Введение

В настоящее время технологии использования энергетики управляемых волн детонационного горения топливо-воздушных смесей почти не используются, не развиваются и не систематизируются.

В практическом плане в промышленности нашла развитие и успешно используется только одна технология, которая связана с порошковым напылением промышленных покрытий. В качестве идей начинают предлагается технологии утилизации отходов продуктами детонационного горения.

В настоящей работе представлены результаты практических работ, направление на раскрытие потенциала применения детонационного горения , как лучшая альтернатива классическому горению (дефлаграционному) в различных областях науки и техники.

Предлагаются следующие технологии использования управляемого детонационного горения топливовоздушных смесей

1. Термобарические процессы: Предложены способы производства драгоценных камней и разложения химических соединений (включая в рамках "зеленой металлургии" для восстановления металлов из оксидов и утилизации отходов) с использованием сверхвысоких температур (до 3000–4000°C и выше) и давлений, достигаемых в зоне "схлопывания" или фокусировки детонационных волн. Эксперименты по разложению оксида железа показали возможность его восстановления до металлического состояния.

2. Получение сверхвысоких температур: Предложены и исследованы способы одномерной и многомерной имплозии (центростремительного вихревого сжатия) волн детонационного горения для создания локализованных зон сверхвысоких температур (более 2000–3000°C), которые могут быть использованы для различных технологических целей, включая синтез новых материалов и разложение стойких соединений. Также исследован многостадийный способ повышения температуры внутреннего вихревого потока.

3. Экологические применения: Предложен детонационно-вихревой способ дожига дымовых газов промышленного производства для эффективной утилизации горючих и токсичных веществ при высоких температурах. Предложен детонационно-вихревой пиролиз органических отходов для получения топлива, включая водород.

4. Новые физические эффекты и их применение: Обнаружен детонационно-электрический эффект, заключающийся в возникновении ЭДС во фронте детонационной волны. Выявлен инверсный вихревой эффект, меняющий направление терморазделения в вихревой трубе при подаче высокотемпературного потока. Исследован эффект термобарического схлопывания фронтов детонации для создания экстремальных условий.

5. Технологические процессы: Разработан вихрекольцевой метод очистки вагонов от сыпучих грузов. Предложен ударно-волновой способ торможения роторов вентиляторов. Исследован детонационно-распылительный способ получения мелкодисперсных металлических порошков. Предложен вихрекольцевой детонационный метод измерения толщины покрытий. Разработан термокинетический способ очистки стального листа от цинкового покрытия. Предложена квазиимпульсная технология нанесения защитных покрытий на большие поверхности.

6. Энергетические и двигательные установки: Предложен детонационно-центростремительный привод турбины. Рассмотрены варианты детонационного привода лопастей вертолета, в том числе на эффекте Коанда.

Эти практические результаты и экспериментальные данные, представленные в авторских работах, подчеркивают значительный прогресс и потенциал детонационных технологий в различных

1. Способ получения сверхвысоких температур встречным сжатием волн детонационного горения

Предлагается высокоэнергетическое физико-химическое явление, возникающее в результате скоординированного, синхронного схлопывания (сжатия) нескольких фронтов детонационного горения, и ведущее к образованию в центральной точке сверхвысокого давления и температуры.

Иначе говоря, при синхронной детонации 2-х или более источников с фокусировкой волн в одну общую центральную зону, образуется уникальное состояние в малом объёме, характеризующееся:

– давлениями, существенно превышающими 1000 атмосфер (100 МПа и выше),

– температурами порядка 3000 градусов (в зависимости от числа источников и угла схлопывания),

– ударной компрессией вещества в фокусе, вплоть до плазменных состояний,

– микросекундной длительностью воздействия, которая исключает распространение нагрева в окружающую среду и позволяет концентрировать эффект только в точке схлопывания. Сущность

Формирование зоны сверхвысокого давления и сверхвысокой температуры в месте синхронного схлопывания (сжатия) волновых фронтов детонационного горения от двух и более источников.

Описание явления

– Детонация от одного источника – это самоподдерживающийся взрывной процесс, где фронт горения движется с высокой скоростью (2000–3000 м/с) и сопровождается образованием ударной волны и температур выше 3000 градусов.

– В обычном случае детонация расширяется наружу (дефлаграционно-дивергентный режим).

– Однако при размещении детонационных источников так, чтобы их волны сходились центростремительно (например, при размещении резонаторов по окружности или в полусфере), ударные фронты не расходятся, а сходятся в фокусе – вызывая сферическое сжатие.

Аналогия: как капля воды при падении в жидкость создаёт микровихрь с резким всплеском вверх, – аналогично и фронты схлопывающихся детонаций вызывают «всплеск» температуры и давления в точке схождения.

Расчётное представление:

– Энергия каждого фронта складывается не просто суммарно, а усиливается за счёт геометрической фокусировки, подобно линзе, собирающей лучи света.

– В зависимости от точности синхронизации, можно достичь температур выше даже 4000 градусов (условная "точка микровзрыва").

Описание

Синхронное сжатие (схлопывание) нескольких детонационных волн представляет собой сферический фронт уменьшающихся изломов ударных волн, который быстро сжимается. В местах сталкивания изломов ударных волн возникает сферическая зона очень высокого давления, в которой детонационное горение происходит с более высокими температурами.

При синхронном сжатии (схлопывании) детонационных волн детонационного горения от 2-х и более источников волн детонационного горения – в центральной части возникает сферическая зона сверх высокого давления, с температурами уровня 3000 градусов и выше.

Классические дефлаграционные способы нагрева не способны обеспечить такие температуры и давления. Это связано с особенностью классического дефлаграционного горения, а именно в том, что при распространении дефраграционного горения фронт волны не встречает на своём пути препятствий и распространяется от зон с высоким давлением в зоны низкого давления. Распространение горения в этом случае происходит с относительно низкой скоростью, которая зависит от температуры процесса горения, и всегда ниже 2000 градусов.

В отличии от классического горения – детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-3500 С. При этом нужно учесть тот факт, что детонация не в атмосферу (расширение), а сжатие центростремительно в фокусе полусферического резонатора обеспечивает формирование на много больших температур.

Эксперимент

Был создан стенд из двух источников детонационных волн по типу трубчатой формы с сферическим резонатором на выходе, см. рис. № 1

Рис. № 1. Испытательный стенд из двух источников волн детонационного горения.

Интересные эффекты проявляются в зависимости от расстояния, на котором находятся друг от друга источники детонационного горения, см.

рис. № 2 и 3.

Расстояние между горелками = 2*(0,9*L).

Где: L – длинна видимого сходящегося клина детонационного горения одного источника детонационного горения.

Рис. № 2. Визуализация места сжатия сверхвысоких температур и давлений.

На рис. № 2 указано место сжатия сверхвысоких температур и давлений локализовано в центре на расстоянии 0,9*L относительно небольшой областью по объёму.

Расстояние между горелками = L.

Где: L – длинна видимого сходящегося клина детонационного горения одного источника детонационного горения.

Рис. № 3. Визуализация места сжатия сверхвысоких температур и давлений.

На рис. № 3 показано место сжатия, которое имеет форму шара сверхвысоких температур и давлений с диаметром, равным = L. По аналогии с шаровой молнией, с одним исключением – полученный шар “рождается” и “умирает” несравнимо быстрее, чем шаровая молния.

Таким образом, сверхбыстрый нагрев газа может быть реализован встречным “схлопыванием” в общем центре двух и более источников детонационных волн детонационного горения топливовоздушной смеси. При этом объём зоны сверхвысоких температур и давлений зависит исключительно от расстояния, на котором размещены друг от друга источники детонационного горения.

Термобарическое схлопывание фронтов детонации – это уникальный способ кратковременного создания экстремальных условий температуры и давления, недостижимых классическими методами. В фокусированной зоне создаются ударные нагрузки и температурные пики, потенциально эквивалентные локальному микровзрыву высокой плотности энергии.

Эффект не только подтверждает возможность создания таких условий в атмосферной среде, но и определяет новую физическую модель для:

– сжатия веществ без соприкосновения (контактной среды),

– кратковременного нагрева до плазменных состояний,

– фазовых переходов при пикосекундной тепловой и механической нагрузке.

Возможные применения

1. Переработка и разложение химически устойчивых соединений.

– Восстановление оксидов металлов (Al2O3, Fe2O3, ZnO) до чистого металла.

– Разложение неорганических соединений при кратком термобарическом импульсе без реагентов (без плавки, без электролиза).

2. Генерация высокотемпературной плазмы.

– Инициация холодной или тепловой плазмы без электродов и высокочастотных источников;

– Применение в физике высоких энергий и материаловедении.

3. Дистанционное воздействие и управляемый импульс.

– Импульсное старение (силовая деформация) конструкционных материалов;

– Промышленная очистка поверхностей от покрытий, ржавчины, лакокрасочных оболочек;

– Удаление загрязнений в трубопроводах и реакторах.

4. Взрывная синтез-металлургия.

– Ультрабыстрое спекание порошков;

– Формирование металлографических соединений при пикотемпературе;

– Замена дуговой и индукционной плавки в ограниченных объёмах.