Новые технологии закрученных течений

1.1. Вихревой фильтр очистки воды с формированием сверхвысокоскоростного волнового фронта

В конструктивном плане водяной фильтр представляет собой классическую вихревую терм разделительную трубку, в которой так называемый “горячий” выход вихревого потока используется в качестве выхода загрязнённой воды. Так называемый “холодный” выход центрального выхода от противотока используется для выхода очищенной воды.

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

Это достигается тем, чтоб механическим способом формируется так называемая сверхвысокоскоростная “бегущая дорожка” по спирали на поверхности вращающегося диска из чередующихся открывающихся/закрывающихся отверстий.

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

Формирование трёхмерного вихревого потока внутри фильтра обеспечивается за счёт:

– Вращения самого диска завихрителя с полно проходными отверстиями, размещёнными по спирали.

– Подачи воды через чередующиеся (открывающиеся/закрывающиеся) отверстиями, размещённые по спирали.

Благодаря такой организации внутри фильтра формируются так называемые “вихревые жгуты” по типу канатной скрутки.

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

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

Эксперимент

Изготовлен действующий прототип вихревого двух поточного водяного фильтра с одним потоком загрязнённой воды и вторым потоком очищенной воды, конструкция которого приведена на следующем рисунке.

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

Фильтр состоит из следующих основных узлов:

1- Конус термо и грязе разделительный (вихревой трубы).

2- Корпус фильтра (вихревой трубы).

3- Вращающийся завихритель с периодически размещёнными по спирали полно проходными отверстиями с установленными в каждое отверстие индивидуальными завихрителями.

4- Не вращающаяся часть завихрителя также с проходными отверстиями определённой формы.

5- Основание фильтра.

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

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

Общий вид неподвижного завихрителя с размещёнными по спирали полно проходными отверстиями, в которые установлены индивидуальные завихрители показан на следующем рисунке.

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

Рис. № 4. Эксперимент по фильтрации водопроводной воды

Результаты измерений водопроводной воды до фильтра и после на температуру, запах, цвет, прозрачность мутность, водородный показатель, микробиологию жёсткость и содержание железа приведён в следующей таблице.

Анализ результатов тестирования двухпоточного водяного фильтра.

В опыте использовались следующие механические данные фильтра:

– скорость вращения завихрителя – 4 оборота/секунда,

– кратность увеличения скорости вращения завихрителя – 15 раз,

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

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

А именно на:

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

– запах (исчезает),

– цветность воды (исчезает),

– содержание железа (уменьшается),

– жёсткость воды (изменяется).

Заключение

В ходе изучения физических, химических и бактериологических показателей водопроводной воды Зашекснинского района г. Череповца, сведённых в таблицу № 1 можно утверждать, что значения по вышеуказанным показателям не превышают предельно допустимых значений и качество воды соответствует установленным нормам.

В ходе проведения предварительного расчёта было доказано, что для создания более эффективных механических водяных фильтров необходимо повышать скорость вращения водяного вихревого потока. Но из-за особенностей физических свойств воды – такое повышение не безгранично и ограничено 100 оборотами в секунду.

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

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

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

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

Для целей анализа физические, химические и бактериологические показатели экспертизы сведены в таблицу.

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

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

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

1.2. Торидально-вхревой способ транспортировки дымовых газов в верхние слои атмосферы

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

Таким образом, высокая труба, этот главный проводник выбросов – одновременно и залог чистого воздуха на близ лежащей территории. Рассеивание выбросов через дымовые трубы следует рассматривать, как вынужденное решение. Это не решает принципиально вопрос надежной охраны атмосферы, а лишь «размазывает» вредные выбросы по большой площади, доводя их концентрацию у земли до предельно допустимой нормы.

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

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

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

Решение

Предлагается физически обоснованный и конструктивно реализуемый способ вертикального транспортирования дымовых газов на большую высоту без увеличения длины дымовой трубы и без вмешательства в саму систему тяги печи. Принцип действия основан на генерации последовательных вихревых тороидальных колец – особых трёхмерных воздушных структур с авто поддерживающимся движением, способных захватывать и транспортировать окружающий газ при самоорганизующемся продвижении вверх.

Центральный образ – само выворачивающийся вихревой бублик, действующий как своеобразный бесконтактный поршень:

– сам вихрь (тороиды) – поршень,

– неподвижный воздух и дымовые газы – как стенки цилиндра,

– вертикальный канал – как направление хода.

Такая структура создаёт динамику внутреннего сдвига, захватывая примыкающий к ней воздух и втягивая за собой порцию газов вверх.

Это может обеспечить только вихревой тороид обратной структуры. При распространении такой вихревой тороид само выворачивается не наружу, как кольца курильтщика, а вовнутрь к оси распространения и имеет дополнительную крутку вокруг оси распространения, согласно рис. № 5, Такой тороид имеет максимально возможную энергетику среди всех типов вихревых колец.

Рис. № 5. Обратный ротационный вихревой тороид.

Схематически, для заявленных целей, генератор вихревых тороидов с само выворачиванием внутрь оси распространения и ротацией вокруг оси распространения, представлен на рис. № 6

Рис. № 6. Способ формирования обратного ротационного вихревого тороида.

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

Такая конструкция в практическом плане формирует тороидальное вихревое кольцо с аксиальной круткой уже вовнутрь движения с одновременным радиальным вращением, см. рис. № 7.

Рис. № 7. Формирование обратного ротационного вихревого тороида.

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

Конструктивное исполнение

В конструктивном плане, предложенный способ представлен на рис. № 8.

Рис. № 8. Схема реализации торидально-вхревого способа транспортировки дымовых газов промышленного производства в верхние слои атмосферы для рассеивания.

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

Организация способа транспортировки дымовых газов промышленного производства в верхние слои атмосферы для рассеивания:

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

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

Преимущества способа

– Нет вмешательства в теплотехнический процесс самой печи (не затрагивается горение, тяга, газы);

– Значительное увеличение высоты выброса – без архитектурных и финансовых затрат на надстройку трубы;

– Снижается приземлённая концентрация вредных выбросов – за счёт их физического рассеивания в более высоких слоях атмосферы;

– Модульность – генератор можно включать в зависимости от погодных условий (штиль, инверсионный слой, повышенная влажность и т.п.);

– Работа по умолчанию энергонезависима от основного производства (работает от небольшого компрессора и клапанного блока).

Экологическое замечание

Хотя речь идёт о технологии физического подъёма и рассеивания дымовых газов, важно подчеркнуть: это не способ утилизации, а временное, но полезное решение по снижению приземленных концентраций. Само рассеивание – это вынужденный экологический компромисс, применимый в ситуациях, когда установка полноценной системы очистки невозможна или требует больших ресурсов.

Следовательно, этот способ может рассматриваться как:

– промежуточный или вспомогательный этап санитарной защиты атмосферы;

– инжиниринговое решение для старых, реконструируемых или временных ТЭЦ/котельных;

– способ повышения эффективности рассеивания при неблагоприятных погодных условиях.

Заключение

Вихревой способ транспортировки выбросов за счёт само-выворачивающихся ротационных тороидальных структур представляет собой энергетически и конструктивно простой метод удаления вредных газов из приземлённого слоя атмосферы. Без увеличения тяги, без вмешательства в тело трубы, без промышленных воздуходувок – только за счёт управляемого формирования вихря. Он соединяет физику автодвижения газов через вихревой эффект с реальным экологическим применением в промышленности. Это пример того, как правильная структура потока может заменить сложный аппарат.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

1.3. Троидально-вихревой способ очистки помещений от взвесей и потенциально опасных веществ

В производственных, лабораторных и мастерских помещениях с высокой концентрацией пыли, аэрозолей, дыма, лёгких химических взвесей и микрочастиц существует устойчивая проблема зон застоя – малоподвижных или «мертвых» участков воздуха, в которых загрязнители зависают в течение длительного времени. Классические системы принудительной вентиляции (вытяжные вентиляторы, фильтровальные агрегаты, местные отсосы) работают локально и не обеспечивают объёмный подъем загрязнённого воздуха в вертикальном направлении.

Предлагаемое решение

Предлагается принципиально новый способ очистки воздуха в помещении за счёт удаления взвесей с помощью высокоэнергетических, последовательно формируемых вихревых тороидальных структур, распространяющихся вертикально – от пола к потолку.

Способ основывается на одном из необычных эффектов, связанных с движением вихревого кольца. Рассмотрим его на примере следующей временной диаграммы.

Рис. № 9. Временная диаграмма формирования вихревого кольца.

Где t1 – время распространения отдельного первичного вихре образующего потока.

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

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

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

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

Концепция и конструкция

Система состоит из:

– Источника сжатого воздуха (компрессора с ресивером),

– Быстродействующего воздухораспределительного клапана,

– Противопоточного генератора вихревых тороидов (работающего аналогично усиленному «ящику Вуда», но с направленной геометрией потока),

– Выходного вертикального канала (трубы, воздуховода) – служащего путём удаления газа за пределы помещения.

Рис. № 10. Схема реализации способа троидально-вихревой очистки помещений от взвесей и потенциально опасных веществ.

Принцип работы

– Порция воздуха с нужным импульсом поступает в генератор;

– За счёт специальной формы сопла и встречного отражённого потока формируется обратный ротационно-саморазворачивающийся тороид – вихревое кольцо;

– Кольцо создаёт зону разрежения за собой, втягивает примыкающий воздух, унося с собой взвешенные загрязнения;

– Через верхнюю зону помещения загрязнённая масса удаляется через выводной канал или рассеиватель;

– Новое кольцо формируется с заданным интервалом (например, каждые 1–2 секунды), обеспечивая серию синхронных воздушных волн, очищающих объём всего помещения.

Физическая модель

Тороид, направленный вверх, ведёт себя как поршень:

– Сам он – подвижный объём, несущий избыточный импульс;

– Неподвижный воздух вокруг – цилиндр, по которому он движется;

– При прохождении кольца через помещение оно увлекает за собой не только свою массу, но и окружающую воздушную среду, создавая стабильную восходящую волновую колонну.

Такая вихревая структура обладает ротацией вокруг своей оси и одновременно – осевой авто инверсией (само переворотом) по направлению движения, что дополнительно повышает её устойчивость и способность захватывать большие объёмы примыкающего воздуха. Концентрированные потоки вверх выводят загрязнения равномерно по всему объёму – в отличие от точечной вытяжки.

Визуализация и практический пример

Прототип установки с генератором вихревых тороидов подтвердил следующее:

– На комнатных масштабах (10–70 м²) вихревые кольца, диаметром 0,2–0,3 м, свободно поднимались до 3–4 метров высоты;

– При визуализации дымом и паром отчётливо видно формирование кольца с последующим втягиванием окружающего воздуха в нижней зоне кольца;

– При построении колонны из таких колец (интервал – 2–3 сек) формируется стабильный вертикальный поток.

Преимущества по сравнению с обычной вентиляцией

– Объёмная очистка воздуха, а не точечная;

– Отсутствие зон застоя – воздух «перепахивается» вверх по всему помещению;

– Нет лопастей, вентиляторов, турбин – минимальный износ и шум;

– Пыль, дым, аэрозоли вытягиваются вверх, исключая их оседание и рециркуляцию;

– Работа в импульсном режиме – энергоэффективность;

– Простота масштабирования установки: от небольшой мастерской до крупного цеха.

Заключение

Разработка вихревой технологии очистки воздуха на основе последовательной генерации само-выворачивающихся тороидальных вихрей позволяет реализовать эффективную, бесконтактную, энергоэкономичную систему очистки воздуха в помещении. Это решение:

– является альтернативой традиционным вентиляционным и фильтрационным установкам;

– не требует дорогостоящих фильтров, расходников или замены элементов;

– позволяет очищать воздух не в одном месте, а в пространстве – целиком;

– применимо в цехах, лабораториях, химических и сварочных постах, а также в системах временной или аварийной вентиляции.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

1.4. Детонационно-вихревой способ дожига дымовых газов

Идея способа заключается в центростремительном вихревом сжатии (имплозии) волны (волн) детонационного горения. Происходит формирование сверхвысокой температуры в осевой аксиальной зоне вихревого сжатия. Дополнительно благодаря конструктивному решению распространения и сжатия детонационных волн центральная область сверхвысоких температур не имеет механического контакта с конструкционными элементами. Таким образом исключаются большие тепловые потери.

Детонационно-вихревой дожиг любых дымовых газов основывается на двух работах, связанных с формированием сверхвысоких температур в области центростремительного сжатия.

Реализация способа дожиг любых дымовых газов промышленного производства показана на ниже приведённом рисунке в зависимости от количества детонационных источников энергии.

Рис. № 11. Схема реализации детонационно-вихревого дожига дымовых газов

За основу взяты конструкции детанационно-вихревых горелок с нижним осевым подводом дымовых газов в зону сверхвысоких температур. Горелки должны быть установлены сверху дымовых труб промышленного производства.

Подача дымовых газов в зону сверхвысоких температур может осуществляться, как естественной тягой, так и с помощью так называемой “всасывающей” силы вихревого движения. Это зависит от состава дымового газа, т.е. времени нахождения дымовых газов в области сверхвысоких температур до полного термического разложения.

Регулировка осуществляется за счёт выдвижения патрубка дымовых газов к (или от) зоны сверхвысоких температур.

Заявленный способ детонационно-вихревого дожига дымовых газов промышленного производства представляет собой технологически обоснованное, энергоэффективное и инновационное решение задачи комплексной утилизации остаточных горючих компонентов и токсичных веществ, содержащихся в отходящих газах различных промышленных процессов (энергетика, металлургия, химическое и нефтехимическое производство и др.).

Ключевая особенность метода заключается в использовании явления центростремительной вихревой имплозии – фокусированного сжатия фронтов детонационного горения, создающего в центральной аксиальной зоне устойчивую область сверхвысоких температур (более 2000–3000  C).

Не имеет высокотемператкрного контакта с конструкционными элементами, минимизируя тепловые потери и риски теплового разрушения камеры;

Обеспечивает сверхбыстрое термическое воздействие (в микросекундном диапазоне) на проходящие через неё дымовые газы с полным разрушением молекул СО, СН, NOx, остатков органики, сажи и других вредных компонентов;

Является автогенератором тепла – детонационные горелки не требуют подачи внешнего тепла в зону дожига;

За счёт вихревого эффекта усиливается «всасывающее» действие на поток, что позволяет использовать установку без дополнительного нагнетательного оборудования (естественная или индукционная тяга).

Преимущества и технологические особенности заявленного способа:

1. Высокая температура и давление в центральной вихревой зоне обеспечивают почти мгновенное термическое окисление (или разложение) остатков горючих и токсичных веществ, содержащихся в дымовых газах.

2. Центростремительное сжатие (имплозия) фронтов горения позволяет эффективно фокусировать тепловую энергию в объёме, исключая износ и перегрев корпуса установки.

3. Возможность регулировки времени теплообмена (выдержки) за счёт выдвижного патрубка подачи дымовых газов позволяет настраивать процесс дожига под конкретные условия различных предприятий (по вязкости, плотности, химическому составу отходящих газов).

4. Модульное исполнение конструкции – возможность установки различных по числу и мощности детонационно-вихревых горелок – позволяет адаптировать установку под параметры любого источника выбросов (ТЭС, металлургический цех, печь, установка газификации).

5. Низкий уровень остаточных выбросов – выходящий из зоны дожига газ может быть практически инертным (состоящий преимущественно из CO2, H2O и N₂), что обеспечивает соответствие требованиям по охране окружающей среды и жёстким пиковым нормативам по выбросам.

6. Принципиальная энергоэффективность – благодаря горению внутри детонационных фронтов и отсутствии тепловых потерь установка потенциально превосходит по КПД классические методы дожига и каталитического доокисления.

Возможные направления применения:

– Снижение выбросов ТЭС и котельных, особенно при сжигании низкокалорийных топлив (бурый уголь, мазут, пылевидное топливо);

– Термохимическая доочистка выбросов с органическими, цементными, нефтехимическими, креозотовыми и полимерными загрязнителями;

– Предварительная термохимическая подготовка газов перед их подачей в каталитические блоки, что позволяет снизить нагрузку на катализаторы и повысить их срок службы;

– Утилизация продуктов пиролиза и газификации в установках переработки ТБО и промышленных отходов;

– Адаптация под дожиг летучих органических соединений и газов, выделяющихся при переработке биомассы и органических производств.

Заключение

Ключевая особенность метода заключается в использовании явления центростремительной вихревой имплозии – фокусированного сжатия фронтов детонационного горения, создающего в центральной аксиальной зоне устойчивую область сверхвысоких температур (более 2000–3000  C).

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

2.1. Вихревой двигатель

Предлагается воздушный тороидально-вихревой массодинамический источник вращательного движения ротора (вихревой двигатель), работающий за счёт дополнительного нагрева внутренней вихревой тороидальной структуры, или без дополнительного нагрева за счёт превышения скорости вращения ротора выше критической.

Принцип работы основан на том, что термомеханическим способом специальными завихрителями создаётся воздушная вихревая трёхмерная тороидальная структура в виде само выворачивающегося бублика по аналогии с природным смерчем, торнадо, с одновременным разделением как по направлению, так и по температуре на внутренний восходящий, наружный нисходящий в вертикальной плоскости и внутренний с наружным торовый в горизонтальной плоскости спиральные вихревые потоки, которые в рабочем режиме взаимодействуют с самими завихрителями и приводят их в принудительное вращение с дальнейшим отбором мощности.

Работает воздушный массодинамический генератор, увеличивающий кинетическую энергию воздушного потока за счет его тепловой энергии, вследствие действия массодинамисеских сил.

В конструктивном плане заявленный двигатель представлен на рис. № 12.

Рис. № 12. Вихревой двигатель.

Вихревая тороидальная структура по типу само выворачивающегося бублика формируется с помощью двух приводных вращающихся лопастных конструкций логарифмической формы 5, 13, размещённых на вращающемся общем горизонтальном приводном валу 12. Привод осуществляется от двигателя 15.

Сами отдельные закрученные воздушные течения формируются с помощью множества отдельных ленточных завихрителей с трапециевидной канавкой без корпуса 4. Каждый ленточный завихритель 4 при своём движении формирует за собой отдельно вращающееся воздушное течение. Все индивидуальные ленточные бес корпусные завихрители размещены симметрично и последовательно по всей длине 2-х логарифмических спиралей под небольшим наклоном по ходу вихревого спирального торового потока.

Принудительное вращение двух блоков завихрителей 5, 13 вокруг собственной оси в вертикальной плоскости с одновременным их вращением по кругу в горизонтальной плоскости формирует при своём двухмерном вращении тороидальный воздушный вихрь по форме само выворачивающегося бублика, который состоит из множества отдельных воздушных вращающихся течений по логарифмической спирали вдоль всего объёма тороидального вихря. Каждый оборот двумерного вращения одного блока завихрителя 5 или 13 при прохождении раз за разом через сформированную вторым блоком трёхмерную вихревую воздушную структуру не подавляет её из-за турбулизации среды, а наоборот поддерживает её и усиливает.

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

А) Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток с повышенной температурой 16,15.

Б) Горизонтальный торовый вихревой противоток с пониженной температурой 14.

В) Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток с повышенной температурой 3, 20.

Г) Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток с пониженной температурой 17.

При этом терморазделение и разделение по направлениюпотоков в вихревой структуре аппарата обеспечивается за счёт:

1. Установки двух терморазделительных диффузоров 8, 11 (по типу терморазделительного диффузора прямоточной трубки Ранка) на общем приводном горизонтальном валу 12 двух блоков завихрителей 5, 13, за счёт которых внутренний вихревой поток отражается от диффузора. Вследствие того, что поток уже имеет организованную турбулизацию (закручивание теплового движения молекул газа массодинамическим полем периферийного вихря), то отраженные от диффузоров 8, 11 потоки также является закрученными. Направление вращения отраженных потоков остается прежним, но поскольку направление их осевого движения меняется на противоположное периферийному вихрю 16,15, то направление вращение осевого вихря так же является противоположным ему. Образуется известный горизонтальный внутренний осевой холодный противоток 14.

2 Установки внизу не вращающегося терморазделительного диффузора 2 (по типу терморазделительного диффузора противоточной трубки Ранка), за счёт которого внутренний вихревой поток отражается от диффузора. Вследствие того, что поток уже имеет организованную турбулизацию (закручивание теплового движения молекул газа массодинамическим полем периферийного вихря), то отраженный от диффузора поток также является закрученным. Направление вращения отраженного потока остается прежним, но поскольку направление его осевого движения меняется на противоположное периферийному вихрю 3, 20, то направление вращение осевого вихря так же является противоположным ему. Образуется известный внутренний вертикальный холодный осевой противоток 17.

В данном случае понижение температуры горизонтального внутреннего осевого противотока 14 приводит к повышению температуры периферийного горизонтального потока 15, 16. Сам периферийный горизонтальный поток 15, 16 одновременно формирует периферийный вертикальный поток 3, 20 и напрямую связан с терморазделением в вертикальной плоскости. Таким образом терморазделение в горизонтальной плоскости приводит как минимум к двукратному усилению эффекта терморазделения в вертикальной плоскости и значительному понижению температуры известного внутреннего вертикального холодного осевого противотока 17.

Основным условием усиления и поддержания вихря является высокая разность температур потоков. Дополнительный нагрев горизонтального торового вихревого противотока 14 приводит к дополнительному нагреву внешнего горизонтального торового вихревого потока 15,16, который напрямую связан с вертикальным внутренним и наружным кольцевыми вихревыми противотоками 3 и 17. Таким образом повышение температуры газовыми горелками 12, 19 горизонтального внутреннего торового вихревого потока 14 приводит к значительному повышению температуры внешнего горизонтального потока 15,16. Т.к. внешний горизонтальный торовый поток является образующим вертикальных потоков, то повышение его температуры за счёт терморазделения приводит к понижению температуры вертикального внутреннего кольцевого вихревого противотока 17 . Как следствие, происходит усиление и самогенерация вихревого, спирального, восходящего движения воздушного потока во внутренних слоях вихря. Работает воздушный массодинамический генератор, увеличивающий кинетическую энергию воздушного потока за счет его тепловой энергии, вследствие действия массодинамисеских сил.

После того, как будет сформирована первоначальная вихревая структура по типу природного смерча, торнадо – привод двух блоков ленточных завихрителей отключается. Это необходимо для целей самовращения блоков завихрителей уже от сформированной многомерной вихревой тороидальной структуры, повышения эффективности терморазделения и отбора мощности от общего приводного вала 1.

В этом случае источником       энергии       вихря       выступает дополнительный нагрев внутреннего горизонтального потока двумя газовыми горелками 12, 19.

Эксперимент

Была собрана модель см. рис. № 13.

Рис. № 13. Модель вихревого двигателя / холодильника.

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

– Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.

– Горизонтальный       торовый       вихревой       противоток       имеет пониженную температуру.

– Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.

– Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток имеет пониженную температуру.

Заключение

Резиномоторный привод обеспечил вращение ротора с максимальной частотой 1 об/сек. Большего значения получить не удалось. При такой скорости вращения ротора подтвердились все заявленные выше гипотезы на уровне изменений температур уровня +– 1 градус.

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

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

С учётом дополнительного подвода тепла во внутреннюю вихревую тороидальную структуру – воздушный массодинамический генератор увеличит кинетическую энергию воздушного потока так. В этом случае вихревой генератор превратиться в вихревой двигатель для целей дальнейшего использования вращательного движения ротора.

Возможно, что при превышении скорости вращения ротора выше определённого значения появится некомпенсированная сила. Это означает, что температурные вихревые потоки, взаимодействуя с самим завихрителем будут приводить его во вращение без дополнительного подвода тепла.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

2.2. Вихревой охладитель воздуха

Принцип работы основан на том, что термомеханическим способом специальными завихрителями создаётся воздушная вихревая трёхмерная тороидальная структура в виде само выворачивающегося бублика по аналогии с природным смерчем, торнадо, с одновременным разделением как по направлению, так и по температуре на внутренний восходящий, наружный нисходящий в вертикальной плоскости и внутренний с наружным торовым в горизонтальной плоскости спиральные вихревые потоки, из которых для целей охлаждения используется внутренний восходящий в вертикальной плоскости холодный вихревой воздушный поток.

В конструктивном плане заявленный охладитель представлен на рис. № 2.1.

Рис. № 14. Вихревой охладитель воздуха.

Вихревая тороидальная структура по типу само выворачивающегося бублика формируется с помощью двух приводных вращающихся лопастных конструкций логарифмической формы 5, 13, размещённых на вращающемся общем горизонтальном приводном валу 12. Привод осуществляется от двигателя 15.

Сами отдельные закрученные воздушные течения формируются с помощью множества отдельных ленточных завихрителей с трапециевидной канавкой без корпуса 4. Каждый ленточный завихритель 4 при своём движении формирует за собой отдельно вращающееся воздушное течение. Все индивидуальные ленточные бес корпусные завихрители размещены симметрично и последовательно по всей длине 2-х логарифмических спиралей под небольшим наклоном по ходу вихревого спирального торового потока.

Принудительное вращение двух блоков завихрителей 5, 13 вокруг собственной оси в вертикальной плоскости с одновременным их вращением по кругу в горизонтальной плоскости формирует при своём двухмерном вращении тороидальный воздушный вихрь по форме само выворачивающегося бублика, который состоит из множества отдельных воздушных вращающихся течений по логарифмической спирали вдоль всего объёма тороидального вихря. Каждый оборот двумерного вращения одного блока завихрителя 5 или 13 при прохождении раз за разом через сформированную вторым блоком трёхмерную вихревую воздушную структуру не подавляет её из-за турбулизации среды, а наоборот поддерживает её и усиливает.

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

А) Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток с повышенной температурой 16,15.

Б) Горизонтальный торовый вихревой противоток с пониженной температурой 14.

С) Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток с повышенной температурой 3, 20.

Д) Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток с пониженной температурой 17.

При этом терморазделение и разделение по направлению потоков в вихревой структуре аппарата обеспечивается за счёт:

1. Установки двух терморазделительных диффузоров 8, 11 (по типу терморазделительного диффузора прямоточной трубки Ранка) на общем приводном горизонтальном валу 12 двух блоков завихрителей 5, 13, за счёт которых внутренний вихревой поток отражается от диффузора. Вследствие того, что поток уже имеет организованную турбулизацию (закручивание теплового движения молекул газа масс динамическим полем периферийного вихря), то отраженные от диффузоров 8, 11 потоки также является закрученными. Направление вращения отраженных потоков остается прежним, но поскольку направление их осевого движения меняется на противоположное периферийному вихрю 16,15, то направление вращение осевого вихря так же является противоположным ему. Образуется известный горизонтальный внутренний осевой холодный противоток 14.

2 Установки внизу не вращающегося терморазделительного диффузора 2 (по типу терморазделительного диффузора противоточной трубки Ранка), за счёт которого внутренний вихревой поток отражается от диффузора. Вследствие того, что поток уже имеет организованную турбулизацию (закручивание теплового движения молекул газа масс динамическим полем периферийного вихря), то отраженный от диффузора поток также является закрученным. Направление вращения отраженного потока остается прежним, но поскольку направление его осевого движения меняется на противоположное периферийному вихрю 3, 20, то направление вращение осевого вихря так же является противоположным ему. Образуется известный внутренний вертикальный холодный осевой противоток 17.

В данном случае понижение температуры горизонтального внутреннего осевого противотока 14 приводит к повышению температуры периферийного горизонтального потока 15, 16. Сам периферийный горизонтальный поток 15, 16 одновременно формирует периферийный вертикальный поток 3, 20 и напрямую связан с терморазделением в вертикальной плоскости. Таким образом терморазделение в горизонтальной плоскости приводит как минимум к двукратному усилению эффекта терморазделения в вертикальной плоскости и значительному понижению температуры известного внутреннего вертикального холодного осевого противотока 17, который используется для целей охлаждения.

Источником энергии в сформированной вихревой структуры в данном случае выступает приводной двигатель 15.

Для целей охлаждения в данном случае объёма 16 используется внутренний вертикальный холодный поток 17.

Эксперимент

Была собрана модель см. рис. № 15.

Рис. № 15. Модель вихревого двигателя / холодильника.

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

– Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.

– Горизонтальный       торовый       вихревой       противоток       имеет пониженную температуру.

– Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.

– Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток имеет пониженную температуру.

Заключение

Резиномоторный привод обеспечил вращение ротора с максимальной частотой 1 об/сек. Большего значения получить не удалось. При такой скорости вращения ротора подтвердились все заявленные выше гипотезы на уровне изменений температур уровня +– 1 градус.

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

Полномасштабная модель двигателя при достижении скорости вращения ротора определённого значения способна вывести градиенты температур воздушных потоков на новый уровень.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

2.3. Вихревой турбо-компрессионный холодильник

Настоящее изобретение относится к теплотехнике, в частности к вихревым турбо компрессионным системам с реверсивным циклом для нагрева или охлаждения, работающим на принципе нагрева или охлаждения любого теплоносителя – жидкости или газа за счет происходящих в них вихревых процессов.

Гипотеза

Объединение двух процессов нагнетания и энерго разделения теплоносителя в один процесс позволит значительно повысить КПД термопреобразования на примере охлаждения.

Техническим результатом является создание принципиально нового вихревого турбо компрессионного термопреобразователя (холодильника) с большим КПД.

Вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь содержит два нагнетателя-энерго разделителя, каждый с установленными внутри двумя осевыми турбинами с полыми втулками по центру, которые вращаются вокруг общей оси в противоположных направлениях. Вращающиеся нагнетатели-энерго разделители по краям входят в стационарно закреплённые теплообменники, которые в зависимости от направления вращения системы используются в качестве источника тепла или холода.

Пневмо-гидравлическая связь двух рабочих полостей вихревого турбо генератора тепла / холода с внешней средой отбора тепла осуществляется через щель посредине между двумя вращающимися в противоположных направлениях нагнетателях-энерго разделителях, и через два заборника энергоносителя между теплообменниками и нагнетателями-энерго разделителями по бокам. Вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь может быть использован в качестве источника тепла или холода для различных целей.

Из существующего уровня техники известен вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша) – эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре – закрученный охлажденный поток. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20х годов при измерении температуры в промышленном циклоне. Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы. В настоящее время реализован огромное количество аппаратов, в которых используется вихревой эффект.

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

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

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

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

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

Сущность изобретения поясняется чертежами № 16 и 17, на которых представлен вихревой реверсивный турбо компрессионный термопреобразователь.

Рис. № 16. Цилиндрические турбины с полно проходными отверстиями.

Рис. № 17. 3-D вид двух цилиндрических турбин с полно проходными отверстиями.

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

Принцип работы

1. Процесс охлаждения теплообменников 1, 15. (работа в режиме охлаждения)

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

2. Процесс нагрева теплообменников 1, 15. (Работа в режиме обогрева)

При включении привода два нагнетателя-энерго разделителя 5, 11 с расположенными внутри в каждом по две осевые турбины особой конструкции с полыми втулками по центру 3, 6 и 10, 13, начинают вращаться в противоположные стороны, захватывая энергоноситель из полостей камеры разделения потоков 7,8 через окно 8 и одновременно из противоположных приосевых зон осевых турбин особой конструкции 6, 10. При втекании энергоносителя в полостях энерго разделения 4, 12 образуются интенсивные с повышенной температурой круговые потоки по периферии с противоположной круткой. Благодаря организации такого процесса вращения одного потока внутри другого в противоположных направлениях и с противоположной круткой осуществляется процесс энерго разделения. Источником приосевого обратного потока для камеры энерго разделения 4 является нагнетатель-энергоразделитель 11. И наоборот. Источником приосевого обратного потока для камеры энерго разделения 12 является нагнетатель-энергоразделитель 5. Круговые потоки по периферии с повышенной температурой поступают в теплообменники 1, 15 где спрямляются и тормозятся в полостях 2, 14 , отдавая им тепло.