Волна Градиента Давления
Процесс Переноса Энергии в Газах
Волны Градиента Давления (ВГД)
Pressure Gradient Elastic Waves это волны звукового типа.
Они распространяются со скоростью звука, отражаются, интерферируют…
Этот сорт волн обладает уникальными свойствами.
Возникновение ВГД в объёме приводит к интенсивному переносу энергии, что проявляется в нагревании и охлаждении стенок этого объёма.
Автор открытия
Др. Ян Белявский
Исследование явления переноса энергии
Волнами Градиента Давления
финансировалось в 2014–2015 и в 2020 – 2022 Министерством Энергии Израиля
Для выполнения работ по этому проекту
создана компания PG Wave Ltd.
Мы знаем, что звук влияет на температурные процессы в газах. Опубликованы стати о влиянии звука
на нагревание, на охлаждение, на сушку.
К этому же классу явлений следует отнести
температурное разделение в вихревых трубах
(эффект Ранка)
и нагревание дна полости, установленной напротив сопла
(эффект Гартмана-Шпренгера).
Работа этих устройств всегда сопровождается громким звуком
Временное отсутствие адекватного объяснения
вынуждало нас относить эти явления к
экспериментальным физическим парадоксам.
Др. Белявский обнаружил температурное разделение, работая с вихревой камерой (Статья 1). Температура на периферии достигала + 465⁰С, а температура в центре снижалась до ‒ 45⁰С (воздух поступал в вихревую камеру при комнатной температуре).
Dr. Beliavsky unexpectedly discovered temperature separation while working with a vortex chamber (Article 1).
The temperature at the periphery
reached + 465 °C and the temperature in the center decreased to ˗ 45°C (air entered the vortex chamber at room temperature ~20°C).
Обнаруженный эффект не мог быть объяснён
существовавшими ранее теориями.
Это обстоятельство побудило Др. Белявского
к дополнительным исследованиям
и к пониманию физики явления.
Быстрая флуктуация плотности всегда создаёт в газе
упругую волну звукового типа.
Это положение доказано математически
(в предположении о возникновении
однократной флуктуации сжатия или разрежения).
Быстрое сжатие газа приводит к его разогреву,
быстрое расширение – к охлаждению.
Обычно источник звука колеблется или пульсирует,
и звуковая волна представляет собой
совокупность волн сжатия и разрежения,
которые чередуются и удаляются от источника звука.
Нагревание в зоне сжатия компенсируется охлаждением в зоне разрежения, поэтому температура в любой точке пространства,
где присутствует обычная звуковая волна не изменяется.
Волна Градиента Давления возникает,
когда в области пространства или в объёме
одновременно выполняются три условия:
Объём заполнен сжимаемой средой (газ).
Внутри объёма или области пространства существует градиент давления (гравитация, вращение, ускорение, замедление…).
Внутри этого объёма существуют флуктуации плотности (мощный звук, турбулентные пульсации)
В этих условиях на зоны звуковой (турбулентной) флуктуации плотности по закону Архимеда
действуют результирующие силы давления.
Действие этих сил быстрее скорости звука.
Эти силы дополнительно воздействуют на газ,
создавая вторичное возмущение,
которое в соответствие с принципом Гюйгенса,
создаёт вторичную волну. Это и есть
Волна Градиента Давления
Обоснование существования ВГД
не требует введения новых физических сущностей
и основывается на классической термодинамике,
точнее на неравновесной термодинамике
(системы с градиентом давления,
который возникает при воздействии внешних сил).
Наиболее простой способ обосновать существование ВГД
– это аналогия с явлением естественной конвекции.
Рассмотрим мысленный эксперимент
а) b)
На схеме вверху два удлинённых объёма,
заполненных газом, находящиеся в силовом поле,
создающем градиента давления
(гравитация, вращение…).
Вектор градиента давления направлен сверху вниз в сторону увеличения давления.
На стенке объёма (a) справа установлены пластины,
которые создают в прилегающем пространстве
нагретый и охлаждённый объёмы.
Теория конвекции рассматривает баланс сил,
действующих на границы объёма по закону Архимеда. Результирующая сила давления, смещающая объём, возникнет, когда плотность газа внутри объёма будет отличаться от плотности окружающего газа.
Очевидно, холодный микрообъём (более высокой плотности) будет, смещаться в сторону увеличения давления (вниз),
а нагретый (более низкой плотности)
— в противоположном направлении (вверх).
На стенке объёма (b) слева установлен источник звука, который создал звуковую флуктуацию плотности
с образованием смежных зон сжатия и разрежения. Акустические процессы изучаются в рамках
классической термодинамики,
поэтому мы можем обоснованно рассматривать баланс
сил давления, действующих на границы этих зон
(так же как в явлении конвекции).
По закону Архимеда, результирующие силы,
действующие на зоны сжатия и разрежения звуковой волны, не равны нулю, так как плотности в этих зонах
сместились от равновесных значений.
Эти силы направлены вдоль вектора градиента давления.
На зону сжатия сила действует
в направлении увеличения давления,
а на зону разрежения в противоположном направлении
— в сторону уменьшения давления.
Важным отличием от рассмотренного выше явления конвекции является адиабатический характер звуковых процессов. Поэтому зона сжатия в газе нагрета,
а зона разрежения охлаждена.
Давление в газах определяется средней скоростью молекул,
которая выше скорости звука.
Звуковые флуктуации плотности
развиваются со скоростью звука.
На эти зоны действуют более быстрые силы давления, создавая дополнительное вторичное возмущение плотности. Это вторичное возмущение (согласно принципу Гюйгенса) обязательно создаёт вторичную упругую волну.
В соответствии с принципом суперпозиции
эту волну можно рассматривать отдельно. Это и есть
Волна Градиента Давления.
ВГД состоят из фронта сжатия и фронта разрежения.
Однако в соответствии с направлением сил,
создающих звуковые возмущения плотности,
фронт сжатия ВГД направлен в сторону увеличения давления, а фронт разрежения ВГД – в противоположном направлении (в сторону уменьшения давления).
ВГД возникают в каждой точке объёма,
внутри которой произошли флуктуации плотности.
Эти волны представляют собой
совокупность волн сжатия,
распространяющихся в направлении увеличения давления,
и совокупность волн разрежения,
распространяющихся в противоположном направлении.
В ограниченном объёме ВГД нагревают стенку, ограничивающую зону высокого давления,
и охлаждают стенку (или область) сниженного давления.
В таком объёме ВГД переносят энергию из зоны низкого давления в зону высокого давления.
Волна Градиента Давления
это уникальный природный тепловой насос
Концепция ВГД объясняет эффекты Ранка и Гартмана –Шпренгера, а также другие температурные эффекты в газах.
Понимание физики явления позволяет улучшить характеристики существующих и создать новые устройства, работающие на этом принципе.
Предварительные оценки позволяют обоснованно полагать, что эти устройства будут существенно более экономичными, чем существующие.
Результаты исследований опубликованы в статьях и докладывались на многочисленных конференциях
Что это все может нам дать?
Будет создан новый класс тепловых насосов, которые обеспечивают охлаждение и обогрев (например, бытовые кондиционеры). Новые устройства могут работать на любом газе. Фреоны не понадобятся.
Это снизит влияние парниковых газов на климат.В новых тепловых насосах, работающих на Волнах Градиента Давления, рабочей средой являются газы.
Поэтому они могут работать в любом диапазоне температур (в том числе и ниже 0°С). Таким образом, даже при низком значении COP~2 эти устройства позволят в 2 раза сократить потребление электроэнергии на отопление в зимний период в странах с холодным климатом
(США, Канада, Россия, северная Европа).Понимание физики явления ВГД позволяет нам обоснованно надеяться, что эти установки будут более эффективными, чем используемые сегодня.
Мы ставим цель получить значение коэффициента преобразования энергии COP новых тепловых насосов более 4 (сегодня 2–3).
Это даст значительную экономию электроэнергии.