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

ВСТУПЛЕНИЕ

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

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

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

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

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

ПРЕДЛОЖЕНИЕ

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

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

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

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

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

Рис. № 1. Торовое многомерное закрученное течение.

Сформированный торовый многомерный закрученный по спирали поток проявляет интересную особенность.

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

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

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ

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

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

Рис. № 2. Ленточный многомерный кольцевой горизонтальный завихритель.

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

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

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

ВЫВОД.

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

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

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

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

– Техническая реализация способа достаточна проста и повторима.

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

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

Идея предложена на основании запроса № 16 от 04.01.2023 года краудсорсинговой площадки изобретателей – поиск инновационных идей уменьшения энергопотребления миксеров для бочек с краской для металлургической компании: ссылка –  КРАУДСОРСИНГОВАЯ ПЛОЩАДКА ИЗОБРЕТАТЕЛЕЙ  

ВСТУПЛЕНИЕ

Все существующие механические способы перемешивания ограничены тем, что используют один общий поток (одномерное течение) сред с тангенциальным, или радиальным, или осевым, или смешанным – спиральным или тороидальным и т.п. течением. 

С точки зрения энергозатрат существующие способы смешивания / перемешивания примерно одинаковы. Для самого процесса смешивания / перемешивания  равнозначно, каким способом будет формироваться поток. 

Например, турбинная мешалка использует меньше времени на перемешивание, чем винтовая, но и потребляемая мощность у турбинной мешалки выше, чем у винтовой. В итоге по энергозатратам все механические способы смешивания / перемешивания примерно одинаковы. Выигрыш только в скорости самого процесса образования нового вещества при смешивании или доведения раствора до требуемой консистенции / однородности при перемешивании. 

С другой стороны, можно и вручную проводить смешивание / перемешивание.  

В любом случае, в пересчёте на энергозатраты – итог будет для всех способов перемешивания / смешивания примерно одинаков. Как было заявлено выше – связано это в первую очередь с тем, что все существующие способы смешивания / перемешивания основываются на формировании одномерного закрученного течения среды по спирали, при котором происходит вращение жидкости (газа) вокруг одной спиральной оси вращения.

ПОЯСНЕНИЯ

Условно одномерное закрученное течение – это открытое (в пространстве) течение среды по спирали вокруг оси, направленной аксиально или радиально или аксиально-радиально. См. рис. № 1.

Условно многомерное закрученное течение – это открытое (в пространстве) течение когда среда вращается вокруг двух и более параллельных осей, которые в свою очередь также вращаются вокруг общего центра вращения аксиально или радиально или аксиально-радиально.  Здесь уместна  грубая аналогия с канатной свивкой. См. рис. № 1.

Рис. № 1. Тороидально-вихревые закрученные течения.

ВВЕДЕНИЕ

Спиральное, или вихревое многомерное движение часто встречается в природе. Движение вращающихся планет, движение отдельных закрученных потоков воды или воздуха в смерчах, торнадо. По спиральным кривым движутся с вращением элементарные частицы в силовых полях. По спиралям растут листья деревьев и лепестки цветов. 

В таких природных многомерных закрученных течениях проявляются следующие интересные эффекты:

• Температурные изменения потоков.
• Формирование самоподдерживающейся вихревой структуры.
• Формирование новых не скомпенсированных сил во вращающейся вихревой структуре.
• Интенсификация химических процессов.
• Интенсификация физических процессов (фильтрация, сепарация, смешивание и т.п.)
• Новые физические эффекты.

ПРЕДЛОЖЕНИЕ

Если предположить, что многомерная форма движения по спирали идеально подходит, чтобы сохранять энергию, то применительно к теме публикации предлагается следующее. 

Смешивание / перемешивание проводить в многомерных спиральных вихревых течениях по типу канатной свивки, в которых каждая жила каната представляет собой отдельный вихревой поток сред или одномерное течение. 

Для этих целей предлагается использовать любой тип формирователя многомерного тороидально-вихревого закрученного течения.

Предполагается, что идея позволит увеличить крутку  и циркуляцию потоков (эффективность процессов смешивания / перемешивания) при одновременном снижении энергопотребления.

ФОРМИРОВАТЕЛЬ МНОГОМЕРНОГО ТОРОИДАЛЬНО-ВИХРЕВОГО ЗАКРУЧЕННОГО ТЕЧЕНИЯ

В разделе сайта ВИХРИ ХАОСА “Закрученные течения перспективных исследований” предложено большое количество различных завихрителей – формирователей многомерных закрученных течений по спирали. 

Все заявленные типы многомерных завихрителей тестировались в основном в воздухе исключительно для целей:  

• формирования температурных изменений потоков.
• формирования самоподдерживающейся вихревой структуры.
• формирования новых, не скомпенсированных сил во вращающейся вихревой структуре.
• исследование новых физических эффектов.

Задача с краудсорсинговой площадки позволила по-новому взглянуть на использование многомерных торовых закрученных течений в жидкостях для целей более эффективного смешивания / перемешивания. База для НИОКР по идее инновационного многомерного смешивания / перемешивания в жидкости была заложена ещё 3 года назад.

Таким образом, для целей инновационного смешивания / перемешивания в жидкостном многомерном торовом закрученном течении предлагается использовать два вида механических завихрителей многомерного тороидально-вихревого закрученного течения.

1. Ленточные многомерные завихрители, см. рис. № 2.

– кольцевой горизонтальный ленточный завихритель ,

– кольцевой вертикальный ленточный завихритель,

– профильный вертикальный ленточный завихритель,

– спиральный ленточный завихритель,

– и т.п.

Рис. № 2.  Ленточные многомерные завихрители.

2. Гребенчатые многомерные завихрители, см. рис. № 3.

– радиальный гребенчатый завихритель,

– кольцевой вертикальный гребенчатый завихритель,

– профильный вертикальный гребенчатый завихритель,

– и т.п.

Рис. № 3. Гребенчатые многомерные завихрители.

На основании проведённых экспериментов, о которых будет заявлено ниже, можно заявить следующее. Приведённые выше примеры различных типов многомерных завихрителей соотносятся друг с другом также, как и классические типы мешалок (лопастная, винтовая, турбинная и т.п.) 

Каждый тип идеально подходит для операций смешивания или перемешивания определённого типа жидкостей, различающихся физическими и химическими характеристиками.  Должен быть уточнён проведением дополнительных ОКР.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для проверки идеи механического смешивания / перемешивания в многомерном торовом закрученном течении были проведены эксперименты с различными типами формирователей многомерных закрученных течений по спирали. 

Все завихрители имели одну скорость вращения (максимальная скорость вращения сверлильного станка 1500 об/мин.

Тестируемые среды – масляная краска и вода. 

Объёмы тестируемых сред – 5 литров.

Диагностическим маркером эффективности выступали:

1. Потребляемый ток привода формирователя многомерного закрученного о течения по спирали (электродрель). 
2. Визуализация вихревых процессов, одновременно протекающие в исследуемых и эталонных образцах. 

Эталонными образцами для сравнения эффективности для каждого типа формирователей многомерных закрученных течения по спирали – классическая винтовая мешалки и классическая лопастная кольцевая мешалка, см. рис. № 4.  

Рис. № 4. Эталонные образцы классической винтовой и лопастной кольцевой мешалки.

По геометрии проходного сечения классические лопастная и винтовая мешалки были подобраны примерно одинаковыми с формирователями многомерных закрученных течений по спирали. 

ВЫВОД

Исходя из проведённых экспериментальных работ можно оценить роль многомерных вихрей в процессах смешивания / перемешивания:

1. Все предложенные многомерные типы мешалок формирую устойчивый многомерный торовый вихревой поток в жидкости, см. рис. № 5. 

Рис. № 5. Смешивание / перемешивание в многомерном торовом вихревом потоке жидкости.

На рисунке вида наружная часть многомерной воронки / “хобота” торового многомерного закрученного течения. Толщина стенки воронки / “хобота” ориентировочно составляет 1/6 от наружного диаметра “хобота”. 

2. Все известные типы мешалок (винтовая, лопастная, турбинная и т.п.)  формируют устойчивый один или два одномерных торовых вихревых потока в жидкости, см. рис. № 6. 

Рис. № 6. Смешивание / перемешивание в одном одномерном торовом вихревом потоке жидкости.

На рисунке видна классическая одномерная воронка /  одномерный “хобот” торового одномерного закрученного течения. 

3. Для жидкостей с небольшой кинематической вязкостью водных растворов наиболее эффективным является ленточный многомерный кольцевой горизонтальный завихритель, см. рис. № 7.

Рис. № 7. Ленточный многомерный кольцевой горизонтальный завихритель.

4. Для жидкостей с кинематической вязкостью масел и красок эффективным можно назвать ленточный многомерный вертикальный тип  завихрителя, см. рис. № 8.

Рис. № 8. Ленточные многомерные кольцевые вертикальные типы завихрителей.

5. Потребляемый ток электропривода  в установившемся режиме:

– 20,4 мА при работе с многомерной мешалкой.

– 20,7 мА при работе с классической одномерной мешалкой.

6. Обнаружен эффект самобалансировки ротора многомерной  мешалки в установившемся режиме.  В установившемся режиме биение ротора  полностью компенсирует многомерный вихревой поток. 

7. Видеоотчёты экспериментальных работ с различными типами многомерных завихрителей размещены здесь :  ОКР Тест № 1:

Тест № 2:

Тест № 3:

Тороидально-вихревой способ охлаждения воздуха, или  локализация природного смерча для технологических целей.

Предлагается организовать процесс охлаждения воздуха  за счёт формирования в объёме относительно замкнутой сферы трёхмерного вихревого потока по типу само выворачивающегося бублика с использованием температурных процессов, протекающих в приосевой части  по аналогии с таким природным явлением, как смерч.

          В качестве  близкой аналогии можно привести пример температурных процессов, протекающих в классической трубке Ранка-Хилша.

 Если принять  вихревые  течения в классике Ранка-Хилша, как двухмерное (2D) – то предлагается для целей существенного повышения эффективности температурного разделения перейти к трёхмерному вихревому потоку (3D).

Такое трёхмерное распространение вихревого потока с температурным разделением может обеспечить  только тороидальный вихрь по типу само выворачивающегося бублика и процессы, протекающие в приосевой части такого природном явлении, как смерч.

Конструктивно предлагается сформировать и локализовать  тороидальный вихревой поток в замкнутой сфере.

Внутри замкнутой сферы сверху и снизу установлены два осевых конусных направляющих диффузора (рис. № 10.12.1).

Рис. № 10.12.1 Конструкция сферы с верхним и нижним направляющими  формирования вихревого тороида.

Полноценный замкнутый вихревой тороидальный поток по типу само выворачивающегося бублика формируется встроенным осевым вентилятором за счёт  направляющих конусных диффузоров.

Вентилятор – осевой. Лопасти размещены в внешнем статичном кольце. Лопасти вентилятора имеют конструктивную особенность, связанную с наличием  осевой полно проходной безнапорной области, см. рис. № 10.12.2. 

Рис. № 10.12.2. Вентилятор с безнапорной осевой частью.

Приосевая, без лопаточная, безнапорная область обеспечивает формирование двух коаксиальных вихревых противопотоков — один в другом. Таким образом вертикальный наружный коаксиальный вихревой поток формируется приводным винтом такой конструкции.  Внутренняя приосевая  вертикальная безнапорная  область в этом случае будет  относительно свободна от наружного вихревого потока. 

Осталось грамотно организовать подвод и отвод воздуха в такую  приосевую область сформированной вихревой структуры непосредственно для целей охлаждения.

Здесь прослеживается аналогия с 2D процессами, происходящими в классике Ранка – Хилша на поток разделительном  конусном диффузоре при выводе отдельно “холодного” и отдельно “горячего” вихревых потоков.

Применительно к заявленному 3D вихревому потоку в оси каждого конусного диффузора размещены полно проходные отверстия, см. рис. № 10.12.3.

Рис. № 10.12.3. Схема ввода-вывода в сферу воздуха

Через них происходит принудительный ввод воздуха для охлаждения в приосевую противопоточную часть тороидального вихревого потока и после охлаждения — вывод охлаждённого воздуха для дальнейшего использования по назначению.

При этом самое главное–принудительный ввод воздуха для охлаждения обязательно должен проводиться с круткой, противоположной крутке осевого вертикального вихревого потока и строго в его противоток.

В конструктивном плане реализация заявленного способа представлена на рис. № 10.12.4

Рис. № 10.12.4. Тороидально-вихревой охладитель воздуха.

Внутри сферы сверху и снизу установлены два осевых конусных направляющих диффузора.   В оси каждого конусного диффузора размещены полно проходные отверстия подвода и отвода воздуха охлаждения. С верха обеспечивается  принудительный ввод воздуха для охлаждения непосредственно через конусный в диффузор. На выходе диффузора установлен лопаточный статический завихритель, обеспечивающий противоположную воздухом охлаждения  крутку в внутренний  приосевой поток. Встроенный осевой вентилятор за счёт  направляющих конусных диффузоров внутри такой сферы формирует полноценный замкнутый вихревой тороидальный поток по типу само выворачивающегося бублика.

Для целей получения более низких температур воздуха предлагается часть охлаждённого воздуха использовать для охлаждения относительно горячих стенок сферы по аналогии с вихревыми трубками Ранка-Хилща согласно рис. № 10.12.5.

Рис. № 10.12.5. Тороидально-вихревой охладитель воздуха с дополнительным охлаждением корпуса сферы.

В вихревой трубке Рагка-Хилша для уменьшения температуры “холодного” потока дополнительно охлаждают наружную стенку, контактирующую с “горячим” потоком.

Такой подход предлагается организовать в  заявленном тороидально-вихревом охладителе. Внешняя сфера, контактирующая непосредственно с “горячим” вихревым потоком дополнительно охлаждается теплообменом частью “холодного” воздуха.

Вывод:

Исходя из выше изложенного в сформированной таким образом трёхмерной вихревой структуре так называемый  внешний “горячий” вихревой поток строго локализован и замкнут на себя.  В отличии от процессов, протекающих в вихревых трубках Ранка-Хилша, в которых охлаждение  и нагрев потоков протекает “за один проход” – в заявленном случае локализация внешнего “горячего” вихревой потока на самого себя обеспечит более эффективное охлаждение внутреннего вихревого противопотока в при осевой части при полной аналогии с природным явлением типа смерча.

Принцип работы основан на формировании в замкнутой шаровой полости мельницы и поддержания на должном уровне полноценного тороидального вихревого потока порошка истираемого материала.

Шаровая полость мельницы  зафиксирован в вертикальной плоскости на  тросовых элементах.

Тороидальный вихревой поток порошка металла  внутри шаровой полости мельницы формируется и поддерживается за счёт периодической (бегущей) инициации тангенциальных(!!!) ударных импульсов механическими вибраторами, подводимых к шаровой полости мельницы снаружи. Механические ударные импульсы подводятся снаружи корпуса мельницы  в нижней части и в верхней части. Формируются две бегущие ударные волны в нижней и верхней части шаровой полости мельницы, закреплённой в вертикальной полости тросовым способом. Механические ударные импульсы как в нижней части, так и в верхней части шаровой полости строго синхронизированы между собой и позволяют инициировать внутри волновые потоки любых веществ.

Для целей полноценного формирования тороидального вихревого потока любого вещества шаровая полость мельницы оборудована внутри вверху и внизу специальными центростремительными направляющими поток конусами.

Особенностью любого тороидального вихревого потока, в том числе и частиц металла является сложная траектория движения.

В такой вихревой тороидальной порошковой структуре присутствует осевая область, в которой  осуществляется непосредственно процесс истирания.

По мере приближения к осевой части тороидального вихря скорость частиц многократно возрастает, радиус вращения уменьшается. В этом случае вихревой тороидальный поток  порошкового металла в осевой части претерпевает значительные сжимающие истирательные воздействия для целей заявляемого.

Конструктивное исполнение заявленной вихревой мельницы и принцип работы наглядно представлен на  рис. № 10.13.1.

Рис. № 10.13.1. Тороидально поточная вихревая мельница  ультратонкого помола порошков металлов микронного уровня.

Нижние и верхние вибраторы со своими тангенциальными силами приложения при работе формируют в замкнутой шаровой полости мельницы циклическую бегущую дорожку из порошка металла, которая по спирали поднимается вверх. Сверху специальный центростремительный направляющий конус направляет поток порошка в при осевую область вниз. Происходит осесимметричное сжатие потока порошкового металла. Формируется  внутренний осевой тороидальный вихревой сверх высокоскоростной противопоток, внутри которого обеспечивается непосредственный ультра дисперсионный помол любых порошков металлов за счёт сверхвысоких сил трения. По оси на выходе снизу шаровой полости мельницы также размещён направляющий конус. 

Таким образом, благодаря формированию линейкой вибраторов внутри шаровой полости вихревого порошкового потока, направленного вверх и двух осесимметричных конусов, изменяющих направление движения потока — формируется полноценный тороидальный вихревой поток с значительными истирательными возможностями в осевой части шаровой полости мельницы. 

В заявленном предложении интенсивность вихревого тороидального потока, и как следствие, истирательное осевое усилие мельницы (её эффективность) зависит исключительно от степени согласованности работы линейки вибраторов, их интенсивности, места размещения на внешнем корпусе шаровой полости мельницы и подбирается индивидуально для каждого порошкового  материала.

Для наглядности на заявленном выше рисунке  вибраторы конструктивно размещены в два яруса.  При этом расположение вибраторов может быть и другое, например по спирали  с различным шагом или другим. 

В любом случае заявляется главное —  все вибраторы должны работать строго согласовано для целей формирования внутри шаровой полости мельницы спирального вихревого восходящего  вихревого потока порошкового металла.

ВЫВОД:

Заявленный способ позволит проводить ультратонкий помол порошков металлов микронного уровня относительно просто и без использования какого либо дополнительного высокоэнергетического оборудования и носителей, по сравнению с классическими существующими способами.

Останавливаться на классике нет смысла, она широко представлена для различных технологических целей, имеет свои достоинства и недостатки.

          Отмечу только одно — заявленный способ кардинально отличается от классики. За счёт периодической инициации тангенциальных (!!!) ударных импульсов по типу бегущей волны механическими вибраторами — в подвешенной шаровой полости помола формируется полноценный тороидальный вихревой поток частиц металла. В этом случае сама структура тороидального потока позволяет формировать в осевой центральной части значительные истирательные усилия за счёт значительного сжатия. По мере приближения к осевой части тороидального вихря скорость частиц  в этом случае многократно возрастает, радиус вращения уменьшается. В этом случае вихревой тороидальный поток  порошкового металла в осевой части претерпевает значительные сжимающие истирательные воздействия для целей заявляемого.

Известен компрессорный привод несущего винта вертолёта. В этом случае крутящий момент создается силой реакции воздуха (газов), вытекающих из установленных на концах лопастей тангенциально установленных реактивных сопел.  В фюзеляже вертолёта установлен компрессор (генератора сжатого воздуха или генератор сжатого газа). Воздух (газ) подаётся через втулку и лопасти винта к реактивным соплам на концах лопастей.

К сожалению, реактивный привод имеет основной недостаток, это низкий КПД, из-за которого данное направление в настоящий момент считается неперспективным и дальнейшего развития не получило.

Предлагается повысить КПД реактивного привода с помощью прецессирующего эффекта закрученного течения, который опубликован здесь: Прецессионный эффект закрученного течения.

Прецессионный эффект закрученного течения – явление, при котором осевая составляющая распространения закрученного течения из сопла меняет своё направление в пространстве за счёт специальной сопловой лопатки, см. рис. № 9.24.1. Сопло в этом случае  остаётся неподвижным.

Рис. № 9.24.1 Прецессия вихревого потока.

Визуализация прецессии закрученного течения заявлена на рис. № 9.24.2

Рис. № 9.24.2. Прецессия закрученного течения

Предлагается объединить  компрессорный привод лопастей вертолёта с эффектом прецессии вихревого потока. В этом случае изменяется вектор тяги с радиального на радиально-тангенциальное направление.

Для подтверждения заявленного был изготовлен стенд, см. рис. № 9.24.3.

Рис. № 9.24.3. Стенд изучения вихревых течений.

Стенд представляет собой стальную свободно вращающуюся  по центру алюминиевую штангу длинной 2 метра. В качестве штанги использовалась алюминиевая труба  диаметром 45 мм.  С каждой стороны штанги (трубы), внутри, перед выходом (соплами) установлены статические завихрители.  Сопла на половине диаметра  продолжаются сопловыми лопатками, согласно рис. № 9.24.4.

Рис. № 9.24.4. Сопловая лопатка.

Воздушный поток подаётся от воздушного компрессора.

В эксперименте  диммером (регулятором мощности)  регулировался расход воздуха от компрессора. Менялся угол встроенных двух завихрителей и геометрические размеры лопатки.  В ходе эксперимента проводилось окрашивание воздушных вихревых потоков для целей визуализации различных эффектов. 

РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Некоторые результаты ОКР опубликованы на Ю-туб канале:

– https://www.youtube.com/watch?v=HbOLNKhV9C8&t=24s

– https://www.youtube.com/watch?v=W-8C9E8ys-M&t=43s

2 Сопловая лопатка меняет угол течения закрученного  потока, которое приводит к формированию   не скомпенсированной тангенциальной силы тяги.  Эта сила приводит во вращательное движение штангу стенда.

3. Изменение геометрических размеров и место установки сопловой лопатки  на выходе сопла – меняет угол и скорость прецессии, а также влияет на  угол расходимости прецессирующего закрученного течения.

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.

Рассмотрим  относительно упругий в вертикальной плоскости винт гребёнку “полу сотового” продольного профиля, согласно рис. № 9.26.1.

Рис. № 9.26.1. Вибро-ротационный винт “полу сотового” продольного профиля

Вибро-ротационный винт “полу сотового” продольного профиля на испытательном стенде представлен на рис. № 9.26.2.

Горизонтальное вращение такого крыла с угол атаки 0 градусов формирует различные виды вихревых течений с местами возникновения, направлениями вращения и интенсивностями, которые зависят от скорости вращения и от степени упругости самого крыла.

Рис. № 9.26.2. Вибро-ротационный винт “полу сотового” продольного профиля на испытательном стенде.

При  вращении такого упругого крыла в зависимости от частоты вращения  возникают вертикальные машущие движения.

Интенсивность таких маховых движений возрастает пропорционально скорости вращения. В пределе при определённой частоте  возникает резонанс с полным механическим разрушением крыла.

Резонанс мы рассматривать не будем, а остановимся на любопытных эффектах, связанных с формированием различных вихревых течений до резонанса.

Рассмотрим вихревые течения, которые формируются таким образом в зависимости от частоты вращения, см. рис. № 90.26.3 и 9.26.4.

При увеличении частоты вращения  от 0 – машущий  винт формирует один тороидальный само выворачивающийся вихрь с центром, соответствующим центру вращения крыла и следующим распространением воздушных потоков, см. рис. № 9.26.3.

Рис. № 9.26.3. Визуализация вихревого тороида в центре оси вращения.

При дальнейшем увеличении скорости вращения  центральный тороидальный вихрь перемещается выше машущего крыла и формируется интенсивный центробежный воздушный поток над крылом со следующим распространением, см. рис. № 10.26.4.

Рис. № 9.26.4. Визуализация вихревого тороида выше  оси вращения.

ВЫВОД.

Регулировкой скорости вращения упругого в вертикальной плоскости крыла “полу сотового” продольного профиля обеспечивается формирование подъёмной силы по аналогии с машущим полётом птицы.

 

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.

Идея способа основывается на одном интересном эффекте, который проявляется в любом вихревом кольце при его прямолинейном распространении.

Сформированное любым способом и движущееся  прямолинейно воздушное  интенсивное вихревое кольцо является достаточно продолжительное время замкнутой самоподдерживающей упругой вихревой структурой, степень упругости которой зависит только от интенсивности формирования вихревого кольца.

В такой кольцевой вихревой структуре любые внешние изменения, влияющие на  геометрические характеристики вихревого кольца, в любом месте при его распространении  мгновенно  отражаются во всём  объёме  его объёме.

Можно сказать, что вихревое кольцо ведёт себя как достаточно упругий движущийся элемент, в котором степень упругости зависит от скорости его распространения, циркуляции и угла расходимости. В этом легко убедится на примере дымового сигаретного кольца курильщика. Такое кольцо с совсем небольшой циркуляцией и скоростью распространения проявляет свойства упругого элемента – достаточно слегка толкнуть движущееся кольцо.

При этом сам Роберт Вуд о вихревых кольцах говорил следующее: Аудитория может получить представление о «твердости» вращающегося воздушного вихря, если последовательно выпускать невидимые кольца в зал. Удар кольца в лицо человека ощущается как мягкий толчок пуховой подушкой.

Этот эффект можно считать относящимся и для  вихревых полуколец, сформированных так называемым “материнским” вихревым кольцом  при прохождении через  относительно тонкий лист. Такой разделитель не способен разрушить ядра полукольцевых вихрей, но оказывает влияющее воздействие, о котором будет сказано ниже и на основании которого базируется сама идея измерений. 

Вихревые полукольца являются движущимися с обеих сторон листа независимыми “твёрдыми” элементами. Толщина листа в этом случае будет являться тем маркером, изменение которого в каждом конкретном месте мгновенно  влияет на ядра полукольцевых вихрей, сжимая их или растягивая. Это означает, что мгновенно будут меняться, но с разными знаками значения давлений  снаружи таких вихревых полуколец, движущихся поперёк так называемого “делительно-измеряемого” стального листа.

Вихревые полукольца, сформированные от общего “материнского” вихревого кольца имеют абсолютно идентичные характеристики по скорости, распространения, циркуляции, углу расходимости и т.п. Это значит, что измеряя значения давлений  снаружи движущихся вихревых полуколец можно определить математическую зависимость толщины листа с покрытием, относительно толщины листа без покрытия.   При этом влияющие на значения давлений  вибрации при движении самого листа   также могут быть нивелированы математически.

ИНТЕНСИВНОЕ ВИХРЕВОЕ КОЛЬЦО

В качестве источника формирования следующих друг за другом с частотой  2 Гц высокоинтенсивных вихревых кольцевых структур предлагается использовать детонационный источник энергии цилиндрической формы,  бесклапанный с сферическим резонатором на выходе, см. рис. № 8.17.1.

Рис. № 8.17.1. Трубчатый источник волн детонационного горения с сферическим резонатором на выходе.

Экспериментальным путём установлено формирование одновременно два вихревых кольца, т.е. волна детонационного горения формирует два вихревых кольца, одно – фронтом волны, другое – областью между волной горения и разряжением.

Первичное высокоинтенсивное  вихревое кольцо распространяется прямолинейно с  углом расширения – 0,2 градуса.

Вторичное вихревое кольцо распространяется с углом расширения примерно 150 градусов.

На основании выше изложенного реализация предлагаемого способа представлена на рис. № 8.17.2.

Рис. № 8.17.2. Вихре кольцевой детонационный способ измерения толщины покрытия   стального листа.

Симметрично с обеих сторон листа на одинаковом расстоянии установлены строго параллельные линейки с датчиками давления.

Поперёк стального листа  друг за другом движутся сформированные внешним детонационным источником энергии  воздушные высокоинтенсивные вихревые кольца.

Каждое такое вихревое кольцо после  полного сформирования при своём движении  “разрезается” тонким стальным листом пополам.  Таким образом, с обеих сторон стального листа движутся уже синхронно два зеркальных вихревых полукольца, имеющие одинаковую скорость распространения, циркуляцию и угол расходимости.

Одновременно с движением вихревых полу колец – датчиками измеряются значения их наружных давлений в каждом месте стального листа по всей его длине.

Изменение толщины листа в определённом месте или местоположение в случае вибрации даже на 1 микрон приведёт к мгновенному воздействию на полу ядра полукольцевых вихревых потоков.  Это означает, что практически мгновенно  изменятся значения давлений диаметрально по всему объёму обоих вихревых полуколец. С одной стороны листа давление увеличится, с другой стороны листа либо уменьшится, либо останется без изменений.

Два диаметрально расположенных датчика давления, зафиксируют изменения, которое затем математически будут преобразованы в единицы линейных размеров толщины в заданном месте.

Достоинства заявленной технологии:

1.       Высокая чувствительность.

2.       Технологическая простота исполнения механической части.

3.       Чрезвычайно низкие затраты по отношению ко всем  другим существующим измерительным системам. Для примера: для листа шириной 1 метр достаточно 100 датчиков давлений +  плата сопряжения и компьютер.

4.       Конструктивное исполнение детонационного источника вихревых колец также просто и не требует  больших финансовых затрат.

Недостатки заявленной технологии.

1.       Невозможно определить толщину покрытия с одной стороны стального листа.

2.       Толщина покрытия  определяется по всей поверхности движущегося листа дискретно. Шаг выборки зависит по ширине от количества используемых датчиков давления. Шаг выборки по длине  зависит от  периодичность детонационного формирования так называемых “материнских”  вихревых колец.