ПРЕДИСЛОВИЕ
         В СССР патентная новизна изобретения подтверждалась авторским свидетельством. Менее известный факт (и я не знаю, есть ли такая практика в других странах),- существовали свидетельства (дипломы), подтверждающие открытие нового явления. Такие свидетельства выдавались Академией Наук на основе серьёзного обсуждения.

Авторами закрытого открытия “Второе устойчивое состояние вихревого слоя” были доктора наук Михаил Александрович Гольдштик (МАГ) (1930-1997) и Владимир Николаевич Сорокин (1938-2014) (закрытого,- потому что в то время эта тематика была секретной). МАГ был заведующим лаборатории вихревых аппаратов в Институте Теплофизики СОАН, а Сорокин руководил в этой лаборатории экспериментальной группой. (Позднее, в 82м, я выполнял эксперименты на этом же вихревом стенде).

Думаю, что комиссии Академии Наук было несложно подтвердить реальность открытия. Были представлены фотографии вихревого слоя, выполненные через прозрачную торцевую крышку. (Позднее МАГ опубликовал эти фотографии в одной из монографий.)

Жизнь сложилась так, что я тоже открыл новое физическое явление.

В правильности концепции я уверен. С момента первой публикации прошло 9 лет. Последняя статья опубликована в International Journal of Heat and Mass Transfer 107 (2017).

Но, если бы сегодня существовала комиссия, выдающая диплом на открытие, скорее всего я бы получил отказ.

 НАЧАЛО

Я окончил физфак Белорусского Гос. Университета в 1971 году (экзамен Станиславу Станиславовичу Шушкевичу сдал на пятерку) и был распределён в Институт Ядерной Энергетики, где проработал до 93 года. Лаборатория занималась расчётами ядерных реакторов, как тепловыми, так и нейтронными (в том числе участвовала в проекте Вихревой Ядерный Реактор).

Мне повезло. В 75м (или 76м) к нам перевёлся из Новосибирска В. Н. Сорокин. Ему определили место возле меня, наши столы стояли под углом, впритык. И несколько месяцев (пока он получил лабораторию) я впитывал бесценную информацию. Владимир Николаевич Сорокин для меня – Учитель. Стало интересно работать. Мы обсуждали различные проблемы, изобретали… Многократно встречался с Гольдштиком и в Новосибирске, и в Минске. С удовольствием могу отметить, что в его монографии в раздел Вихревой Ядерный Реактор практически полностью вошла моя двухстраничная записка. Мы втроём обсуждали проблему ядерной безопасности (МАГ приезжал в Минск после Чернобыля), и я изложил свои соображения.

Шла нормальная жизнь научного работника в советском НИИ,- аспирантура, диссертация. Но началась перестройка, и в 88м вдруг устроили выборы на должности руководителей. К моему удивлению, меня выбрали заведующим лабораторией. Сорокина выбрали директором института. Одновременно я стал заведующим отделом (в который входило 5 научных лабораторий) и членом учёного совета.

Но перестройка продолжалась, железный занавес упал, евреи поехали. В 90м мои родители (ז"ל) и семья моего брата уехали из Харькова в Израиль. В 93м в Израиль приехали мы.

ПРОДОЛЖЕНИЕ

В 96м мой проект Вихревая Мельница был принят в технологическую теплицу, была основана компания Super Fine Ltd. Через два года проект успешно вышел из теплицы. Группа инвесторов вложила в него достаточно денег, чтобы компания выстояла на начальном этапе. 25 лет компания устойчиво действует на рынке тонких порошков. Конструкция запатентована тремя патентами. Количество сотрудников невелико, и я, к сожалению, являюсь единственным специалистом в области вихревых аппаратов. Ощущаю свою ответственность перед работниками компании и перед людьми, вложившими деньги.

В 2010 году я случайно обнаружил эффект аномального разогрева боковой стенки вихревой камеры (далее Новый Проект). Поняв, какая физика определяет этот эффект, я сразу же пошёл к руководству компании,- которое опечалилось. Мнения в руководстве разделились на нейтральное и отрицательное. Нейтральное говорило – пусть поработает, посмотрим, что из этого получится. Отрицательное утверждало – мы платим ему за то, что он всё время думает о вихревой мельнице, мысли о другом проекте недопустимы. Ситуация сдвигалась в сторону отрицательного мнения и окончилась полным запретом на проведение экспериментов.

Конечно не думать о Новом Проекте я не мог. Более того, я понимаю, что обнаружение эффекта не просто случайность. Вероятность этого события очень мала. Более того, этот эффект случайно продемонстрирован именно мне, обладающему достаточной базой знаний для понимания сути явления. То – есть, мне обозначена миссия, и я должен её выполнять.

Сегодня я пенсионер, продолжаю работать в Super Fine как фри-лансер, снимая комнату для выполнения экспериментов. Проект Highly efficient generation of heat pumps, operating on basis of physical phenomenon "Pressure Gradient Elastic Wave" (PGEW) финансируется отделом главного учёного Министерства Энергетики Израиля.

 НОВЫЙ ПРОЕКТ

По классификации Гольдштика, экспериментальный парадокс - это экспериментально обнаруженное явление, которое временно не имеет адекватного объяснения. В термодинамике таким парадоксом является влияние звука на температурные эффекты в газах. Опубликованы статьи о том, что звук влияет на нагревание, на охлаждение, на сушку…

Температурное разделение в вихревых трубах (эффект Ранка), которое всегда сопровождается громким звуком, также относиться к этому классу явлений.  Вихревые трубы исследуются и используются более 80 лет без адекватного объяснения, как это температурное разделение происходит реально. Огромное количество теорий предложено для объяснения эффекта Ранка. К сожалению, многие из них не выдерживают никакой критики. Вокруг этого эффекта группируется много дилетантов, что в некоторой степени компрометирует всех, кто занимается этой проблемой.

Подход серьёзных исследований сводится к общему представлению, что внутри вихревой трубы образуются горячие и холодные микрообъёмы (например, в результате микро холодильных циклов), которые затем (каким - то образом) разделяются.

Или просто применяется приписываемое Фултону понятие Демон Максвелла, разбрасывающий горячие и холодные молекулы в противоположных направлениях.

Гольдштик, в книге Вихревые Потоки, посвятил эффекту Ранка целую главу. Как обычно он расписал очень сложную систему уравнений, и в конце сделал заключение: (цитирую по памяти) “полная теория эффекта Ранка должна обязательно включать влияние звука”.

Я никогда не занимался вихревыми трубами (эффектом Ранка), но в 95м году был приглашен на работу в проект, по этой теме, который подавался в технологическую теплицу. Проект не прошёл, однако некоторое время я обдумывал этот эффект и разработал свою, на тот момент непротиворечивую, теорию:

Звуковая волна или турбулентность создают в газе флуктуации плотности, состоящие из микрообъёмов сжатия и разрежения. В поле центробежных, сил сжатые (и нагретые) микрообъёмы смещаются к периферии, а разреженные (и охлаждённые) к центру. Интегрирование по объёму и по времени однозначно даёт конечный результат температурной сепарации в вихревой трубе Ранка.

Рабочая камера вихревой трубы представляет собой именно трубку с отношением длинны к диаметру порядка 15÷30. Радиальная скорость потока равна нулю. Поэтому радиальное смещение холодных и горячих микрообъёмов вполне осуществимо.

 Новый Эффект был обнаружен случайно. Мы собрали вихревую мельницу с боковым выходом. Центральным элементом вихревой мельницы является вихревая камера, которая состоит из цилиндрической боковой стенки и двух торцевых дисков нижнего и верхнего. Воздух входит в вихревую камеру тангенциально через сопла, выполненные в боковой стенке. В верхнем диске выполнено центральное отверстие. Мощный закрученный поток воздуха входит в вихревую камеру, смещается от боковой стенки к центру и выходит через центральное отверстие.

Фотография показывает цилиндрическую боковую стенку вихревой камеры, на которой выполнены четыре тангенциальных сопла, соединённые с трубками для подачи сжатого воздуха. На фото видно дополнительное радиальное отверстие для бокового выхода, заглушенное полиэтиленовой трубкой (цифра 1).

       Завершив сборку, я проверял на малом давлении отсутствие утечек воздуха, поочерёдно трогая рукой каждое соединение. Прикоснувшись к боковому выходу, я почувствовал, что полиэтиленовая трубка заметно нагрета.

Понимание, что это проявление эффекта Ранка, пришло сразу. Но одновременно стало понятно, что это наблюдение опровергает мою “теорию” и одновременно многочисленные теории, основанные на представлении о том, что горячие микрообъёмы газа смещаются на периферию вихревого потока. В вихревой камере (фото) отношение высоты (25мм) к диаметру (140мм) равно 0.18. Горячие микрообъёмы (если они образовались в вихревом слое) не могут смещаться на периферию навстречу мощному потоку, движущемуся к центру.

Прошёл месяц. Ночью я проснулся с полным пониманием физической сути обнаруженного эффекта. (В экспериментах на этой вихревой камере было исследовано температурное разделение. В режиме максимальной сепарации, температура на периферии достигала +465°C, а в центре -45°C.)

НЕМНОГО ФИЗИКИ

Волновое уравнение, описывающее распространение волн звукового типа (звук, ультразвук, инфразвук) в газах, получено из единственного предположения, что в газе произошла быстрая флуктуация плотности. Причём результат одинаков как для флуктуации сжатия +Δρ, так и для флуктуации разрежения –Δρ, поскольку эти величины входят в уравнение в квадрате.

Мембрана звукового динамика совершает за один период движение вперёд и назад, создав зону сжатия и зону разрежения. Реально это две волны (сжатия и разрежения), идущие друг за другом. Источник звуковых волн чаще всего совершает колебательные движения или пульсирует, и обычные звуковые волны представляют собой чередующиеся зоны сжатия и разрежения. Сжатие нагревает газ, а разрежение охлаждает его. В точке измерения температуры, нагревание в зоне сжатия компенсируется охлаждением в зоне разрежения. и суммарный температурный эффект равен нулю.

Существуют отдельные волны сжатия (разрыв воздушного шарика, динамическая сирена) и отдельные волны разрежения.

Звуковая волна переносит энергию, полученную от источника звука. Поглощение этой волны, безусловно, должно увеличивать температуру (охлаждение невозможно), но количество этого тепла очень незначительно. Термопары, установленные возле даже очень мощных источников звука, не фиксируют реального изменения температуры.

Важно подчеркнуть, не смотря на то, что в большинстве звуковых процессов нагревание в зоне сжатия и охлаждение в зоне разрежения взаимно-компенсируются, эти компоненты реально существуют, и есть процессы, где они себя проявляют. Пример - стоячая звукового волна, в которой положение зон сжатия и разрежения зафиксировано. Термопары, установленные в зонах сжатия и разрежения, покажут повышенную и сниженную температуры, соответственно (это известный термоакустический эффект).

Открытие, о котором я говорю, это, собственно говоря, утверждение, что в природе существуют Упругие Волны Градиента Давления (Pressure Gradient Elastic Waves). PGEW возникают в некоторых устройствах, когда в пространстве (объёме) одновременно выполнены три условия:

объём заполнен сжимаемой средой (газом);  

в объёме существует градиент давления;

в объёме генерируются флуктуации плотности (звуковые или турбулентные).

         Мы знаем, что в газах существует только два типа упругих волн: ударные волны и волны звукового типа (звук, ультразвук, инфразвук). Важно подчеркнуть, что PGEW не является новым типом упругих волн. PGEW – это волны звукового типа. Как и для всех волн звукового типа, источником PGEW являются флуктуации плотности в газе.  PGEW распространяются в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля со скоростью звука, интерферируют, отражаются, поглощаются.

Отличие PGEW заключается в природе сил, создающих флуктуации плотности, и в направлении их распространения.

Обоснование реальности существования PGEW не требует введения новых физических понятий или сущностей. Четыре физических положения, приведенные ниже, обычно не встречают возражений. Но их принятие является необходимым и достаточным для обоснования реального существования PGEW.

1. Любое воздействие на газ, приводящее к возникновению градиента давления, обусловлено воздействием поля массовых сил, которое можно моделировать воздействием этих сил на микрообъёмы.

Это утверждение основано на практических примерах возникновения градиента давления под воздействием гравитации, под воздействием сил инерции, при вращении и т.д.

2. Любое быстрое возмущение, приводящее к возникновению флуктуации плотности в газе, создаёт упругую волну звукового типа

Эта формулировка принципа Гюйгенса для газов подтверждена математически.

3. Силы давления являются быстродействующими силами, скорость которых выше скорости звука.

4. Зоны флуктуации плотности в газе могут рассматриваться как микрообъёмы, на границе которых воздействуют силы давления.

Это утверждение лежит в основе исследований явления свободной конвекции. Свободная (естественная) конвекция создаёт спонтанный поток жидкости или газа, который возникает под воздействием полей массовых сил (гравитационных, центробежных и т. д.).

 Рассматривая объёма газа (или жидкости), в котором существует градиент давления, как физическую систему, мы можем утверждать, что эта система является неравновесной так-как на неё действует внешняя сила. (Расчёты переноса энергии PGEW выполняются с использованием неравновесной термодинамики). К этим системам относятся все устройства, в которых газ (жидкость) вращается, ускоряется, тормозиться и т. д. Мы живём в неравновесной физической системе, на которую воздействует гравитация. Свободная (гравитационная) конвекции возникает благодаря градиенту давления в атмосфере. Всем понятно,- более плотный холодный воздух опускается вниз в сторону большего давления, более лёгкий нагретый воздух поднимается вверх в сторону снижения давления. От работ Рэлея до современных статей, концепция свободной конвекции рассматривает силы Архимеда, действующие в условиях градиента давления на границах микрообъёма, когда плотность газа или жидкости в этом микрообъёме отличается от плотности окружающего газа.

Распространим изложенную выше идею на случай звуковой (или турбулентной) флуктуации плотности внутри объёма газа, в котором существует градиент давления. Эта флуктуация состоит из смежных зон сжатия и разрежения. По закону Архимеда на границах зон флуктуации существуют равнодействующие сил давления, которые, как и в случае естественной конвекции, для зон сжатия и разрежения направлены в противоположные стороны. Звуковая флуктуация развивается со скоростью звука. И всё это время на границах зон флуктуации действуют более быстрые силы давления, создавая вторичное возмущение плотности, и, в соответствии с принципом Гюйгенса, создавая вторичные волны.

Это и есть – Волны Градиента Давления, PGEW.

PGEW направлены вдоль вектора градиента давления. В каждой точке пространства, куда дошла обычная звуковая волна, градиент давления создаёт PGEW (волну сжатия и волну разрежения). Волна сжатия переносит реальный нагрев и направлена в стону увеличения давления, а волна разрежения, несущая холод, направлена в противоположную стону снижения давления. В газах, заполняющих реальные установки, PGEW практически не поглощаются (как и звуковые волны). Интерференционное взаимо-погашение волн PGEW происходит на стенках, ограничивающих зоны максимального и минимального давления или в точках экстремума (центр вращения).

PGEW представляют собой последовательность волн сжатия, несущих тепло и распространяющихся в сторону высокого давления, и последовательность волн разрежения, несущих холод и распространяющихся в сторону низкого давления. PGEW - это природный тепловой насос. Если эти волны возникают внутри объёма, то стенка, ограничивающая зону высокого давления, нагревается, а стенка (или область) в зоне низкого давления охлаждается.

PGEW безусловно возникают в земной атмосфере и в атмосферах планет и солнца.

Теплоперенос PGEW полностью описывает температурное разделение в вихревых трубах (эффект Ранка) и в трубках Гартмана-Шпренгера. Понимание физики процесса позволяет модернизировать и улучшить эти устройства.

С большой уверенностью можно говорить о возможности создания нового типа тепловых насосов, которые будут более эффективны, чем существующие сегодня. Когда будут созданы тепловые насосы с величиной коэффициента преобразования тепла СОР более 4÷5 в интервале температур 100÷150°С, будет возможен качественный прорыв в электроэнергетике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новая концепция PGEW обязательно будет принята научным сообществом. Мои статьи и доклады на конференциях замечены. Об этом можно судить по многочисленным приглашениям публиковать статьи и выступать с докладами. Однако раскрутка идёт медленно.

Очень небольшая группа учёных поняли и приняли её сразу. Большая часть проявляет здоровый скептицизм, делая вывод – это интересно и может быть серьёзно. Есть резко отрицательные отзывы (рецензентов), обычно без аргументации. Скорее всего это те, кто сделал карьеру на теориях, которые опровергаются моими исследованиями.

Основная причина медленной раскрутки то, что я работаю один. Мне не удалось привлечь к этой теме профессоров израильских университетов, где сконцентрирована наука. Финансирование Министерства Энергии Израиля позволяет создавать экспериментальные установки и продолжать исследования. Сейчас главное создать команду единомышленников. Для этого необходимо серьёзное финансирование. Нужно привлечь студентов и аспирантов к этой тематике. Несколько специалистов в США ищут финансирование для совместной работы. Группа учёных в Минске (которые меня хорошо знают) готовы включиться в работу (финансирование обещано из Китая). Сегодня я открыт для любой кооперации, позволяющей интенсифицировать работы по этому направлению.

ПУБЛИКАЦИИ

В первой статье (Beliavsky Y., Experimental investigation of a temperature separation effect inside a short vortex chamber, Proceedings of the 9th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Malta, July 2012, pp. 1482-1487) опубликованы результаты экспериментов и предложена концепция Pressure Gradient Elastic Waves.

В статье (Beliavsky Y., Experimental arguments in favor of heat transfer in compressible fluids by Pressure Gradient Elastic Waves. International Journal of Heat and Mass Transfer, volume 107 (2017), pages 723–728) аккумулированы эксперименты, подтверждающие правильность концепции.

Патент: (US 9670938 B2, Jun.6, 2017, EUR EP2861918)

Все публикации можно прочесть на английском и русском языках на сайте www.pge-wave.com