разделах сайта vihrihaosa.wordpress.com. (Вихри хаоса.)
• 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. Более подробно об эффекте заявлено в соответствующем разделе сайта vihrihaosa.wordpress.com. (Вихри хаоса.)

Исходя из Выше изложенного предлагается детонационно-вихревой  скоростной сверх высокотемпературный пиролиза любых органических отходов (соединений) для целей получения топлива, в том числе и водорода, который объединяет в одном конструктивном решении протекание всех выше поименованных явлений, а именно:

В прямоточную вихревой трубу классического исполнения тангенциально вводятся периодически  следующие друг за другом волны детонационного горения, от одного или нескольких источников.

Фронт одной волны детонационного горения имеет температуру 1500-2000 градусов и скорость уровня 2000 м/сек.

В сформированный прямолинейный фронт следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия перед тангенциальной “воронкой”  (завихрителем) принудительно вводятся органические соединения любой природы (жидкость, газ, порошок).

Распылённое органическое соединение любой природы внутри такого потоке следующих друг за другом волн сжатия/разряжения подвежено началу скоростного нагрева без доступа кислорода.

На входе в вихревую трубу формируется авто волновой высокоскоростной высокотемпературный вихревой пульсирующий поток следующих друг за другом  волн детонационного горения и сжатия, который благодаря самой конструкции вихревой трубы разделяется на два коаксиальных  вихревых потока с температурами на выходе уровня 3000 градусов и 1000 градусов соответственно.

Следующий этап, это непосредственно сам скоростной сверх высокотемпературный пиролиз (ССВП).

Например, пиролизу подвергается СН4 для целей получения Н2. Скоростное температурное разложение СН4 без доступа кислорода  проходит исключительно во внутреннем  сверх высокотемпературном вихревом потоке с уровнем температур 3000 градусов. Высокоактивные продукты скоростного пиролиза СН4, имеют большую плотность, поэтому за счёт центробежных сил обогащают  внешний, так называемый “холодной” поток с температурами уровня 1000 градусов. 

Обогащённый продуктами пиролиза метана (СН4) “холодный” наружный поток из вихревой трубы имеет температуру уровня 1000 градусов. В основном состоит из СО2 и высокоактивных элементов топлива  CO, Н2.

“Горячий” осевой поток после выхода из вихревой трубы состоит  в конечном счёте из СО2.

При этом необходимо учесть тот факт, что реакция термического разложения оксида углерода начинает протекать с температур более 2000 градусов с образованием кроме О2,  высокоактивного компонента СО.

С учётом того, что при повышенных давлениях  реакция термического разложения протекает более энергично и вихревой фронт состоит из следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия с высокими пульсациями давлений – “Горячий” поток будет также содержать высокоактивный компонент топлива, который можно сепарировать, но на этом процессе сейчас останавливаться не будем.

Настоящим предлагается адаптированный вариант конструктивного исполнения так называемого вихревого реактора ССВП (скоростного сверх высокотемпературного пиролиза) любых органических отходов (соединений) для целей получения топлива, в том числе и водорода, см. рис. № 10.14.1.

Рис. № 10.14.1.  Реактор ССВП (скоростного сверх высокотемпературного пиролиза) любых органических отходов (соединений) для целей получения топлива, в том числе и водорода.

Расчёты по вихревым трубам в настоящее время известны и адаптированы для любых  конструктивных исполнение такого реактора ССВП.

Заключительный этап – выделение высокоэнергетического топлива из продуктов скоростного высокотемпературного пиролиза (СВП).

Данные технологии также давно отработаны и используются в промышленности.

Для примера, рассмотрим выделение продуктов ССВП метана СН4 методом противопотока водой (под давлением).

“Холодный” поток продуктов детонационного горения  кроме СО2  на выходе вихревой трубы обогащён высокоактивными компонентами H2 и СО. Имеет температуру 1000 градусов и высокую скорость. Состоит из следующих друг за другом волн давления/разряжения продуктов детонационного горения.  Подача воды в противоток такому потоку в системе из нескольких циклонов  аналогична сепарации СО2 под давлением. Водная очистка газа с одновременным охлаждением под давлением является в настоящее время одной из эффективной и одновременно не затратная.

В данном случае очистка потока от CO2  это процесс, протекающий в несколько стадий:

— Во-первых, происходит физическое удаление СО2 различными существующими технологиями.

— Во-вторых – одновременно проходит химическая реакция, результатом которой является дополнительный водород по схеме:

СО + H2O = CО2+Н2

ВЫВОД:

Предложенный реактор ССВП любых органических отходов представляет собой простейшую конструкцию, синтез классической вихревой трубы и источника волн детонационного горения. Результатом работы реактора ССВП является поток СО2,  значительно обогащённый высокоактивными компонентами H2 и СО. При этом способы сепарации водорода (широко известны и технологичны) не являются предметом заявленного.

Предлагаемый к рассмотрению скоростной сверх высокотемпературный пиролиз (ССВП) любых органических отходов (соединений) для целей получения топлива, в том числе и водорода протекает без доступа кислорода  в системе сформированных конструктивным исполнение трубки Ранка-Хилша и взаимодействующих между собой  двух высокотемпературных коаксиальных вихревых противотоков один в другом. Вихревые потоки имеют температуры уровня 3000 и 1000 градусов соответственно. Формируются одним или несколькими источниками волн детонационного горения с температурой 2000 градусов и скоростью уровня 2000 м/сек. Сам пиролиз протекает в горячем внутреннем при осевом вихревом потоке с дальнейшим центробежным обогащением продуктами пиролиза  (СО, Н2) наружного относительно  холодного потока. Дальнейшая сепарация водорода, т.е. удаление из обогащённого потока СО2 проходит известными способами, которые не являются предметом заявляемого.

Способ основан на следующих классических и необычных явлениях:

1. 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.
2. Существуют различные типы источников детонационной энергии с частотами следования волн от нескольких герц до 1 кГц и выше. Наиболее подробно представлены в соответствующих разделах сайта vihrihaosa.wordpress.com. (Вихри хаоса.)
3. Скоростной высокотемпературный пиролиз (не ССВП!) представляет собой быстрый бескислородный нагрев  уровня 1000 град/сек органических соединений с одновременным разложение на простые высоко энергетические составляющие.
4. Вихревой эффект (Ранка — Хилша)  температурного разделения газа при закручивании в цилиндрической или конической камере при условии, что поток газа в трубке проходит не только прямо, но и обратно. Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что горячие слои газа располагаются в вихревой коаксиальной противоточной структуре  — снаружи, а холодные — по центру вихря. При этом, как известно, более тёплый поток газа имеют 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. Наиболее подробно вихревые технологии представлены в соответствующих разделах сайта vihrihaosa.ru (Вихри хаоса.)
5. 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. Более подробно об эффекте заявлено в соответствующем разделе сайта vihrihaosa.ru. (Вихри хаоса.)

Исходя из Выше изложенного предлагается детонационно-вихревой  скоростной сверх высокотемпературный пиролиза любых органических отходов (соединений) для целей получения топлива, в том числе и водорода, который объединяет в одном конструктивном решении протекание всех выше поименованных явлений, а именно:

В прямоточную вихревой трубу классического исполнения тангенциально вводятся периодически  следующие друг за другом волны детонационного горения, от одного или нескольких источников.

Фронт одной волны детонационного горения имеет температуру 1500-2000 градусов и скорость уровня 2000 м/сек.

В сформированный прямолинейный фронт следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия перед тангенциальной “воронкой”  (завихрителем) принудительно вводятся органические соединения любой природы (жидкость, газ, порошок).

Распылённое органическое соединение любой природы внутри такого потоке следующих друг за другом волн сжатия/разряжения подвержено началу скоростного нагрева без доступа кислорода.

На входе в вихревую трубу формируется авто волновой высокоскоростной высокотемпературный вихревой пульсирующий поток следующих друг за другом  волн детонационного горения и сжатия, который благодаря самой конструкции вихревой трубы разделяется на два коаксиальных  вихревых потока с температурами на выходе уровня 3000 градусов и 1000 градусов соответственно.

Следующий этап, это непосредственно сам скоростной сверх высокотемпературный пиролиз (ССВП).

Например, пиролизу подвергается СН4 для целей получения Н2. Скоростное температурное разложение СН4 без доступа кислорода  проходит исключительно во внутреннем  сверх высокотемпературном вихревом потоке с уровнем температур 3000 градусов. Высокоактивные продукты скоростного пиролиза СН4, имеют большую плотность, поэтому за счёт центробежных сил обогащают  внешний, так называемый “холодной” поток с температурами уровня 1000 градусов. 

Обогащённый продуктами пиролиза метана (СН4) “холодный” наружный поток из вихревой трубы имеет температуру уровня 1000 градусов. В основном состоит из СО2 и высокоактивных элементов топлива  CO, Н2.

“Горячий” осевой поток после выхода из вихревой трубы состоит  в конечном счёте из СО2. При этом необходимо учесть тот факт, что реакция термического разложения оксида углерода начинает протекать с температур более 2000 градусов с образованием кроме О2,  высокоактивного компонента СО.

      С учётом того, что:

— при повышенных давлениях  реакция термического разложения протекает более энергично.  

— вихревой фронт состоит из следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия с высокими пульсациями давлений.

“Горячий” поток будет также содержать высокоактивный компонент топлива, который можно сепарировать, но на этом процессе сейчас останавливаться не будем.

      С учётом Выше изложенного предлагается адаптированный вариант конструктивного исполнения так называемого вихревого реактора ССВП (скоростного сверх высокотемпературного пиролиза) любых органических отходов (соединений) для целей получения топлива, в том числе и водорода.

Рис. № 8.14.1 Детонационно-вихревой  скоростной сверх высокотемпературный пиролиз (ССВП) любых органических отходов (соединений) для целей получения водорода.

Расчёты по вихревым трубам в настоящее время известны и адаптированы для любых  конструктивных исполнение такого реактора ССВП.

Заключительный этап – выделение высокоэнергетического топлива из продуктов скоростного высокотемпературного пиролиза (СВП).

Данные технологии также давно отработаны и используются в промышленности.

Для примера, рассмотрим выделение продуктов ССВП метана СН4 методом противотока водой (под давлением).

“Холодный” поток продуктов детонационного горения  кроме СО2  на выходе вихревой трубы обогащён высокоактивными компонентами H2 и СО. Имеет температуру 1000 градусов и высокую скорость. Состоит из следующих друг за другом волн давления/разряжения продуктов детонационного горения.  Подача воды в противоток такому потоку в системе из нескольких циклонов  аналогична сепарации СО2 под давлением. Водная очистка газа с одновременным охлаждением под давлением является в настоящее время одной из эффективной и одновременно не затратная.

В данном случае очистка потока от CO2  это процесс, протекающий в несколько стадий:

— Во-первых, происходит физическое удаление СО2 различными существующими технологиями.

— Во-вторых – одновременно проходит химическая реакция, результатом которой является дополнительный водород по схеме:

СО + H2O = CО2+Н2

ВЫВОД:

Предложенный реактор ССВП любых органических отходов представляет собой простейшую конструкцию, синтез классической вихревой трубы и источника волн детонационного горения. Результатом работы реактора ССВП является поток СО2,  значительно обогащённый высокоактивными компонентами H2 и СО. При этом способы сепарации водорода (широко известны и технологичны) не являются предметом заявленного.

Рассмотрим сначала детонационное горение от одного источника.

Детонация – самый эффективный способ прямого превращения вещества в энергию и использования полученной энергии по назначению, который позволяет повысить КПД технологических устройств (горелок, двигателей, реакторов и т.п.).

При детонации химическая реакция окисления горючего протекает при более высоких значениях температуры и давления за сильной ударной волной, бегущей с высокой сверхзвуковой скоростью. Мощность тепловыделения в детонационном фронте на несколько порядка выше дефлаграционного фронта (классического медленного горения). Кроме того, в отличие от продуктов медленного горения, продукты детонации обладают огромной кинетической энергией.

Это связано с тем, что детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростями 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-4000 °С.

Рассмотрим встречное “схлопывание” двух и более волн детонационного горения топливовоздушной смеси  в общем центре.

Из области ВВ, в том числе и из горного дела давно известно, что при встрече двух детонационных волн ВВ давление в центре сжатия мгновенно увеличивается в 2,6 раза в направлении, перпендикулярном линии соединения источников детонационных волн (ВВ). Температура мгновенно увеличивается в разы.

Применительно к детонационным источникам горения топливовоздушной смеси схема выглядит согласно рис. № 8.11.1.

Рис. № 8.11.1. Встречное схлопывание трёх волн детонационного горения.

Детонационные источники энергии размещены навстречу друг другу на одной общей горизонтальной плоскости. При центростремительном синхронном сжатии (схлопывании) детонационных волн от продуктов детонационного горения 3-х и более детонационно-резонансных горелок в центральной части возникает сферическая зона сверх высокого давления, с намного более высокой температурой и давлением.

Практические работы подтверждают заявленное.  Был создан стенд из двух источников детонационных волн по типу  трубчатой формы с сферическим резонатором и непосредственной инжекцией воздуха газом (пропаном), см. рис. № 8.11.2.

Рис. № 8.11.2. Стенд изучения схлопывания двух волн детонационного горения.

Интересные эффекты проявляются в зависимости от расстояния, на котором находятся друг от друга источники детонационного горения.

1. Расстояние между горелками = 2*(0,9*L). Рис. № 8.11.3.

Где: L – длинна видимого сходящегося клина детонационного горения одного источника детонационного горения.

Рис. № 8.11.3. Визуализация встречного схлопывании двух волн детонационного горения на расстоянии между горелками = 2*(0,9*L).

В этом случае место сжатия сверхвысоких температур и давлений локализовано в центре на расстоянии 0,9*L относительно небольшой областью по объёму.

2. Расстояние между горелками = L, Рис. № 8.11.3

Где: L – длинна видимого сходящегося клина детонационного горения одного источника детонационного горения.

Рис. № 8.11.3. Визуализация встречного схлопывании двух волн детонационного горения на расстоянии между горелками = L.

В этом случае место сжатия имеет форму шара сверхвысоких температур и давлений с диаметром, равным  = L.  По аналогии с шаровой молнией, с одним исключением – полученный шар “рождается”  и “умирает” несравнимо быстрее, чем шаровая молния.

Таким образом сверх быстрый нагрев газа может быть реализован встречным “схлопыванием” в общем центре двух и более источников детонационных волн детонационного горения топливовоздушной смеси. При этом объём зоны сверхвысоких температур и давлений зависит исключительно от расстояния, на котором размещены друг от друга источники детонационного горения.