Читать онлайн Сборник авторских физико-технических идей и решений в области очистки и предотвращения загрязнений в технических системах

Введение

Чистота – кажется делом простым. Она воспринимается как нечто само собой разумеющееся: прозрачное стекло, сияющий металл, свежий воздух, чистая вода. Но за этой кажущейся очевидностью стоит сложная и тонкая работа – инженерная, технологическая, подчас невидимая, но абсолютно необходимая.

На любом производстве – будь то металлургический цех, водоочистная станция, лаборатория или обычный городской двор – всегда есть то, что мешает: пыль, нагар, лёд, окалина, капли масла или микроскопические частицы. Это то, что оседает на стекле камеры, закупоривает трубопроводы, превращает крыши в опасные нависающие конструкции. С этим нельзя просто «смириться». Это нужно устранять – быстро, эффективно, безопасно.

Но как? Как очистить видеокамеру в цехе, где воздух насыщен кислотными испарениями? Как убрать тонны смерзшегося песка из вагона, не включая тяжёлую технику и не ломая инвентарь? Как снять наледь с кровли, не рискуя жизнью и не поднимаясь на саму крышу? Как заставить поток воды очистить себя сам, без фильтров, сеток и реагентов? Как использовать само движение газа внутри трубы для того, чтобы он не загрязнял свои же стенки?

Такие вопросы не решаются по ГОСТу. Они рождаются на стыке реальной среды, здравого смысла и физики. И чаще всего – в мастерской, на производстве, «на коленке», во время наблюдения, там, где есть проблема и жажда найти решение.

Этот сборник – не об универсальных «суперсистемах» за миллионы, а о чётких, функциональных, точечных решениях. Он про техническую смекалку, про физику, работающую не в лаборатории, а в бетоне и дыму. Про то, как использовать импульсы, вихри, вибрации, трение и потоки – естественные явления, окружающие нас – для очистки, защиты, фильтрации, удаления.

Все представленные здесь решения родились из инженерной практики. У каждого – своя история: где-то это была попытка обойти ограничение, где-то – сокращение затрат, где-то – необходимость срочно решить аварийную ситуацию. А в итоге – получилась идея, метод, который можно масштабировать, автоматизировать, адаптировать.

Вы найдёте в этом сборнике множество авторских подходов – от вибрационного разрушения сосулек с внутренней стороны крыши до импульсной самоочистки воздухоподающих форсунок, от термоакустического подавления кристаллизации в трубопроводах до применения вязкопластичного стекла на поверхности расплава металла. Везде – та же философия: простое, инженерное, физически обоснованное решение реальной трудной задачи.

Это не просто «технический отчёт» – а приглашение взглянуть на очистку не как на рутинную обязанность, а как на поле технического творчества. Потому что удаление наледи, пыли или отложений – это тоже наука. Это умение видеть незаметное и менять поведение среды без её разрушения. Это поиск таких состояний, при которых объект сам начинает помогать себе.

Сегодня, когда внимание всё чаще сосредоточено на цифровых технологиях, особенно важно не забывать: мир по-прежнему состоит из вещества, воздуха, воды и металла. Он по-прежнему пачкается, покрывается коррозией, намерзает, забивается сажей. И чистая идея здесь значима не меньше, чем чистая поверхность. А иногда – больше.

Если хотя бы одна идея из сборника заискрит у вас – в голове, в чертеже, в студенческом проекте, в цехе, в лаборатории – значит, цель достигнута. Потому что инженерия начинается не с заводского чертежа. Она начинается с вопроса: «А почему бы не попробовать вот так?».

Именно такие попытки – простые, местами нестандартные, но технически убедительные – и собраны на этих страницах. Пусть они станут не финалом, а стартовой площадкой – для новых усовершенствований, для преподавания, патентования, запуска в серию.

Инженерная интуиция, физика и желание сделать лучше – вот основной ресурс. Всё остальное – дело техники.

1. Система импульсно-вихревой очистки объективов видеокамер

Разработан воздушно-импульсный способ защиты и очистки объективов камер видеонаблюдения, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах (запылённых, химически активных, с брызгами или испарениями). Метод основан на формировании области избыточного давления (буферной зоны) в непосредственной близости от объектива, за счёт импульсно-вихревого потока инертного газа или технического воздуха, подаваемого в компактную предкамеру, конструктивно аналогичную ультракороткой вихревой трубе Ранка.

Предложенная предкамера представляет собой резервуар с симметричными диафрагмами и тангенциальным входом для газа. Быстродействующий управляющий клапан и редуктор позволяют формировать короткие регулируемые импульсы газа, создающие мощный вихрь и зону повышенного давления перед объективом, препятствующую попаданию загрязняющих веществ.

Рис. № 1. Система импульсно-вихревой очистки объективов камер видеонаблюдения

Защитный поток формируется за счёт вихревого движения газа и импульсного расширения в предкамере. В результате создаётся динамический «газовый щит», эффективность которого обеспечивается без необходимости значительного расхода газа: около 2 л/мин при диаметре предкамеры 40 мм и диафрагме 20 мм. Предпочтительно использовать инертные газы (например, аргон) для эксплуатации в химически агрессивных средах.

Особое внимание при проектировании системы уделяется предотвращению:

– эффекта вымораживания (запотевание объектива из-за понижения температуры при разрядах газа);

– эффекта обратного подсоса загрязнённого воздуха через центральную зону низкого давления вихря.

Элементы системы:

– импульсная вихревая предкамера;

– источник инертного газа (например, баллон с аргоном);

– газовый редуктор;

– быстродействующий электромеханический клапан;

– блок управления клапаном (на базе набора MASTER KIT);

– подводящие трубки и фитинги.

 Эксплуатационные характеристики:

– Расход газа: 2 л/мин

– Время непрерывной работы от баллона 6000 л: 50 часов

– При использовании в режиме 2 часа в день – ресурс одного баллона 1 месяц

Оценочная стоимость реализации прототипа:

– Баллон с аргоном: 1200 руб.

– Пластиковые трубки и фитинги: 1000 руб.

– Быстродействующий клапан: 2000 руб.

– Газовый редуктор: 1000 руб.

– Модуль управления клапаном (MASTER KIT): 500 руб.

– Блок питания: 1000 руб.

– Предкамера (несколько вариантов): бесплатно (в рамках НИОКР)

Возможные области применения:

– Видеонаблюдение на химических и металлургических производствах

– Контроль состояния оборудования в зонах с газовыми выбросами

– Камеры общепромышленного или пищевого назначения в агрессивной санитарной среде

– Взрывобезопасные зоны, где другие методы защиты невозможны

Преимущества способа:

– Простота реализации.

– Низкие энергетические и материальные затраты.

– Возможность импульсной или периодической работы.

– Минимизация механических загрязняющих факторов.

– Возможность доработки под различные геометрии и типоразмеры камер.

Заключение

Предложенный воздушно-импульсный способ защиты объективов видеокамер основан на оригинальной и технически обоснованной идее использования импульсного вихревого потока инертного газа или технически чистого воздуха для создания буферной области повышенного давления перед объективом. Данное решение эффективно предотвращает оседание пыли, влаги, агрессивных химических аэрозолей и других загрязняющих частиц на линзе, обеспечивая стабильную и бесперебойную работу системы видеонаблюдения в неблагоприятных условиях.

2. Вихре кольцевая газовая пушка очистки вагонов

Способ очистки ж/д вагонов от остатков насыпных грузов, заключается в дистанционном направленном воздействии импульсных высок энергетических вихревых кольцевых потоков газа, возбуждаемых в результате импульсного сжатия и детонационного сгорания топливовоздушной смеси в полузамкнутом резонаторе, установленном на манипуляторе.

Выведена зависимость энергии, переносимой вихревым кольцом от размеров детонационной трубы, как квадрат произведения длинны на внутренний диаметр – (L*D)2.

Проблема

При выгрузке насыпных грузов из ж/д вагонов часть груза всегда остается в вагоне. ж/д вагоны должны возвращаться железной дороге очищенными. это прямая обязанность грузополучателей.

Комплектование отдельных производственных площадок механическими вибраторами, щеточными устройствами или высоко энергетическими системами жидкостной / газовой очистки зачастую экономически не целесообразно.

В таких случаях очистка вагонов от остатков насыпного груза на производственных площадках выполняется вручную через открытые нижние люки.

Ручная очистка ж/д вагонов через открытые нижние люки является одной из самых трудоемких и дорогостоящих операций, т.к. напрямую влияет на простой вагонов.

Решение проблемы

Предлагается использовать высоко энергетические вихревые газовые кольца для дистанционной очистки ж/д вагонов, кинетического воздействия на остатки насыпных грузов.

Для этого предлагается оснастить грейфер манипулятора быстросменной вихре кольцевой газовой пушкой – вихре кольцевым сферическим резонатором.

Работой вихре кольцевой газовой пушки управляет оператор манипулятора.

Оператор визуально определяет места остатков насыпных грузов. направляет в это место вихре кольцевую газовую пушки и производит очистку энергетикой вихревых колец с частотой следования – несколько герц.

Рис. № 2. Грейфер манипулятора с быстросменной вихре кольцевой газовой пушкой.

Технология

Вихре кольцевая газовая пушка представляет собой полузамкнутый патрубок детонационного горения топливовоздушной смеси со сферическим резонатором на выходе.

Вихре кольцевая газовая пушка формирует высоко энергетические газовые вихревые кольца с частотой следования не более 3 герц.

Принцип работы вихре кольцевой газовой пушки основан на преобразовании в сферическом резонаторе линейных волн детонационного горения топливовоздушной смеси в высоко энергетические вихревые кольца. В этом случае продукты детонационного горения обладают огромной кинетической энергией, большая часть которых переходит в энергетику вихревого газового кольца и распространяется на значительное расстояние для заявленных целей.

Прототип вихревой пушки с сферическим резонатором представлен на рис. № 3.

Рис. № 3. Прототип вихревой пушки с сферическим резонатором диаметром 0,15 м.

Рабочий процесс предложенной воздушной вихревой импульсно-детонационной пушки основан на периодической подаче в детонационный патрубок топливовоздушной смеси, периодическом поджигании электроискровым способом топливовоздушной смеси, распространении детонации в сферический резонатор и истечения продуктов в окружающее пространство формируя высокоэнергетическое вихревое кольцо.

Техническое устройство

– Камера детонационного сгорания с линейным патрубком;

– Топливовоздушная смесь (например, пропан + воздух);

– Электроискровой поджиг;

– Выходная часть- сферический резонатор с внутренними специальными вставками!, формирующий высоко энергетическое вихревое кольцо;

– Частотный цикл: 0,5–3 выстрела в секунду.

Преимущества способа:

1. Быстрота и бесконтактность воздействия:

– Оператор не входит в вагон;

– Процесс очистки занимает минуты без захода человека в опасную среду;

– Можно очистить труднодоступные зоны- углы, соединения, стенки.

2. Энергетическая направленность:

– Каждый импульс работает как "ударная волна";

– Позволяет отделить даже слёжившийся/прессованный груз с тонкой адгезионной силой (например, зёрна, гранулы, цемент, сульфаты, удобрения).

3. Безопасность:

– Низкий риск повреждения кузова вагона;

– Отсутствие абразивов, струй или химии;

– Возможность дистанционного поражения точки остатка.

4. Перевод в быстросменный инструмент:

– Можно установить на рукоять экскаватора, манипулятора, тележки;

– В перспективе- роботизация и очистка без оператора.

Дополнительные характеристики:

Разработанная эмпирическая формула E = (L·D)2- зависит от размера детонационного канала, указывает на возможность масштабирования под задачи

Частота детонации ограничивается безопасностью камеры и горелки;

Экспериемнт

Сферический резонатор диаметром 0,15 м.

Визуализация формирования вихревого кольца показана на следующем рисунке.

Рис. № 4. Вихревое газовое кольцо на выходе сферического резонатора.

Доказанная эффективность

– Диаметр резонатора 80 мм: сдвиг куба 200 г при 1 м расстоянии;

– Диаметр резонатора 150 мм: сдвиг тела массой 5 кг при том же расстоянии;

Заключение

Предложенная вихре-кольцевая газовая пушка представляет собой мощное, инновационное и практически применимое средство очистки, подходящее как для ручной, так и автоматизированной работы при выгрузке ж/д насыпных вагонов. Уже собранные прототипы демонстрируют эффективность подхода. Метод заслуживает детальной разработки технической документации, патентования и испытаний в сотрудничестве с ж/д операторами и производственными предприятиями, сталкивающимися с проблемой выгрузки.

3. 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. 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.

4. 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: