Явления униполярного зарядо-массопереноса слабопроводящих сред

Приведено описание оригинальных экспериментальных и аналитического исследований нового физического эффекта и эффективной электротехнологии импульсного самосогласованного коллективного зарядо-массопереноса в униполярно заряженной слабопроводящей неполярной жидкости во внешнем импульсном электрическом поле. Экспериментально установлены аномально высокие эффективность и энергетика процесса зарядо-массопереноса. Проблема эффективного массопереноса слабопроводящих сред электрическим полем по- прежнему актуальна во многих сферах техники, например для перекачки нефти, топлив и прочих жидкостей. Существующие электрогидродинамические технологии массопереноса слабопроводящих сред, например, диэлектрических жидкостей, путем преобразования энергии электрического поля в кинетическую энергию потока (ЭГД-технологии)пока далеки от совершенства и обладают низкими энергетическими показателями. Дело в том, что известные модификации ионно-конвективного способа ЭГД-преобразования предусматривают наличие гальванической связи между электродами, помещенными в жидкость. Целью данной работы является разработка и исследование открытого ранее автором нового физического эффекта зарядомассопереноса униполярного заряженной диэлектрической среды в электрическом поле и его использование в энергосберегающих гидромоторах и насосах нового поколения.

Проблема эффективного массопереноса слабопроводящих сред электрическим полем по- прежнему актуальна во многих сферах техники, например для перекачки нефти, топлив и прочих жидкостей. Существующие электрогидродинамические технологии массопереноса слабопроводящих сред, например, диэлектрических жидкостей, путем преобразования энергии электрического поля в кинетическую энергию потока (ЭГД-технологии)пока далеки от совершенства и обладают низкими энергетическими показателями. Дело в том, что известные модификации ионно-конвективного способа ЭГД-преобразования предусматривают наличие гальванической связи между электродами, помещенными в жидкость.

Целью данной работы является разработка и исследование открытого ранее автором нового физического эффекта зарядомассопереноса униполярного заряженной диэлектрической среды в электрическом поле и его использование в энергосберегающих гидромоторах и насосах нового поколения.

Описание опытной установки и методики экспериментов

Впервые этот новый физический эффект интенсивного и энергосберегающего массопереноса слабопроводящей жидкости был экспериментально обнаружен автором статьи 6-7 лет назад. Частично эти опыты по электрополевому метанию струи униполярно заряженной слабопроводящей жидкости впервые были кратко описаны автором в статье [1]. Ниже приведено детальное описание опытной установки. Устройство для циклического ускорения униполярно заряженной диэлектрической жидкости во внешнем электрическом поле, далее именуемого как “метатель Дудышева”, изображено на рис.1. Метатель состоит из цилиндрического V-образного стеклянного корпуса (1), выполненного с коническим соплом (.2,3), вытягивающего кольцевого электрода (.6), не имеющего гальванического контакта с жидкостью, расположенного коаксиально метательной камере на регулируемом, но фиксированном удалении от сопла, цилиндрического электрода (.5) с заострением торца помещаемого в вертикальную часть корпуса. Диаметры трубок выбирались в пределах 10-15 mm, диаметр сопла (3) 1.5 -2 mm. Метательная часть трубки — волновой канал (4) устанавливалась на подставку (7) располагалась под углом к горизонтали 15-20^о. Для подключения метателя Дудышева к внешней электрической цепи используются комбинированные связи электродов с жидкой средой.

Рис. 1. Метатель Дудышева.

– гальваническая для электрода-эмиттера и емкостная для вытягивающего электрода. К вытягивающему электроду подводился нулевой потенциал, а к электроду- инжектору циклически посредством внешней коммутации подводился ступенчатый электрический потенциал минус 10-30 kV. В качестве источника высокого напряжения использовался блок питания бытового озонатора воздуха марки МЕ-10 “СУПЕР-ПЛЮС” мощностью около 10 Wt (ТУ 3468-002-1195853-2000) или заряженный от этого блока высоковольтный конденсатор емкостью около 200 ∙10^-12 F с рабочим напряжением 30 kV.

Методика проведения экспериментов и наблюдаемые эффекты

Перед началом опыта ускорительная трубка заполнялась порцией диэлектрической жидкости от 0.01 до 0.1 kg. В момент подачи высоковольтного импульса из конического сопла наблюдалась мощная короткая по времени струя жидкости в воздух, не задевающая при своем движении кольцевой вытягивающий электрод и оптические датчики. К моменту ее окончания истечения из сопла V-образная стеклянная трубка, как правило, опустошалась полностью. После этого высокое напряжение отключалось, производилось повторное заполнение трубки жидкостью, и опыт повторялся. Измерение времяпролетных характеристик струи производилось оптическим способом по сигналам двух фотоприемников (поз.8) с оптическими каналами, пересекающими траекторию метания струи. Оценка механической (кинетической) энергии струи, рассчитанная по результатам измерения ее временных параметров движения, составляла около 2 – 4 J, скорость струи 20-30 m•s^-1, а расчетное импульсное давление на срезе сопла составляло около 50 kg•sm^-2. В опытах постоянно выявлялся экспериментальный парадокс несоответствия механической энергии струи и потребляемой в импульсе электрической энергии, соответствующий фантастически высокому КПД нового ЭГД- преобразования –величиной свыше 100%. Был проведен цикл экспериментов с целью изучения области существования этого явления и выявления его основных закономерностей. Круг испытанных жидкостей включал в себя технические углеводородные жидкости, водо-топливные смеси, дистиллированную воду. Эффект метания воспроизводился только при использовании неполярных слабопроводящих жидкостей. При использовании водотопливных эмульсий эффект сильно ослаблялся или исчезал совсем при увеличении концентрации воды. При использовании воды эффект метания не возникал. Исследовалось влияние размеров метателя и формы конического сопла на метательный эффект. Оптимальными оказались угол раскрытия конуса не более 15-20^о и диаметр сопла 1.5 -2 mm при диаметре цилиндрической части метателя 10 – 15 mm. Длина метательной части трубки до среза конуса в различных опытах составляла от100 до 300 mm. Эффект метания прекращался при создании гальванической связи вытягивающего электрода с жидкостью, при инверсии полярности питания или снижении питающего напряжения ниже порогового около 10 kV, а также при удалении вытягивающего электрода от сопла на расстояние более 50 mm.

Основы теории открытого явления

Сущность физических процессов и энергетики данного явления достаточно сложна. Феноменологическая модель разработана на основе системного анализа известных физических механизмов генерации избыточных зарядов и зарядо-массопереноса в жидких средах /2 -5/.Отмеченное в экспериментах влияние скорости нарастания питающего напряжения на процесс метания прямо свидетельствует о том, что в процессах зарядообразования ведущую роль играют эмиссионные процессы по сравнению с контактными и электрохимическими. В рамках предлагаемой физической модели метатель представлен электрическим конденсатором со слоистым диэлектриком, один слой которого жидкостный, а другой твердотельный. Такая модель сложного и геометрически асимметричного конденсатора, представляющая последовательное соединение двух конденсаторов, вполне допускает возможность эмиссионных процессов на инжекторе в импульсном режиме и соответствует модели низкодобротного жидкостного электрического конденсатора, обладающего резистивной токовой утечкой. Характер наблюдаемого массопереноса в метателе радикально отличается от известной модели ионно-конвективных двунаправленных течений между электродами. Главной причиной формирования такого однонаправленного течения является устанавливающийся в метательной камере режим униполярной проводимости жидкой среды, обеспечиваемой только инжектированными отрицательными ионами. Этому режиму соответствует резко неравновесный баланс свободных зарядов. В интенсивно заряжаемой жидкой среде проявляется увеличение сил кулоновского отталкивания накапливаемого заряда от электрода-эмиттера. В этом случае в пределах метательной камеры биполярное экранирование зарядов сильно ослаблено, а восстановление электронейтральности среды технически невозможно, поскольку при емкостной связи процессы генерации и перезарядки ионов на вытягивающем электроде технически исключены.

Мощный эффект метания СПЖ при низком значение средней напряженности электрического поля 0.3 — 1 kV sm^-1 указывает на ведущую роль в механизме массопереноса сил взаимного отталкивания зарядов на малых расстояниях, а также на определяющий характер влияния резконеоднородного поля, создаваемого на острие эмиттера. Ближнепольное униполярное кулоновское взаимодействие (БУКВ) одноименно заряженных свободных зарядов в условиях взрывной электронной эмиссии с катода порождает огромные силы взаимного электростатического отталкивания [3,4]. В слабопроводящей жидкой среде эти силы носят внутренний, реологически связанный характер, обеспечиваемый сольватными оболочками ионов. БУКВ между эмиттером и инжектированным в среду зарядом является источником внешней силы прикладываемой к среде со стороны внешнего электрического поля. Величина этой силы определяется средней напряженностью поля в конце зоны торможения зарядов средой и локальной величиной избыточного заряда. БУКВ внутри заряженной области среды создает ей электростатическую жесткость. Поэтому сплошная протяженная область заряженной среды, прилегающая к области эмиссии, подобно сжатой пружине эффективно работает в качестве кинематического звена передающего внешнюю кулоновскую силу без квадратичного ослабления с увеличением расстояния. Жесткость этого звена определяется величиной зарядовой плотности.

Рис. 2 Кинематическая цепь элетрореологического вытеснения ионной волной нейтральной жидкости. 1- электрод-инжектор, 2 БУКВ в зоне эмиссии, 3 –зона торможения зарядов средой, 4 – область объемного заряда (ионная волна), 5 –реологическое взаимодействие на фронте ионной волны, 6 –нейтральная жидкость.

О причине однонаправленного зарядо-массопереноса вещества электрическим полем

В опытах на данном простейшем метателе впервые обнаружен эффект однонаправленного перемещения жидкой среды за счет энергии электрического поля. Об этом прямо свидетельствует всасывание среды со стороны загрузочной горловины метателя. Физическая сущность эффекта заключается в создании перепада гидростатического давления в среде в узком канале на границе заряженной и нейтральной жидкости. Перепад давления в жидкой среде возникает в результате униполярного Кулоновского взаимодействия реологически связанного со средой объемного заряда с электрическим полем эмиттера. Вначале путем инжекции в окрестности эмиттера формируется униполярное зарядовое образование, полностью перекрывающее сечение канала, которое потом работает как реологический поршень. Эффект проявляется в условиях униполярной проводимости среды в узких каналах малого сечения при надежном и полном его перекрытии заряженной средой. В метателе конструктивно совмещены зона ввода жидкости в метательный канал с зоной инжекции зарядов в среду. Таким образом, однонаправленный массоперенос среды электрическим полем в метателе происходит вследствие разрешения конфликта свойств неразрывности среды и Кулоновских сил отталкивания. Вентильные свойства метателю обеспечивают структура электростатического поля электрода, а также различия в характере воздействия электрического поля на нейтральную и заряженную среду. Направление токов инжекции определяет направление течения среды и локально совпадает с ним. В метателе образуется нескольких функциональных зон взаимодействия жидкой среды с электрическим полем электрода и диэлектрической направляющей системой: зона ввода среды, зона контактной и электрохимической зарядки, зона полевой эмиссии, зона торможения зарядов средой, зона БУКВ внешнего электрического поля со средой и зона вывода заряженной жидкости. Началом зоны эффективного реологического взаимодействия зарядов со средой является конец зоны торможения. Здесь неоднородное внешнее электрическое поле создает в среде градиент зарядовой концентрации и перепад электрореологического давления. Зоной приложения внешней кулоновской силы к среде является зона эмиссии электронов. Такое применение Кулоновских сил, по сравнению с ионно-конвективным способом ЭГД-преобразования, является абсолютно новым и создает предпосылки для создания энергосберегающих ЭГД-устройств больших габаритов и мощностей-т.е. для создания электротехнологий силовой кулоновской электрогидротраспортной энергетики . Исследования на опытах показали, что проблемы развязки входа и выхода открытого полого гидроканала, а также вывода течения за пределы канала за счет этого вентильного эффекта эффективно решены.

В условиях униполярной проводимости, в отличии от известных ЭГД-устройств,зарядоперенос в жидкой среде имеет уникальную особенность, которая заключается в полном отсутствии рекомбинационных потерь заряда и вихревых течений. Ионные волны в таких условиях имеют высокую зарядовую плотность, испытывают сильное униполярное когерентное воздействие со стороны внешнего электрического поля и проявляют склонность к сохранению формы и коллективному зарядо-массопереносу. Происходит формирование течения, похожего на микроструйное течение, только уже в масштабах волнового канала.

Основным механизмом, поставляющим заряды в среду, является автоэлектронная эмиссия. Рассмотрим механизм формирования зарядовой волны на эмиттере полностью перекрывающей канал. По оценкам [8,10], зона торможения зарядов средой составляет доли миллиметров, этого явно не достаточно для перекрытия канала диаметром 10-15 mm. Следовательно, существуют один или несколько самосогласованных механизмов равномерного распределения инжектируемого заряда по сечению канала в области электрода-инжектора. Такими механизмами являются: Микроструйные миграционные ЭГД-течения развивающиеся в сильных электрических полях сторону понижения зарядовой плотности. Газодинамический механизм зарядопереноса, возникающий в условиях частичного пробоя, и фазового перехода жидкость-газ. Миграционный вынос на периферию канала ионов, получаемых на боковой поверхности электрода-эмиттера путем контактной или электрохимической зарядки среды. В совокупности эти механизмы обеспечивают равномерное распределение избыточного заряда по сечению канала в зоне формирования ионной волны.

Формирование электрореологической ионной волны давления

При эмиссии в жидкую среду избыточные электроны и голые ионы тормозятся средой. Подвижность ионов в процессе сольватации средой снижается на 4 порядка, а электронов — на 7 порядков [5,9]. Переменная во времени подвижность ионов в среде создает условия для “кристаллизации” области избыточного заряда в ограниченном объеме, препятствующем растеканию зарядов. Силы БУКВ выстраивают высокоподвижные ионы в пока еще гомогенной среде на максимально возможном равноудаленном расстоянии друг от друга. Условию равноудаленности соответствует единственно возможная — гексагональная структура расположения ионов в пространстве. Такая структура расположения зарядов обеспечивает наибольшую электростатическую жесткость. Разрушение такой квазикристаллической уже сольватированной структуры может происходить только со свободных поверхностей ОЗ. Внутри метателя таковыми являются фронт ионной волны, а в струе – ее боковая поверхность. В опытах по метанию замечено компактное перемещение струи жидкости в воздухе на довольно большом начальном участке траектории полета. Большой избыточный заряд в СПЖ должен приводить к статическим зарядовым неустойчивостям и стратификации струи, а в опытах это происходит со значительной задержкой по времени. Это свидетельствует в пользу существования механизма “кристаллизации” избыточного заряда в ионной волне.Сущность открытого электрорелогического волнового эффекта состоит в том, что под действием интенсивной импульсной униполярной инжекции заряда в слабопроводящую жидкость в условиях униполярной проводимости вокруг зоны инжекции создаются квазикристаллические ионные волны, обладающие большой электростатической жесткостью и сильной реологической связью со средой и перемещаются вместе с ней, совершая механическую работу в виде ее массопереноса. Движение ионных волн в СПЖ определяется преимущественно униполярным Кулоновским взаимодействием и сопровождается созданием перепада давления на них. Формирование ионных волн в жидкой среде происходит в окрестности полевого эмиттера за время 10^-4 – 10^-3 s. Эффект униполярной проводимости в СПЖ обеспечивается, в частности, при использовании емкостных токов и импульсных режимов питания. Проявление физического эффекта наблюдается в каналах малого сечения, сопоставимых по размерам с зоной торможения зарядов, при использовании неполярных слабопроводящих жидкостей.

Опыты показали важную роль конуса метателя на процессы униполярного зарядомассопереноса. Выяснилось, что конус является по сути концентратором силовых линий электрического поля одновременно усилителем гидростатического давления слабопроводящей жидкости. Экспериментально найден оптимальный угол раскрытия конуса метателя(15-20 градусов).

Откуда избыточная кинетическая энергия у струи метателя?

Анализ результатов экспериментов приводит к выводу, что аномально высокая кинетическая энергии струи является следствием работы потенциального электрического поля вследствие структурной перестройки всей среды. Электрическое поле создает энергетическое возмущение структурных составляющих среды на уровне ионов, молекул и надмолекулярных структур вокруг ионов. Продукты электрополевой химической реакции разложения углеводородов – риформинга представляют собой молекулы, ионы и свободные радикалы непредельных углеводородов.

а) Полевой риформинг. Образование заряженных частиц при риформинге эквивалентно дополнительной ионизации среды, но достигаемой при меньших затратах энергии. В области эмиссии возникает упорядочение хаотического теплового движения частиц в электрическом поле по направлению вектора напряженности электрического поля. Энергия экзотермической реакции разрыва химических связей жидкостей в электрическом поле проявляет себя не только в виде тепла – хаотической кинетики, но и в виде направленной кинетической составляющей, ориентированной по направлению вектора электрического поля. Этот процесс локализован в области наивысшей напряженности поля, то есть на кромке инжектора, там, где происходит полевая эмиссия электронов. Процесс эмиссии электронов начинается при локальных напряженностях поля около 10⁷ -10⁸ V•sm^-1. По концепции Г.А. Месяца, и С.М. Коробейников [6] подтверждает ее для процессов идущих в жидкости, инжекция электронов в сильных полях идет не непрерывным потоком, а в виде токовых порций – эктонов. Общий ток инжекции распадается на серии отдельных токовых импульсов длительностью 10^-9 s, а частота их повторения зависит от тока эмиссии и приложенного напряжения. Колебательный характер тока эмиссии оказывает резонансное воздействие на отдельные химические связи молекул среды. Это означает, что энергия необходимая для резонансного разрыва химических связей исходно может быть много меньше энергии диссоциации, но, накапливаясь в среде в течение многих периодов колебательного воздействия, эта энергия приводит к их разрыву, а выделяемая химическая энергия при этом может быть очень большой, по сравнению с затраченной. Поэтому на кромке эмиттера в области сильных полей создаются условия для течения процессов и риформинга углеводородов и резонансных процессов воздействия электрического поля на жидкую среду, а также анизотропия и коррелированность теплового движения.

б) Направленная сольватация ионов в электрическом поле. Известно что, при инжекции заряды в жидкую среду переходят в виде электронов (при эмиссии) и в виде сухих (голых) ионов при электрохимической перезарядке [5,9]. При сольватации зарядов в жидкой среде всегда создается избыточная энергия, оцениваемая величиной от 70 до 450 kJ•mol^-1 (100 kJ•mol^-1 – среднее значение) приводящая к ее структурной перестройке [9]. Средней молярной оценке приблизительно соответствует энергия равная 1 eV на каждый сольватируемый ион. В условиях спонтанного течения процесса сольватации эта энергия выделяется в среде виде тепла — хаотического движения частиц. Но если процесс происходит в достаточно сильном и регулярном по структуре электрическом поле, в условиях дефицита нейтральных молекул и неравномерной зарядовой концентрации, то с большой долей вероятности создаются условия для согласованного движения ионов и нейтральных молекул, вовлекаемых в сольватные комплексы, по направлению вектора электрического поля. Электростатическая энергия ионов расходуется на создание надмолекулярной структуры в условиях сильной коррелированности хаотических движений формируемых сольватных комплексов, иначе говоря, в виде значительной направленной составляющей кинетической энергии сольватации. Механизм направленной сольватации ионов в сильном электрическом поле также добавляет свой энергетический вклад в механическую энергию движения среды, увеличивая эффективность преобразования.потенциальной энергии электрического поля. Величина этого энергетического вклада энергии сольватации пропорциональна величине инжектированного электрического заряда.и напряженности поля.

Самоорганизация и аномальная энергетика эффекта

Исследования показывают, что обнаруженный ЭГД-эффект электрореологического поршня при метании униполярно заряженной струи во внешнем электрическом поле представляет собой надежно воспроизводимое аномальное энергетическое явление в СПЖ искусственно создаваемое в специально организованных условиях.

Импульсная эмиссия электронов приводит к потере электронейтральности среды. Такое состояние среды является крайне неравновесным и метастабильным, поскольку инжектированный заряд быстро пространственно структурируется, и сольватируясь средой, устанавливает с ней сильную реологическую связь. В этих условиях зарядовая релаксация среды в электрическом поле возможна только через ее направленный массоперенос. Возврат энергетической системы в состояние равновесия, происходящий в соответствии с основополагающим естественнонаучным принципом Ла Шателье, в случае сверхвозбужденного состояния системы может реализоваться через цепь нелинейных аномальных энергетически связанных эффектов, не наблюдаемых в обычных условиях. К числу таких аномальных, не наблюдаемых в традиционных условиях, эффектов, описывающих явление метания можно отнести: 1. Установление аномально сильной реологической связи ионов со средой в ионной волне при их неполной сольватации в условиях высокой зарядовой плотности и локального дефицита нейтральных молекул. 2. Ионно-волновой зарядо-массоперенос, копирующий в гигантских пространственных масштабах известные микроструйные течения. 3. Аномально сильное Кулоновское взаимодействие заряженной среды с внешним электрическим полем в условиях униполярной проводимости, отсутствия биполярного экранирования и невозможности локальной зарядовой релаксации. 4. Направленная сольватация зарядов в сильном электрическом поле. 5. Направленный резонансный электрополевой риформинг углеводородной среды. Источниками кинетической энергии струи являются потенциальная энергия внешнего электрического поля, электростатическая энергия избыточных ионов и внутренняя энергия химических связей в структуре СПЖ. Внешнее электрическое поле в данном эффекте аддитивно передает свою энергию униполярно заряженной среде параллельно через четыре самосогласованных механизмов: БУКВ в резко неоднородном поле эмиттера создает инжекцию зарядов в среду. Средняя напряженность поля в канале метателя оказывает силовое воздействие сразу на все инжектированные ионы. Электроупругое взаимодействие внутри заряженной области среды, примыкающей к эмиттеру, создает силовое дальнодействие для внешней силы, создаваемой за счет БУКВ в области эмиссии. Усиление энергетики и динамики струи осуществляется также посредством биполярного взаимодействия объемного заряда с вытягивающим электродом и электростатической фокусировкой поля конусом метателя.

Почему возникает струя? Согласно основополагающего научного принципа естествознания- о противодействии любой системы любому внешнему возмущению (принцип Ла Шателье)- любое явление можно рассматривать как ответную реакцию системы с целью его компенсации этого внешнего возмущающего воздействия Рассмотрим детальнее- как работает этот общий закон Природы -принцип Ла Шателье в нашем сложном многостадийном механизме формирования и ускорения струи в описанном опыте:

а) возмущающее воздействие. В данном случае внешние возмущающее воздействие на систему метатель-слабопроводящая жидкость(СПЖ) –это сильное электрическое поле. Которое одним потенциалом напрямую воздействует на СПЖ а вторым потенциалом создает концентрацию силовых линий в канале с СПЖ.. Это- приводит к возникновению ОЗ в СПЖ из-за инжектированный импульсом в СПЖ униполярный эл заряда посредством электронной эмиссии.

б) реакция энергетической системы. Возмущенная униполярным ОЗ- гидродинамическая система “ СПЖ +рабочий канал+эмиттер в канале” старается скомпенсировать это внешнее возмущение и посредством Кулоновских сил взаимодействия наэлектризованной униполярно диэлектрической СПЖ с внешним электрополем вытолкнуть этот униполярный заряд на вынесенный за пределы жидкости вытягивающий электрод с тем чтобы вновь разрядить жидкость и сделать ее вновь электронейтральной. Этот сложный динамический процесс не может протекать мгновенно, поскольку СПЖ достаточно быстро усваивает этот заряд и сольватирует инжектированный эл заряд. Именно поэтому и развивается целая последующая цепочка взаимосвязанных электро-физико-химических-электромеханических процессов и превращений в СПЖ под действием первичного импульсного возмущения этого внешнего электрического поля. И поэтому ответная реакция отклика данной сложной гидродинамической системы + воздушный промежуток сложного импульсно заряжаемого двухфазного конденсатора направлена на то, чтобы скомпенсировать. быстрее этот инжектированный заряд, но внешнее поле не дает это сделать мгновенно поэтому и происходит многоступенчатая трансформация этого заряда в метателе с последовательным соединением его и в сольваты в более сложные структуры в жидкости.

в) конечный эффект-возникновение струи Именно движение сольватной униполярно заряженной волны жидкости по принципу электрореологического поршня –с выталкиванием всей жидкости в канале к выходу из конического метателя позволяет наведенному в ней исходно объемного заряда к противоположно заряженному электроду позволяет скомпенсировать возмущающее воздействие, причем с быстродействием обусловленным и форм-факторам и параметрами поля и самой жидкости и конечно введенного в нее униполярного заряда. .Импульсная электрическая зарядка СПЖ через эмиттер порождает значительное кулоновское давление в зоне эмиссии заряда вследствие кулоновского отталкивания сольватной среды с униполярным ОЗ от одноименно заряженного эмиттера. И далее после выхода из зоны кулоновского отталкивания наэлектризованной от эмиттера, струя стремительно набирает скорость и кинетическую энергию. И далее это давление упруго передается нейтральной жидкости приводя ее в движение по каналу навстречу компенсирующему воздействию- противоположному заряду вытягивающего электрода вполне понятно что чем более значительнее по величине инжектированный заряд и чем выше емкость конденсатора и значит и противоположный заряд то тем больше силы кулона и тем быстрее произойдет компенсация возмущения – т.е. наведенного заряда т.е. тем выше скорость струи и ЭГД- волны лее к возникновению ЭГД -волны которая и устремляется силами Кулона по силовым линиям внешнего сильного электрического поля в жидкости к вытяжному электроду. Причем данная ЭГД-волна движется с ускорением по каналу, перемещая перед собой как поршнем и нейтральную жидкость, не успевшую еще приобрести и сольватировать ОЗ Постоянным ускорение струи на разных стадиях процесса обусловлено именно потенциальной энергией и кулоновскими силами под действием именно векторного эл поля, потому что для этого существует несколько взаимосвязанных пружинных механизмов для этого. Вначале она отталкивается от предельно неоднородного эл потенциала того же знака от самого эмиттера -одноименно заряженного электрода(зона БУКВ), затем эта волна униполярных ионов и сольватов ускоряется относительно однородным эл полем в цилиндрической чисти метателя и наконец дополнительно ускоряется в конусе благодаря электростатической фокусировке силовых линий поля и возрастающим кулоновским силам притяжения вблизи зоны неоднородности поля обусловленного формой вытягивающего электрода. Таким образом, компенсирующий отклик данной сложной многофазной системы двухфазного конденсатора в условиях резкого динамического возмущения полем сводится к возникновению динамического перемещения всей униполярно заряженной жидкости к вытягивающему электроду с одновременным извлечением внутренней энергии жидкости и поля, причем на всех стадиях развития струи.

Резюме

Таким образом, весь этот сложный многостадийный процесс возникновения и развития ЭГД волны в униполярно заряженной СПЖ вполне закономерен как явление Природы и весьма хорошо объяснятся с позиции общего принципа противодействия возмущениям –принципа Ла Шателье . И вся последовательность выявленных нами явлений и эффектов в метателе -это по сути логическая цепочка следствий вплоть до полного вылета струи из сопла –это и есть реализуемая в действительности и наблюдаемая в опытах- ответная электрогидродинамическая реакция данной нестационарной импульсной гидродинамической системы на внешнее возмущающее воздействие – т.е. на первопричину возникновения струи – на внешнее импульсное сильное электрическое поле и объемную униполярную зарядку жидкости. Таким образом, обнаруженный в опытах эффект интенсивного зарядо-массопереноса слабопроводящих жидкостей теоретически объяснен как эффект преобразования потенциальной энергии внешнего электрического поля и внутренней химической энергии самой среды в кинетическую энергию движения самой среды.

Перспективы практического использования открытия

К очевидным достоинствам и неоспоримым преимуществам нового класса волновых ЭГД-устройств, которые могут быть вскоре созданы, следует отнести их простоту, разнообразие их конструктивных форм, высокую эффективность, инвариантность к размерам, напряжению питания и средней величине напряженности поля, а также некритичность к режимам частичного пробоя жидкой среды и даже предпочтительность таких режимов работы. Кроме того, следует отметить возможность реализации волновых ЭГД-устройств почти не ограниченных габаритов и выходных мощностей, возможность использования комбинированных режимов питания, высоких перепадов создаваемого давления при больших расходах, отсутствие проблем с выводом течений в магистраль. Высокая эффективность волнового ЭГД-преобразования основана на удивительно совершенном самоорганизующемся волновом механизме зарядо-массопереноса, использовании энергии инжектированных зарядов и внутренней химической энергии самой среды. Высокая эффективность нового ЭГД-преобразования основана на удивительно совершенном самоорганизующемся волновом механизме зарядо-массопереноса под действием кулоновского взаимодействия электрических полей -сильного внешнего электрического поля с наведенным электрическим полем униполярным электрическим зарядов в самой слабопроводящей жидкости Высокую плотность эмиссии электронов и создание униполярного отрицательного обьемного заряда до 10 ^-4 Кл за 10 ^-9 c можно обеспечить эктонным взрывным методом Г.А. Месяца /11/. Расчеты показывают, что в этом случае кулоновская сила отталкивания униполярного объемного сольватированного заряда десятки Кулон, полученного от взрывной эмиссии, от эмиттера с микронным диаметром может достигать десятков –сотен ньютон , что создает импульсные электрогидродинамические давления в зоне острия катода порядка сотен- тысяч атмосфер, Это давление от эмиттера передается кулоновскими силами и электрорелогической волною давления к выходу рабочего канала и усиливается кулоновским ионным ускорителем в канале метателя и посредством электростатической фокусировки его конуса . В результате, как показывают ориентировочные расчеты и опыты, при диаметре отверстия выходного сопла в 1-2 мм рабочее давление этой кулоновской волны слабопроводящей жидкости при закрытом сопле составляет сотни атмосфер.

Новая электрогидроэнергетика

Метод эффективного высвобождения скрытой внутренней энергии поля и жидкостей посредством ЭГД -эффекта открывает ему новые огромные возможности в новой бестопливной энергетике. Рассмотрим некоторые наиболее характерные перспективные применения такой новой энергетики.

Электрогидравлические бестопливные двигатели

Данная технология преобразования скрытой энергии потенциального электрического поля и жидкостей в давление и кинетическую энергию посредством кулоновских электрических сил позволяет создать малозатратные насосы и моторы нового поколения Этот эффект безопорного кулоновского движения наиболее перспективен в кулоногидромоторах.. Поясним это на примере такого нового электрогидравлического масляного(водяного) кулономотора для транспорта.

На рис.3 показана упрощенно конструкция такого поршневого гидромотора Состав элементов устройства энергосберегающего гидравлического мотора перечислен выше.Это простое устройство получения кинетической энергии вращения от поступательного движения поршней 2,4 основано на использовании потенциальной энергии электрического поля и гидроэлектродинамического давления и струи жидкости посредством униполярного ЭГД-эффекта. Основная верхняя рабочая ЭГД-камера снабжена электродом 11 для униполярной электрической зарядки жидкости, например дистиллированной воды. В результате импульсной подачи высоковольтного напряжения от источника 10 возникает явление взрывной электронной эмиссии с электрода 11 при высоких напряженностях электрического поля с электрода – в жидкости создается униполярный объемный электрический заряд до нескольких десятков кулон. Этот электрический заряд сольватируется в жидкости и создает мощные силы кулоновского отталкивания жидкости от электрода 11. Далее электрогидродинамическое давление передается поршню 2 и через воздушный демпфер 3 основному поршню 4. Поршень 4 передает свою кинетическую энергию через шатун 5 и коленвал 6 рабочему приводу мотора, например, для вращения колес экономичного гидромобиля.. Частоту хода поршней регулируют частотой подачи высоковольтных импульсов от блока ПВН, а мощность гидромотора и момент на валу величиной напряжения и величиной эмиссии электронов. По-существу, предложен и частично апробирован высокоэффективный преобразователь внутренней энергии электрического поля и жидкости. Это же устройство может быть использовано и как гидронасос для перекачки жидкости. Данная уникальная технология может быть использована в любой автономной энергетике, например для приведения во вращении высоскоростной турбины на одном валу с электрическим генератором, либо для перекачки слабопроводящей жидкости, например, нефти с последующим прямым преобразованием кинетической энергии сформированного потока в электроэнергию.

Рис. 4 Вихревой совмещенный ЭГД-гидроэнергоузел “гидротурбина- элгенератор”

1. ротор гидротурбины. 2. тангенциальные сопла. 3. центральный впускной патрубок. 4. впускной канал ЭГД-насоса. 6. постоянные магниты. 7. статорные индуктивные обмотки. 7. полый ферромагнитный статор — совмещенный сборник жидкости. 8. возвратный патрубок. Примечание: Устройство ЭГД-насоса на рис 3. не показано. Патрубки 2 и 8 герметично связаны через ЭГД-насос.

Выводы

1. Экспериментально обнаружено и теоретически объяснено новое физическое явление прямого преобразования потенциальной энергии электрического поля в кинетическую энергию путем интенсивного электрореологического коллективного зарядо-массопереноса жидкой диэлектрической среды во внешнем импульсном электрическом поле при интенсивной инжекции в условиях униполярной проводимости.

2. Явление коллективного униполярного зарядо-массопереноса слабопроводящих сред представляет собой определенную самосогласованную последовательность взаимосвязанных электрофизических явлений и эффектов, основанных на кулоновском силовом взаимодействии электрических полей – внешнего электрического поля и внутреннего поля, наведенного униполярным объемных электрическим зарядом в жидкости(риформинга, направленной сольватации , ионного ускорителя и др.).

3. Открытие и предложенный метод положены в основу новой транспортной электротехнологии и уже реализованы в экспериментальных установках и изобретениях- энергосберегающих насосах-форсунках нового поколения. В частности, запатентованы способ подачи, распыления и совмещенный .блок “топливный насос-форсунка –свеча зажигания” для инжекторных моторов /12,13/.

Библиографический список:

Дудышев В. Д. Новые методы извлечения и преобразования потенциальная энергия электрического поля в кинетическую энергию и электроэнергию – “Новая Энергетика” №4/2003 г.http://www.efir.com.ua/rus/a.php?r=2&d=22
Остроумов Г. А. Взаимодействие электрических и гидродинамических полей. М. : Наука, 1979.г..
Стишков Ю. К., Остапенко А. А. Электрогидродинамические течения в жидких диэлектриках. Изд-во ЛГУ, 1989.
Стишков Ю. К., А.А. Стеблянко. Нарушение гомогенности слабопроводящих жидкостей в сильных электрических полях. ЖТФ 1997 т 67 №10
А. И. Жакин. Ионная электропроводность и комплексообразование в жидких диэлектриках. УФН 2003 г., том 173,№1.
С.М. Коробейников. Инжекционный ток и образование пузырьков в сильных резконеоднородных электрических полях. http://sermir.narod.ru/tryd/mechan99.html
А. А. Остапенко. Влияние электрического поля на динамическую вязкость жидких диэлектриков Журнал технической физики, 1998, том 68, № 1 038.
Стишков Ю.К., Павлейно М.А., Буянов А.В. Влияние внешних условий на основные характеристики ЭГД течений. //VI Международная научная конференция «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей. Сборник докладов. СПб. 2000. Стр. 87-92.
В. В. Скорчеллетти. Теоретическая электрохимия. Л. 195911.
С. В. Ивлиев и др . О характерных временах термализации электронов в диэлектрических средах. ЖТФ 1997 Т67 №6
Г. А. Месяц Эктон- лавина электронов из металла –“Успехи физических наук”, 1995 г.,т. 165, №6
Дудышев В. Д. Способ зажигания топливной смеси в ДВС и устройство для его осуществления –пат РФ№2160380 13. Дудышев В. Д. Экологическая безопасность и энергетическое усовершенствование автотранспорта –“Экология и промышленность России” )№5/97 г.
Дудышев В. Д. Способ сжигания топлива и устройство для его осуществления –пат РФ №2160414.