Описан и обоснован способ транспортировки жидкости (газа) по трубопроводу за счёт энергии состояния транспортируемой жидкости. С помощью представленного устройства создаётся устойчивое состояние вращательного движения масс транспортируемой жидкости, которая формирует в трубопроводе вихревую трубку. В результате передачи внешнего возбуждения в зону вихревой трубки появляется компонента нормально осевого перемещения жидкости, вращательное движение переходит в винтовое движение. При этом, компонента вращательного (потенциального) движения значительно превосходит компоненту нормального перемещения, что создаёт эффект сверхтекучести транспортируемой жидкости. При этом, внешняя энергия расходуется исключительно на поддержание заданного состояния системы, а не на перемещение транспортируемых масс, как в существующих системах.
В этой статье представлено научно-обоснованное техническое решение по транспортировке жидкости (газа) по трубопроводам за счёт энергии самой жидкости.
В 1938 г. П.Л. Капица открыл, а Л.Д. Ландау в 1941 году научно обосновал, явление сверхтекучести квантовой жидкости. Сверхтекучесть характеризуется не только способность протекания квантовой жидкости через тончайшие капилляры без сопротивления, но и способностью самостоятельно подниматься по ним, вопреки гравитации. Ландау объяснил сверхтекучее свойство квантовой жидкости наличием в ней сверхтекучей компоненты. При этом сверхтекучесть проявляется лишь в случае, когда сверхтекучая компонента преобладает над нормальной. Говоря о нормальной и сверхтекучей компоненте необходимо иметь ввиду, что речь идёт исключительно о разных видах движения. «Следует, однако, самым решительным образом подчеркнуть, что рассмотрение жидкости как смеси нормальной и сверхтекучей её частей является не более чем способом наглядного описания явлений, происходящих в квантовых жидкостях. ... В действительности надо говорить, что в квантовой жидкости – He ΙΙ – может существовать одновременно два движения, каждое из которых связано со своей эффективной массой (так что сумма обеих этих масс равна полной истинной массе жидкости)». [1] Для объяснения сверхтекучести Ландау использовал аналогию с твёрдым телом. В естественном ряде состояний между твёрдым телом и квантовой жидкостью остался пробел – нормальная вязкая жидкость, к которой относятся и газ, и вода, и нефть. Для придания нормальной жидкости свойств сверхтекучей жидкости, необходимо создание в ней, преимущественно, сверхтекучей компоненты.
По своей сути сверхтекучая компонента ничто иное, как свободное (собственное) вращательное движение жидкости – ротон (от лат. roto - вращаюсь, верчусь). В теории сверхтекучести, ротон – элементарное возбуждение (квазичастица). «Подчёркиваем, что хотя мы говорим здесь о «частице», но её «элементарность» нигде не используется. Поэтому полученные формулы в равной степени применимы и к любому сложному телу, состоящему из многих частиц...». [2] Создание в вязкой жидкости свободного вращательного движения задача элементарная. На рисунке (фиг. 1) представлена принципиальная схема «устройства для генерирования реактивного импульсного потока газа или жидкости», где Ι – блок аккумулирования вращательного движения масс рабочего тела, ΙΙ – блок компрессии, ΙΙΙ – усилитель, 4 – полый ротор, 5 – статор, 6 – токопроводящая обмотка статора, 7 – пассивная обмотка статора, 8 – корпус, 9 – пассивный ротор. Такое название устройства обусловлено его двойным назначением. В трубопроводах нет надобности получать реактивный поток, в общепринятом понимании относящимся к двигателям.
Фиг. 1. Принципиальная схема «устройства для генерирования реактивного импульсного потока газа или жидкости»
Ι – блок аккумулирования вращательного движения масс рабочего тела, ΙΙ – блок компрессии, ΙΙΙ – усилитель, 4 – полый ротор, 5 – статор, 6 – токопроводящая обмотка статора, 7 – пассивная обмотка статора, 8 – корпус, 9 – пассивный ротор.
На токопроводящую обмотку статора (6) блока аккумулирования (Ι ) подаётся электрический импульсный ток, фиксированный по величине и продолжительности, переменный по частоте, для чего используется частотно-импульсный преобразователь. Разгоняется ротор равноускоренно, для чего частота тока возрастает пропорционально росту собственной частоты вращения ротора. Присоединение масс жидкости может происходить только при переменном (ускоренном) движении. При этом движение должно быть равноускоренным с небольшой фиксированной величиной ускорения. Только при соблюдении этого условия возможно формирование устойчивого состояния рабочего тела и постоянной энергии состояния. «Изменение состояния (или положения) одной из частиц приводит к изменению создаваемого ею поля, которое отражается на другой частице лишь через конечный промежуток времени, необходимый для распространения этого изменения до частицы». [3] Полученное состояние представляет собой вихревую трубку. Энергия состояния жидкости в вихревой трубке, являющаяся суммой её кинетической и внутренней энергий, является функцией собственной угловой скорости. Вывод: величина собственной угловой скорости определяет физическое состояние жидкости. Описывая свободное вращательное движение, Л. Ландау подчёркивает его обязательную потенциальность, которая выражается равенством rot vs= 0, «которое должно иметь место в любой момент времени во всём объёме жидкости». [4] Потенциальность означает, что при вращательном движении не совершается работа. Поэтому вращательное движение не процесс, а состояние. Поэтому давление жидкости на стенки сосуда (трубы) стремится к нулю, при минимуме нормальной компоненты, наличие которой определяет существование процесса. Фактически, давление на стенки трубы и величина трения зависят от соотношения величин вращательного движения и поступательного перемещения жидкости. Вообще аккумулирующее свойство вращательного движения известно с древности. Аккумулируется именно движение, массы, вовлечённые во вращательное движение, являются присоединёнными и, по своей сути, вторичны. Это состояние является устойчивым (атом, космос). В предлагаемом решении его можно считать квазиустойчивым. Формирование состояния жидкости первый этап осуществления способа.
Особое значение в вихревой теории имеют теоремы Гельмгольца, которые Пуанкаре считал наиболее значительным вкладом в гидродинамику. Их сутью является закон «вмороженности вихревых линий», позволяющий рассматривать «вихревые образования» как некоторые «материальные объекты, подобные массам в классической механике». И, что перемещение вращающихся масс всегда перпендикулярно их плоскости вращения. В трубе перемещение происходит по оси трубы, являющейся осью вращения.
Переход от чисто вращательного движения к вращательно-поступательному, винтовому, происходит под действием внешнего возбуждения на поле вращения. Для чего на токопроводящую обмотку (6) статора усилителя или аккумулятора, в зависимости от конкретных режимов, подаётся импульсный ток возбуждения. По своей сути этот переход представляет собой вынужденное излучение.
Для понимания процесса необходимо вновь обратиться к аналогии (этот метод аналогий при доказательстве своих теорий сверхтекучести и вынужденного излучения использовали Ландау и Эйнштейн, соответственно). «Вынужденное излучение (вынужденное испускание, индуцированное излучение), испускание электромагнитного излучения квантовыми системами под действием внешнего (вынуждающего) излучения». [5] Согласно постулированной Эйнштейном теории вынужденного излучения, вынужденное излучение – процесс обратный поглощению, которые равны при соблюдении определённого условия – соблюдения критической частоты внешнего возбуждения. Так, в частности, работает квантовый усилитель. Критическая величина частоты внешнего возбуждения (n) определяется частотой собственных (свободных) колебаний системы (ω/2π) и должна соответствовать условию n ≤ ω/2π, где ω – собственная угловая скорость. При нарушении приведённого условия, превышении частоты внешнего возбуждения над частотой собственных колебаний, происходит разрушение поля вращения – вихревой трубки. Способность к релаксации поля вращения, сохранение заданного состояния и его характеристик, обусловлено наличием собственного спина, что является важнейшим отличием предлагаемого способа от известных, определяющим его уникальность и эффективность. Релаксация, в данном случае, есть процесс поглощения, обратный и равный по величине генерированию (испусканию). Генерируемый объём жидкости одновременно замещается равным объёмом жидкости, исходное состояние которого практически соответствует состоянию жидкости в поле вращения, так как является частью вихревой трубки. Фактически речь идёт не о присоединённых массах, а о присоединённом вихре. Внешняя энергия, передаваемая полю вращения с внешним возбуждением, расходуется не на перемещение объёмов (масс) жидкости, а на поддержание заданного состояния, на поддержания равновесия системы, которое является квазиустойчивым. Перемещение же осуществляется за счёт энергии состояния жидкости в вихревой трубке, представляющей сумму кинетической и внутренней энергий жидкости, что не противоречит принципам работы инерционных систем и первому началу термодинамики. Перемещение, в определённой мере, можно считать «побочным» следствием внешнего возбуждения.
Полученное состояние поля вращения присоединённых масс уникально. Оно одновременно является и устойчивым, и возбуждённым. И устойчивость, и возбуждённость являются функцией одной величины – угловой скорости. Она, угловая скорость, через частоту вращения, определяет и линейную скорость перемещения жидкости по трубе, характеристики импульсного потока. Статистика такого процесса отсутствует, её ещё придётся набирать. Поэтому необходимо, для расчёта производительности, обратиться к теории и аналогии. Уже говорилось, что каждая компонента движения связана со своей эффективной массой. В рассматриваемом состоянии присутствует только вращательное движение эффективную массу которого, по аналогии с квантовой жидкостью, можно принять равной mэ ≈ 3,08 m0. [6] Это соответствует и логической модели, где плотность жидкости в кольце тора значительно выше её нормальной плотности, но объём занимаемый жидкостью это лишь малая часть объёма трубы. Скорость линейного перемещения жидкости определяется на основе представления, что движение является сложным, винтовым. Учитывая ничтожность величины диаметра трубы относительно линейной скорости вращения, можно принять v ≈ vs = aω, где v – линейная скорость перемещения жидкости по трубе. С появлением линейного перемещения жидкости появляется нормальная компонента движения, что отрицательно влияет на текучесть жидкости. Для снижения этого влияния необходимо руководствоваться «принципом наименьшего действия», а объёмы перемещения, производительность процесса, регулировать частотой внешнего возбуждения. Теперь можно вывести формулу плотности потока жидкости (Р) в трубе: Р ≈ mэ vпτ или Р ≈ ρVaωпτ, где ρ – плотность жидкости, V – объём жидкости, a – расстояние от оси вращения до центра масс, п(1/с) – частота внешнего возбуждения в единицу времени → ω/2π; τ(с) – период (продолжительность) вынужденного излучения. Величина mэ v ≈ ρVaω является величиной единичного импульса (р), тогда Р = рпτ. Объём единичного импульса определяется объёмом полости ротора в зоне генерирования и собственной угловой скоростью, и представляет, по аналогии, квазичастицу конкретного поля, его «наименьшее действие».
Величина импульса внешнего возбуждения, обеспечивающая ускоренное вращение ротора до достижения заданной величины угловой скорости (частоты собственных колебаний), определяется по принципу «минимальной достаточности» (наименьшего принуждения) и полностью зависит от характеристик конструкции устройства и транспортируемой жидкости. Величина внешнего возбуждения генерирования потока не должна превышать величину «разгонного» возбуждения.
Частота собственных (свободных) колебаний системы (частота вращения ротора) определяет эффективность её работы. «…В среде конечного объёма могут происходить свободные колебания лишь с вполне определёнными частотами. …Конкретные значения собственных частот зависят от формы и размеров сосуда. В каждом данном случае существует бесконечный ряд возрастающих собственных частот. Нахождение их требует конкретного исследования уравнения движения с соответствующими граничными условиями». [7] Речь идёт о множественности собственных энергетических уровней состояния, их «бесконечном» ряде. Эффективность способа обратно пропорциональна диаметру трубопровода, то есть чем меньше диаметр трубы, тем более эффективно работает система. И дело здесь не только и не столько в стоимости самого трубопровода, а в характеристиках процесса. Малый диаметр трубы позволяет получать бόльшие угловые скорости, что означает преимущество сверхтекучей компоненты и, одновременно с ростом собственной частоты, более высокую частоту импульсов потока.
Реализация представленного способа позволит, по приближённым расчетам автора, повысить пропускную способность существующих и проектируемых трубопроводов, как минимум, в десятки раз, значительно снизив при этом капитальные, эксплуатационные и энергетические затраты. Ещё одним важнейшим преимуществом предлагаемого способа транспортировки жидкости является возможность регулирования температуры транспортируемой жидкости по длине трубы. Это достигается без дополнительных капитальных затрат путём чередования режимов «нагнетания» и «откачки», генерированием потока через устройства на входе и выходе соответственно.
Способ и устройство для его реализации защищены патентами РФ. Начата процедура получения иностранных патентов.
1. Ландау, Лифшиц, «Гидродинамика», 2006 г., с. 705
2. Ландау, Лифшиц, «Теория поля», 2006 г., с. 47
3. БСЭ, Поля физические
4. Ландау, Лифшиц, «Гидродинамика», 2006 г., с. 707
5. Физический энциклопедический словарь, «Вынужденное излучение»
6. Физический энциклопедический словарь, « Эффективная масса»
7. Ландау, Лифшиц, «Гидродинамика», 2006 г., с. 373
Автор: Владимир ФЕДОРОВ
