ВИХРЕВОЙ УСКОРИТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД

Полезная модель относится к области аэрогидроэнергетики, а более конкретно - к области автономного бестопливного энергообеспечения путем создания энергонасыщенного потока текучей среды с помощью пассивных элементов, и может быть использована для различных систем нагрева жидкости для производственных и бытовых нужд, например, для систем отопления зданий и сооружений, а также для получения электрической и механической энергии.
Известно устройство для преобразования и выделения энергии в жидких средах по патенту на изобретение RU 2287118, МПК F24J 3/00, F15D 1/00, F25B 29/00, опубл. 10.11.2006. Устройство содержит теплогенератор, металлический кожух (корпус) которого жестко соединен с трубопроводом. Внутри кожуха с зазором установлена вихревая труба. Вихревая труба состоит из входного конуса, средней цилиндрической части и выходного конуса. На внутренней поверхности входного конуса и цилиндрической части вихревой трубы из упругой слоистой пластмассы выполнены канавки, расположенные вдоль трубы по винтовой линии. Внутри входного конуса расположен гидродинамический преобразователь в виде закрученной винтовой пластины. Винтовая пластина закреплена заподлицо с частью входного конуса. Перед выходным конусом вихревой трубы установлен рассекатель потока, который одновременно работает как резонансная пластина и как тормозное устройство. Вращательно-поступательное движение потока жидкости (вихревое движение) в устройстве по RU 2287118 является инициатором перевода энергии из жидкости.
Недостатками устройства по RU 2287118 являются большой расход электроэнергии, обязательное наличие давления, многократно превышающее атмосферное, неспособность устройства работать при давлении текучей среды меньше атмосферного, повышенные требования к прочности труб. В устройстве никак не использованы диэлектрические свойства слоистой пластмассы в качестве диэлектрика, вся тепловая энергия является только частью энергии, потребленной электродвигателем от сети.
Известен вихревой нагреватель по патенту RU 2129689, МПК F25B 29/00, опубл. 27.04.1999, который является наиболее близким заявляемому устройству и принят за прототип. Он содержит цилиндрический (трубчатый) корпус, который состоит из внутренней оболочки (трубы), наружной оболочки в виде трубы и дна. Наружная труба расположена вокруг внутренней трубы. Между трубами расположен спиральный канал. Канал образован навивкой на внутреннюю трубу по спирали с заданным шагом ленты, выполненной из стали с наружным размером, равным внутреннему диаметру наружной оболочки. С одного торца внутренней (вихревой) трубы установлен ускоритель движения жидкости, выполненный в виде циклона, входной патрубок которого предназначен для подключения к выходу насоса. Во внутренней трубе в ее конце, противоположном ускорителю движения жидкости, расположены щели для подачи жидкости из первой оболочки в спиральный канал. Выходной патрубок расположен на наружной оболочке со стороны ускорителя движения жидкости. Внутри внутренней трубы вдоль нее установлены шнековые завихрители. Наличие ускорителя движения жидкости в виде циклона, щелей во внутренней трубе, спирального канала и шнековых завихрителей обеспечивают улучшенный нагрев жидкости за счет положительной обратной связи по теплу.
Недостатком прототипа является большой расход электроэнергии из-за наличия электронасосного агрегата, без которого невозможно создание энергонасыщенной самоподдерживающейся струи текучей среды пассивными элементами устройства. Используемые в прототипе шнековые завихрители имеют гладкие рабочие поверхности и поэтому - низкую завихряющую способность. Вышеназванные недостатки, а также наличие только одного спирального канала снижают КПД.
Полезная модель направлена на решение технической проблемы, заключающейся в повышении КПД.
Решению указанной технической проблемы способствует следующий технический результат: в установившемся режиме исключается работа электронасосного агрегата, а формирование вращающейся самоподдерживающейся энергонасыщенной струи текучей среды в заявляемом устройстве происходит за счет пассивных элементов. Одновременно с теплом генерируется электрическая энергия, а сформированная струя может служить в качестве движителя для транспортных средств.
Техническая проблема решается следующим образом.
Заявляемый вихревой ускоритель текучих сред, как и прототип, содержит трубчатый корпус с патрубками для подключения электронасоса, основную вихревую трубу с винтовыми направляющими на наружной поверхности, установленную внутри трубчатого корпуса, и завихритель, установленный внутри основной вихревой трубы.
В отличие от прототипа корпус и основная вихревая труба выполнены на выходе открытыми и состоят из отдельных трубчатых элементов одинакового диаметра, соединенных между собой посредством распорных колец, в которые трубчатые элементы основной вихревой трубы установлены через гофрированные эластичные патрубки. Завихритель выполнен в виде дополнительной вихревой трубы из отдельных трубчатых элементов одинакового диаметра, установленных в указанные распорные кольца и выполненных с винтовыми направляющими на наружной поверхности. Винтовые направляющие на обеих вихревых трубах выполнены одновитковыми многозаходными с уменьшающимся дискретно по ходу текучей среды шагом на поверхности эластичных колец. Эластичные кольца установлены с натягом и разрывом на наружной поверхности труб, образуя отдельные ускорительные элементы. Винтовые направляющие основной и дополнительной вихревых труб имеют противоположное направление вращения; а для прохождения текучей среды все трубы установлены с зазором относительно трубчатого корпуса и друг друга. В начальной части трубчатого корпуса по окружности выполнено два ряда отверстий, суммарная площадь которых не менее площади кольцевого пространства между трубчатым корпусом и основной вихревой трубой. Отверстия закрыты круговым герметичным кожухом, а между отверстиями на внутренней поверхности трубчатого корпуса жестко закреплена кольцевая электрическая обмотка, а на наружной поверхности основной вихревой трубы - постоянный кольцевой магнит, причем они изолированы от текучей среды кольцевыми эластичными мембранами. На концах трубчатых элементов корпуса, основной и дополнительной вихревых труб установлена ускорительная камера, которая включает диэлектрический кольцевой корпус и соосно установленный в нем на высоковольтных изоляторах неподвижный ротор с отличной от корпуса величиной диэлектрической проницаемости и с градиентом диэлектрической проницаемости по ходу движения текучей среды.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен отдельный трубчатый элемент вихревого ускорителя текучих сред.
На фиг. 2 - поперечное сечение ускорительной камеры, установленной на конце трубчатого элемента.
На фиг. 3 - поперечное сечение распорного кольца для соединения трубчатых элементов вихревых труб.
На фиг. 4 - вихревой ускоритель текучих сред в рабочем положении.Вихревой ускоритель текучих сред (фиг. 1) содержит корпус 1, в распорных кольцах 2 (фиг. 3) которого установлены трубчатые элементы корпуса 1, из которых он состоит. Содержит основную вихревую трубу 3 и дополнительную вихревую трубу 4 (завихритель), выполненные по длине из отдельных трубчатых элементов. Причем трубчатые элементы основной вихревой трубы 3 установлены в распорных кольцах 2 через гофрированные эластичные патрубки 5. Все трубы установлены с зазором для перемещения текучей среды. На некотором расстоянии от входа в корпус 1 на его наружной поверхности установлен герметичный кожух 6, закрывающий отверстия 7. Отверстия 7 выполнены в теле корпуса 1 по окружности в два ряда. Суммарная площадь указанных отверстий не менее площади кольцевого пространства между трубчатым корпусом и основной вихревой трубой. Между отверстиями 7 на внутренней поверхности трубчатого корпуса жестко закреплена кольцевая электрическая обмотка 8. Отверстия 7 служат для пропуска текучей среды в обход электрической обмотки 8 и кольцевого постоянного магнита 9, которые герметично защищены с двух сторон эластичными мембранами 10. На наружных поверхностях вихревых труб 3, 4 с натягом и с некоторым разрывом 12 установлены ускорительные элементы 11, 13 в виде эластичных колец, на поверхности которых выполнены одновитковые многозаходные винтовые направляющие с уменьшающимся дискретно по ходу текучей среды шагом.. Число ускорительных элементов, например, может составлять от 15 до 20 на каждой трубе и больше. Винтовые направляющие вихревых труб 3, 4 имеют противоположное направление вращения. Устройство содержит также ускорительную камеру 14, которая имеет диэлектрический кольцевой корпус. Внутри ускорительной камеры 14 закреплен неподвижный ротор 20 на высоковольтных изоляторах 21 (фиг. 2). Ротор 20 установлен в диэлектрическом кольцевом корпусе ускорительной камеры 14 соосно и выполнен с отличной от корпуса величиной диэлектрической проницаемости и с градиентом диэлектрической проницаемости по ходу движения текучей среды.
Подключение электронасоса 15 (фиг. 4) происходит через клапан 16 и патрубок 17. Соединение электронасоса 15 с корпусом осуществляется с помощью фланца 18. На входе дополнительной вихревой трубы 4 может быть установлена заглушка 19.
Торсионный ускоритель работает следующим образом.
При подаче во внутреннюю полость корпуса 1 текучей среды, например воды с помощью пускового электронасоса 15 она устремляется по вихревым трубам 3, 4, обтекая через отверстия 7 в теле корпуса 1 электрическую обмотку 8 и постоянный магнит 9, и создает во внутреннем пространстве корпуса 1 два вращающихся в противоположных направлениях потока, не соприкасающихся друг с другом, с различающимися из-за разности диаметров труб 3, 4 скоростями, амплитудами и фазами различных гидравлических флуктуаций. Объединяет потоки общее направление движения и образование впереди постоянного разреженного пространства за счет наличия на наружных поверхностях труб одновитковых многозаходных винтовых направляющих 11, 13. Благодаря последним наружная поверхность труб 3, 4 напоминает по строению опахало пера птицы с его многочисленными винтовыми каналами, завихряющими протекающий по ним воздух. Согласно закону абсолютности вращательного движения при движении с ускорением по криволинейной траектории на тело действуют ничем неустранимые центробежные силы, а по принципу суперпозиции результирующая сила равна векторной сумме сил, действующих на тело. По сути, каждая винтовая направляющая является генератором не только гидравлической волны с определенной частотой, амплитудой и фазой, но и большого количества вращающихся микроворонок, создающих пониженное давление в зоне вращения. Центробежная сила, создаваемая каждым волновым каналом, отбрасывает воду от воображаемой оси вращения на периферию, к внутренним поверхностям окружающих труб. В результате, на наружных поверхностях внутренних труб создается некоторое разрежение, обратно пропорциональное шагу винта, а между внешней поверхностью, например, трубы 3 и внутренней поверхностью корпуса 1 - разность давлений и появление так называемой циркуляции, течения от большего давления к меньшему, векторно суммирующегося с основным потоком и ускоряющего его в аксиальном направлении. При этом в разреженное околотрубное пространство постоянно втягиваются новые порции воды со стороны входа корпуса 1, а каждый последующий ускорительный трубчатый элемент имеет входную скорость, большую, чем предыдущий. Таким образом, многочисленные, пассивные винтовые направляющие инициируют самоподдерживающийся вращающийся, самовсасывающийся поток текучей среды, движущийся в аксиальном направлении без привлечения сторонних сил. Дополнительное увеличение скорости струи происходит в ускорительной камере 14 (фиг. 2), в которую одновременно входят два потока с разными параметрами и вращающихся в противоположных направлениях. При их наложении друг на друга в камере 14 инициируется бурная кавитация, пузырьки в которой в виде пульсирующих высокочастотных электрических зарядов электризуют обратно пропорционально диэлектрической проницаемости оба кольца камеры 14, имеющих еще и градиент диэлектрической проницаемости по ходу движения текучей среды. Поэтому в камере 14 создается неоднородное высоковольтное электрическое поле, выталкивающее с ускорением электрические диполи молекул воды по ходу текучей среды. Процесс повторяется в очередном трубчатом элементе корпуса уже с увеличенными входными параметрами струи. Таким образом, ускорительная камера 14 становится еще и источником высоковольтного электрического поля. Нагрев же воды происходит не только при образовании кавитации. Интенсивное вращение воды структурирует и броуновское движение ее молекул, отбрасывая наиболее «горячие» на периферию труб. Кроме того, вращение вызывает распад кластерных, межмолекулярных и водородных связей молекул воды с обязательным излучением квантов энергии, поглощаемых металлом труб. Согласно теореме вириала, сформулированной Р. Клазиусом в 1876 году, в системе связанных тел, вращающихся вокруг общей оси, энергия связи в два раза больше суммы кинетических энергий отдельных вращающихся тел, в данном случае молекул воды. Нагреву воды в некоторой степени способствуют и распорные кольца 2, служащие одновременно тормозными элементами.
Разрывы 12 между винтовыми направляющими 11 и 13 необходимы для инициирования гидравлической вибрации трубой 3, покоящейся на гофрированных эластичных патрубках 5, на которой установлен постоянный кольцевой магнит 9 для возбуждения однофазного электрического тока в обмотке 8. Аналогично ускоритель работает и с воздушной средой.
Электронасос 15 (фиг. 4) выполняет только роль пускового устройства для жидкости (воды) и в установившемся режиме не требуется. К корпусу 1 он подсоединяется с помощью фланца 18. При безнасосном запуске всасывающим устройством является сам корпус 1 с трубами 3, 4. В этом случае на входе корпуса устанавливается пневматический клапан 16, и корпус с трубами опускаются вертикально в водоем на определенную глубину. Из межтрубного пространства погружным насосом (на чертеже не показан) вода откачивается при закрытом пневмоклапане 16. В таком виде всасывающее устройство представляет собой два сообщающихся сосуда. При открытии вентиля 22 клапан 16 мгновенно схлопывается, равновесие нарушается, и вода с большой скоростью устремляется в корпус 1, закручиваясь на трубах 3, 4 под действием гидростатического давления наружного столба воды. Этого импульса достаточно для создания установившегося режима всасывания. В насосном варианте клапан 16 закрыт.
Расчеты показывают, что, если трубчатый элемент, состоящий из пяти одновитковых многозаходных винтовых направляющих на вихревых трубах, имеет коэффициент ускорения 1,1, то торсионный ускоритель из 20 трубчатых элементов способен увеличить первоначальную скорость в 6,72 раза. Ускоритель из 15 трубчатых элементов длиной 1,5 метра, диаметром 183 мм, установленный на багажнике автомобиля, при скорости 90 км/час имеет скорость воздушной струи 104,4 м/сек и развиваемую мощность 226 л.с. Водное судно с продольной подводной трубой диаметром 0,2 м из 20 трубчатых элементов при скорости 36 км/час развивает мощность в 63551 л.с.