Вихревой молекулярно - кинетический двигатель "Торнадо". Последние изменение. [ 06.11.05 г.]

Главная страница Статьи о энергии Возврат в cписок

В данной статье рассматриваются основные физические принципы положенные в основу разработки вихревого молекулярно - кинетического двигателя "Торнадо", и возможно будет приведен пример конструктивного исполнения двигателя. Рассмотрены особенности реализации подобных конструкций и их эксплуатации. Прим. Испытания опытного образца двигателя еще не завершены, поэтому особенности реализации пока не рассматриваются, да и конструкция его немного меняется по ходу испытаний.

Оширов В.А. 15.11.04 г.

Вихревой молекулярно - кинетический двигатель "Торнадо".   Перед тем как перейти к описанию особенностей конструкции вихревого молекулярно - кинетического двигателя Торнадо (в дальнейшем по тексту ВМ-КДТ), рассмотрим некоторые общие вопросы и предпосылки, т.е. те явления и физические эффекты, которые положены в основу двигателя.   Обсудить вопросы связанные с данным двигателем можно на интернет - форуме по альтернативной энергетике инженерной фирмы "Скиф". Частично текст статьи использовался на данном форуме в теме: "Молекулярно - кинетический двигатель Торнадо - "совершенная" тепловая машина."   ВМ-КДТ предназначен для получения и преобразования тепловой энергии, которая накоплена и содержится в атмосферном воздухе, т.е. кинетической энергии молекул из состава воздушной атмосферы. Тепловая энергия атмосферы в основном получена от Солнца, по крайней мере, так было за длительную историю Земли. В настоящее время ситуация немного меняется, и причина – деятельность человека, а если говорить точнее – способ получения энергии (сжигание углеводородного топлива). В отличии от обычных тепловых машин, данный двигатель преобразует кинетическую тепловую энергию движения молекул воздуха в механическую энергию, которая может использоваться, допустим, для выработки электроэнергии. С атмосферным воздухом ничего не происходит, кроме его охлаждения, т.е. средняя кинетическая энергия движения молекул немного уменьшается.   Поскольку ВМ-КДТ не использует никакого топлива (в обычном понимании), у него отсутствуют какие либо вредные выбросы, т.е. он является абсолютно экологически чистым двигателем.    К достоинствам подобных двигателей следует также отнести то, что при работе данного двигателя не используются высокие температуры т.е., отсутствует нагрев и горение рабочего тела, что значительно снижает требования к применяемым материалам в конструкции двигателя и позволяет значительно увеличить его ресурс.   Обратите внимание, в двигателе нет рабочих процессов с образованием тепловой энергии (как в обычных тепловых машинах), наоборот - в нем происходит утилизация уже накопленной в атмосфере тепловой энергии. Поэтому подобные двигатели (технология "Торнадо") не нагревают атмосферу, а напротив – охлаждают ее. Это положение существенно в отношении вопросов глобального потепления и по большому счету – один из вопросов выживания человеческой цивилизации на планете Земля.   Настораживает то, что фактически за последние 100 – 150 лет сгорели в атмосфере основные запасы углеводородного топлива, которые накопились за миллионы лет истории развития Земли. А ведь в этом топливе была сконцентрирована часть солнечной энергии поступившей на Землю за длительный отрезок времени. Поэтому мгновенный (по вселенским масштабам) выброс в атмосферу Земли такого объема тепловой энергии, неизбежно приведет к глобальным климатическим изменениям, которые мы и начинаем наблюдать в последнее время.    Опасность заключается в том, что эти климатические изменения становятся необратимыми и в конечном итоге произойдет уничтожение разумной жизни на Земле.   Подобные катастрофы уже приводили к гибели животного и растительного мира, но только текущие изменения на Земле - дело рук человека разумного, переставшего думать о том, что будет завтра и будет ли вообще это завтра.   Принцип работы двигателя (технология "Торнадо") позволяет создавать устройства самой различной выходной мощности, т.е. от единиц киловатт и менее, до мощных агрегатов в десятки и сотни мегаватт.   Хорошо известно следующее – нижние слои атмосферы находится в сжатом (гравитационным полем Земли) состоянии, молекулы воздуха находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, скорости движения молекул зависят от их массы и локальной температуры, что в состав воздуха основными компонентами входят азот и кислород (соответственно 78% и 20%), поэтому, принимая во внимание соотношения молекулярных масс азота (28) и кислорода (32), среднюю скорость движения условных молекул при 300 К и атмосферном давлении можно принять за 450 м/сек. Вес одного кубического метра воздуха около 1 кг. Подобное упрощение позволит не прибегать к усложнению расчетов, и практически не влияет на конечные результаты. Необходимо отметить, что именно гравитация создала подобные условия для накопления тепловой энергии, и в нижних, наиболее доступных, слоях воздушной атмосферы накапливается максимальная энергия.   Попытки использовать столь доступную и привлекательную энергию, как тепловая энергия окружающего воздуха (нижних слоев атмосферы), постоянно предпринимаются, но должного распространения подобные технологии не получают и соответственно не высок уровень их разработки.    Рассмотрим наиболее характерные и показательные из них.   Это разработки Кондрашова Б.М. см. статью "Струйные энергетические технологии", и эксперименты Юрия Володько см. статью "Электроэнергия за счет тепла рассеянного в атмосфере". Статьи также можно найти на сайте фирмы "Скиф".   Для начала попробуем разобраться в результатах физических экспериментов с воздушными соплами Юрия Володько.   Вот что пишет он своей статье: " При экспериментальном исследовании ламинарного истечения сжатого воздуха в атмосферу (при малом зазоре сопла - порядка 50-100 мкм, и относительно небольших скоростях - до 130 м/с), при котором проводились измерения тяги и расхода для различных сопел, мне (в общем-то случайно) удалось обнаружить, что при небольших степенях сжатия (до1,5 - 1,6) располагаемая механическая энергия истекающей струи значительно (в два и более раза) превышает механическую энергию, необходимую для сжатия воздуха. В дальнейшем этот результат многократно повторился. Получены экспериментальные данные по 45 соплам различных размеров в виде плоской щели, включающие в себя более 2000 экспериментальных точек, а также данные по соплам других форм.   Избыток механической энергии не может быть в этом эксперименте ни откуда взят кроме, как из окружающей среды, точнее из атмосферного воздуха, в котором, однако, энергия находится не в виде механической энергии, а в виде рассеянной тепловой энергии. Происходит так называемый "подхват" тепловой энергии, рассеянной в атмосфере. Следовательно, ламинарная струя сжатого воздуха представляет собой прямой преобразователь внутренней тепловой энергии атмосферного воздуха в механическую энергию, и, мало того, для подобного преобразования необходим только один уровень температуры воздуха, независимый от температуры воздуха, независимый от работы преобразователя." Конец цитаты.   Что же представляет собой струя сжатого воздуха вытекающая из сопла малого диаметра? Какие физические процессы при этом происходят? Попытаемся немного разобраться в подобных вопросах.   Проведем простейший физический опыт – возьмем два одинаковых листа бумаги формата, например А4, расположим из вертикально, держа за верхние кромки и слегка подуем в пространство между ними. Мы увидим, как только воздух между листами придет в движение, листы бумаги сразу сближаются друг к другу. Другими словами, давление неподвижного атмосферного воздуха начинает совершать работу, поскольку в зазоре давление понижается. Обращаем внимание на следующий момент, чем сильнее мы дуем, тем ближе друг к другу приближаются листы бумаги, но на определенном расстоянии сближение листов прекращается. Попробуем разобрать в деталях данного простейшего опыта и перейдем к рассмотрению истечения воздуха из сопел. Упрощенно можно говорить, что двигающийся в зазоре поток имеет более низкую температуру, по отношению к воздуху снаружи листов, другими словами, мы имеем условно простейшую тепловую машину. Причем, данная тепловая машина, совершает работу без тепловыделения в объеме рабочего тела, т.е. за счет тепла, накопленного в атмосфере.   Подумаем и поймем, что данную "тепловую машину" можно сделать и цикличной. Разместим теперь полоски бумаги на жестяном кольце диаметром 50 – 70 мм. Расположим данное кольцо с полосками вертикально. Отметим, что вертикальное расположение не существенно, это необходимо для свободного свисания бумажных полосок. Продолжение . . .   Струя сжатого воздуха выходя из сопла имеет тенденцию к расширению, другими словами, сжатый воздух (точнее, результирующая скорости движения молекул) начинает совершать (за срезом сопла) два движения - поступательное и движение в стороны. Но подобная конусная струя имеет пониженное давление и более низкую температуру (тепловая энергия движения молекул сжатого воздуха переходит в кинетическую энергию) и в следствии отсутствия стенок, роль которых играет граница условно невозмущенного атмосферного воздуха, начинается тенденция к выравниванию давлений, за счет более высокого атмосферного. Окружающий атмосферный воздух в конечном итоге "сожмет" струю, т.е. практически выровняет начальный перепад давлений, но при этом произойдет и приобретение слоями, близкими к струе, части кинетической энергии, что вызовет послойное распространение выше описанного процесса. Т.е. процесс имеет начальные условия для самоорганизации. Но и само по себе сжатие струи, как бы передвигает процессы, начавшиеся у среза сопла (условно от начального момента), вперед. Другими словами, внешнее давление воздуха как бы приобретает скоростную компоненту, направленную по ходу движения струи. Точнее можно говорить о передачи части тепловой энергии окружающего воздуха подвижной струе, в конечном итоге увеличивая ее суммарную энергию. Но это уже говорит о локальном перераспределении тепловой энергии и возможности совершать работу за счет внешней тепловой энергии. Это происходит (в общем случае) потому, что в рассматриваемых процессах, основными "действующими лицами" являются молекулы воздуха, которые находятся в непрерывном тепловом движении (а не просто воздух или газ, как часто рассматривается). Причем большую часть времени молекулы находятся в "полете" и только иногда испытывают столкновения между собой (сравнение отрезков времени относительное, т.е. сравнивается время свободного пролета и время столкновения). И поэтому, не смотря на огромное число как самих молекул, так и количества их столкновения (по нашим меркам), все таки молекулы достаточно длительное время "летят" свободно (с точки зрения молекул, т.е. рассматривая временные интервалы молекулярного мира). Давление воздуха (газа) и складывается из многочисленных (на наш взгляд непрерывных) ударов молекул о стенки сосуда или (применительно к данному случаю) - на границе, внутри одинаковой среды (воздуха), но с различной организацией (в среднем) движения молекул, что и приведет к подвижности условной границы. В конечном итоге и получается суммарный прирост кинетической энергии истекающей струи из малого сопла, которую можно преобразовать в механическую, причем прирост может составляет порядка два и более раза. Но что же происходит фактически с истекающей струей воздуха? По всей видимости, можно говорить об некотором увеличении плотности или числа молекул в рассматриваемой струе, т.е. суммарное число молекул, двигающихся в одном (условно) направлении увеличивается.   Обратимся опять к экспериментам Юрия Володько: из них следуют оптимальные размеры сопел и давлений, но данные значения относятся к конкретному случаю, т.е. истечении струи при отсутствии внешних конусных стенок, в неподвижную среду атмосферного воздуха при нормальном давлении. Являются ли подобные условия оптимальными? По всей видимости – нет. Данные диаметры отверстий достаточно малы, как и начальное давление сжатого воздуха, единичная мощность сопла мала, что говорит о малоэффективном, либо усложненном практическом применении этого варианта для получения достаточно больших мощностей.   Но видна возможность, преобразования тепловой энергии воздуха в механическую, подтвержденная физическим явлением обнаруженным Юрием Володько. Поэтому можно утверждать – есть пути практического использования накопленной тепловой энергии в атмосфере Земли с достаточной эффективностью, опираясь на физическую суть подобных явлений и несколько изменив начальные условия и схему преобразования.   Продолжение. Эффективно ли прямолинейное движение струи воздуха?   Само по себе прямолинейное движение неэффективно, поскольку струя воздуха постоянно наталкивается на почти не возмущенные слои атмосферы. На что затрачивается часть кинетической энергии, да и получить устойчивый процесс на достаточном удалении от среза сопла невозможно.   Кинетическая энергия постепенно рассеивается в атмосфере переходя в тепловую, поскольку сопровождается хаотическим образованием вихрей. Также отсутствует возможность существенного накопления кинетической энергии от предыдущих временных интервалов или периодов, т.е. отсутствует необходимая цикличность процесса с возможностью его подпитки.   Можно конечно использовать пульсирующую струю или поток воздуха, как предлагает Кондрашов Б.М., что позволит получить некоторую цикличность процесса, но подобное, по всей видимости, обладает большими потерями, по сравнению с процессом, рассматриваемым ниже.   Выход, по всей видимости, один - использовать круговое или спиральное движение (вихревое). Применение вихревого движения струи сжатого воздуха позволит избежать бесполезного рассеивания кинетической энергии в окружающую атмосферу, будет способствовать созданию условий для накопления кинетической энергии предыдущих этапов и в конечном итоге позволит приблизиться к получению самоподдерживаемого процесса, аналогичного природному Торнадо. Не стоит проходить мимо того факта, что природное Торнадо, возникает самостоятельно, процесс самоподдерживается и обладает достаточной мощью.   Следует также отметить, что круговое или спиральное движение наиболее выгодная форма движения потока воздуха, поскольку есть возможность эффективного преобразования кинетической энергии данного движения во вращательное, т.е. в механическое движение рабочего органа. Природный разрушительный торнадо или смерч – самый яркий пример преобразования тепловой энергии накопленной в атмосфере, в механическую.   Кроме того вихревое или спиральное движение позволит значительно расширить исходные начальные условия, т.е. позволит использовать большие давления и диаметры сопел, причем сама структура данного движения предполагает массовое использование первичных сопел, расположенных по окружности . Благодаря более устойчивой структуре вихря, есть возможность использовать "подхват" энергии окружающего воздуха в течении относительно большего промежутка времени, что в целом позволяет значительно повысить конечную мощность подобной вихревой структуры.   Остается отметить одну особенность вихревых структур, сопровождаемых постоянным внешним притоком энергии, т.е. за счет давления воздуха (по сути - тепловой энергией). Поскольку подобная вихревая структура постоянно получает дополнительную энергетическую подпитку за счет окружающего воздуха, сжатого гравитационным полем, необходимо постоянно "отбирать" у нее часть кинетической энергии (совершая полезную работу или тому подобное), в противном случае трудно добиться устойчивости вихря. Другими словами, процесс самоорганизуется только при отборе (или гашении) части поступающей внешней энергии.   Если посмотреть на природную аналогию - Торнадо, можно заметить, что наиболее длительные, мощные и устойчивые вихри возникают тогда, когда они совершают "работу". Другими словами, там где вихрь теряет часть своей кинетической энергии (вращающегося воздуха), за счет подъема по внутренним стенкам "хобота" либо воды, либо большой массы частиц земли или песка, либо чего то подобного. Да и возникает он в таких местах, где есть условия для совершения подобной работы, перенося значительные массы, поднятые вверх, на большие расстояния. Конусообразная, сужающаяся в низ структура вихря, вызвана условиями его самоорганизации, при отсутствии внешних жестких "стенок", роль которых играет окружающий воздух. Небольшая начальная скорость движения (вниз) холодного воздуха приводит к значительным размерам исходной "воронки" вихря. Несмотря на это, в конечном итоге, формообразующие факторы делают свое дело, концентрируя значительную энергию в сравнительно небольшом объеме "хобота" торнадо. Продолжение. Рассмотрим некоторые вопросы аэродинамики.   В простейшем случае (не более), когда воздух ведет себя как несжимаемая жидкость, эти законы выглядят сравнительно просто. Вся энергия жидкости складывается из кинетической энергии, которая тем больше, чем больше скорость, и потенциальной, которая определяется статическим давлением в воздухе. Это закон Бернулли - если скорость жидкости растет, то давление будет уменьшаться и наоборот.   Закон сохранения массы говорит о том, что через любое поперечное сечение потока должно проходить одно и тоже количество газа. Для несжимаемой жидкости закон прост: произведение площади поперечного сечения потока на его скорость есть величина постоянная, т.е. чем меньше поперечное сечение потока, тем больше должна быть скорость, а по закону сохранения энергии уменьшается при этом и давление.   Когда скорость течения воздуха близка к числу М равного 1, уже нельзя пренебрегать сжимаемостью, нужно учитывать, что всякий газ при уменьшении давления расширяется и стремиться занять больший объем.   При этом происходит борьба двух явлений: с одной стороны, увеличение скорости требует сужения потока, а с другой, - это же увеличение скорости приводит к уменьшению давления воздуха, что требует уже расширения потока. Оказывается, при дозвуковых скоростях сильнее первое явление, а при сверхзвуковых - второе.   Остается отметить главную особенность воздуха (газа) – состоит он из двигающихся с большими скоростями молекул, которые практически не связаны друг с другом, за исключением кратковременных взаимодействий.[4] Именно этот момент позволяет углубить законы аэродинамики и получить эффекты, которые позволяют перейти на более высокий уровень технических решений и технологий. Прим. Скорость звука для воздуха при 20 градусах С и 760 мм рт. ст. равна 343 м/сек. [1] Истечение из сосуда, сопло Лаваля. (формулы опущены) [1].   Если газ вытекает из сосуда через скругленное отверстие и противодавление р1<р0, то максимальный расход будет при уменьшении противодавления р1 до "критического" значения.   Например, для воздуха Ркр = 0,588р0. В этом случае скорость истечения равна местной скорости звука в поперечном сечении отверстия.   Расход останется постоянным и при р1<Ркр, т.е. меньшем наружном противо давлении. Это происходит вследствие того, что газ в поперечном сечении отверстия течет со скоростью звука и изменение внешнего состояния не может оказать влияния на процесс его истечения. Более того, здесь возникает потеря импульса вследствие внезапного скачка давления от Ркр до р1.   Чтобы устранить эту потерю, к выходному отверстию надо присоединить сопло с расширяющимся сечением, в котором давление газа постепенно падает, а скорость нарастает, достигая сверх звуковых значений (сопло Лаваля). Предельное значение скорости, которое может достигнуть газ (в сопле Лаваля - при противодавлении р1 = 0, т.е. при истечении в вакуум), определяется из уравнения Бернулли. (например, для воздуха при 20 градусах С и Р в 1 ат, будет равно 760 м/сек). Продолжение. . . Список использованной литературы: 1. "Краткий справочник по физике", Г. Эберт, перевод с немецкого, ГИ Ф-М литературы, Москва, 1963 года. (Раздел 121.22. Гидро- и аэродинамика, и 121.23. Газовая динамика.) 2. Кондрашов Б.М. "Струйные энергетические технологии". 3. Володько Ю. "Электроэнергия за счет тепла рассеянного в атмосфере". 4. Дж. Гиршфельдер, Ч. Кертисс, Р. Берд "Молекулярная теория газов и жидкостей", перевод с английского, изд. ИЛ, Москва, 1961 года. Продолжение. . .

Название

Автор 10.02.04 г.

Проверка текста

© Оширов В. 2002 г.