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.