Капиллярно-конденсированная вода и вихревой теплогенератор
Расскажем о предполагаемом механизме получения тепловой энергии в двигателях на воде, предложенном нашим соотечественником академиком Б. В. Дерягиным, который полжизни посвятил изучению капиллярной воды, умер в 1995 г., когда ему оставалось сделать всего один шаг для объяснения того, как работают водяные заменители бензина.
Развивавшиеся представления о наличии в жидкой воде сложных структур - динамических ассоциатов (Н20)n полимеризации воды в полях вращения смыкаются с представлениями школы академика Б. В. Дерягина о свойствах капиллярно-конденсированной воды (ККВ). В статье, посвященной памяти академика, сделана попытка систематизации данных по структуре и свойствам ККВ и особенно подчеркивается роль внешних силовых полей и неравновесности процессов (СВЧ, ультразвука, кавитации, капиллярной конденсации и др.) на образование в воде ассоциатов и ее "полимеризацию", ведущую к переходу воды в жидкокристаллическое состояние.
Переход в такое состояние струи воды при СВЧ обработке, как показано, может даже приводить к появлению у жидкой воды хрупкости - свойства, присущего только твердым телам. Появление хрупкости обуславливается тем, что время релаксации сдвиговых напряжений в такой воде возрастает до ~10.5 сек, в то время как в обычной воде оно составляет -10-11(10 в минус 11 степени) сек. Особенно это проявляется вблизи гидрофильных поверхностей.
Также замечено, что в процессе электролиза в водяных растворах вблизи серебряного электрода в результате "полимеризации" воды происходит ее уплотнение до 1,5 г/см3 на толщине в 3-4 монослоя молекул, примыкающих к электроду. А уплотнение вещества без повышения давления означает возрастание в нем энергии связи, которое должно сопровождаться выделением тепла.
Первоначальные результаты исследований Б. В. Дерягиным так называемой "аномальной" воды, полученной при капиллярной конденсации, не получили научного признания. После короткого бума-шума 60-х годов с "аномальной" капиллярной водой были годы критики и скепсиса. Эксперты утверждали, что он был обусловлен обнаружением значительных уровней неорганических загрязнений в ККВ. Появилось мнение, что Дерягин с сотрудниками изучают не воду, а растворы неконтролируемого состава. И лишь когда исследователи задумались о возможной положительной роли таких "загрязнений", пришло новое понимание явления. Ведь в природе не существует идеально чистой воды, как не существует воды без динамических ассоциатов (Н20)n в ней.
Естественно, возник вопрос, не могут ли атомы неорганических примесей в воде играть какую-то роль при "полимеризации" ассоциатов (Н20)n, называемых еще кластерами, когда они образуют структуры типа многоугольников с числом сторон n до ста. Кластер при электронных возбуждениях ведет себя как единое целое, а при отщеплении электрона ионизируется или вступает в химическую связь.
Исследователями методами ИКи KP-спектроскопии было выявлено, что кластеры при n > 6 уже не имеют кольцевой структуры и обладают 0-Н-связью, которая является донором протонов. Эта связь очень активна, и посредством ее кластеры с n 6 могут вступать в различные соединения, образуя молекулярные комплексы, в том числе с примесными атомами, имеющими незаполненные орбитали V -типа.
По мнению исследователей, при образовании ККВ, основным методом получения которой является конденсация недонасыщенных паров воды на поверхности свежевытянутых кварцевых капилляров в вакууме, происходит "выщелачивание" водой из кварца атомов кремния. Они, взаимодействуя с кластерами (Н20)n >6, образуют молекулярные комплексы Si-(Н20)n. Предполагается, что при этом происходит перенос электронной плотности с О -Н -связи, являющейся двойным донором, на свободную орбиталь атома кремния. В результате осуществляется семипольная (одноэлектронная) связь и образуется сильный комплекс с переносом заряда. При этом свободная орбиталь атома кремния выступает в качестве акцептора.
Энергия связи таких комплексов достигает 2,2 эВ на атом кремния. Действительно, потенциал ионизации кластера, определяемый энергией 0-Н -связей, составляет ~ 4 эВ, а энергия электронного сродства кремния -1,8 эВ.
При образовании комплекса эта энергия выделятся путем излучения фотона. Энергии фотона 2,2 эВ соответствует желтая область спектральных линий, и это объясняет желтоватую окраску капиллярной воды.
Поскольку атом кремния Si имеет четыре свободные орбитали, то он может одновременно вступать в связь с четырьмя кластерами. И при среднем значении числа молекул воды в кластере количество кремния, необходимое для образования ККВ, составляет 0,3-3 ат%, что приблизительно соответствует его содержанию в ККВ.
Роль соединяющего звена в системе кластеров воды могут выполнять не только атомы кремния, но и атомы ряда других неорганических веществ, например щелочных металлов. Но кремний предпочтительнее.
Все это согласуется с идеями Ю. А. Колясникова о роли кварца в формировании структуры воды, о которых говорилось в предыдущем разделе (см.предыдущие статьи данного раздела сайта).
Такая система "заполимеризовавшихся" кластеров обеспечивает ККВ не только повышенную плотность, но и в 10 - 15 раз большую, чем у обычной воды, вязкость. Температура замерзания ККВ снижается до 173 К, а температура перехода ККВ в обычное состояние с плотностью превышает 800 К. Коэффициент диэлектрической проницаемости ККВ тоже увеличивается на 25% по сравнению с обычной водой, в результате чего коэффициент преломления света в ККВ составляет 1,49 вместо 1,33 у обычной воды. Увеличение диэлектрической проницаемости ведет к возрастанию растворяющей способности ККВ вследствие роста ее полярности.
Но несмотря на свою высокую термостойкость, ККВ в обычных условиях (вне капилляров) получить не удавалось, а при выходе из капилляра она быстро деградирует за счет разрыва водородных связей, превращаясь в обычную воду. Поэтому не удавалось получить ее значительные количества.
Тем не менее исследователи отмечают аналогию между поведением ККВ и свойствами метастабильных ассоциатов (Н20)n, образующихся в обычной воде вне капилляров при воздействии на нее звуковых или электромагнитных полей.
Если энергия связи ассоциатов в вышеописанных кремний - молекулярных комплексах составляет 2,2 эВ, то для нагревания воды до кипения за счет выделения этой энергии связи при образовании комплексов достаточно, чтобы в объеме этой воды объединились в такие комплексы всего 10% молекул воды.
Все это укладывается в общую схему тепловыделения в вихревом теплогенераторе за счет образования дополнительных межмолекулярных связей в воде при ее вращении в вихревом потоке. Но такое тепловыделение хорошо лишь для теплового насоса, которому требуется трансформировать низкотемпературное тепло в высокотемпературное. Там же, где нет источника низкотемпературного тепла, такое тепловыделение будет оставаться иллюзией, ибо образующиеся молекулярные комплексы метастабильны и со временем распадаются уже с поглощением тепла из воды, что должно приводить к ее самопроизвольному охлаждению без обмена теплом с окружающей средой, если обмен затруднен.
Принцип действия вихревых теплогенераторов:
-Согласно теории движения, при раскручивании потока воды в вихревом теплогенераторе должно выделяться в виде излучений или тепла 2 Дж внутренней энергии воды на каждый Джоуль энергии, затрачиваемой насосом на раскручивание воды. Следовательно, предельная эффективность теплогенератора при этом не превышает 300%.
-Использование тепловой энергии, запасенной в исходной воде, без изменения ее теплоемкости и структуры не может приводить к нагреву этой воды до температуры, большей исходной. Следовательно, в вихревом теплогенераторе используется не тепло, запасенное в исходной воде, а происходит превращение в тепло другой внутренней энергии воды, например энергии межмолекулярных связей, межатомных и внутриатомных связей и даже внутриядерных связей.
-Вода благодаря водородным связям является самым удивительным веществом в природе, обладающим рядом аномальных свойств. При таянии льда водородные связи между молекулами воды разрываются не все, и в жидкости остаются льдоподобные молекулярные ассоциаты - в основном тетрамеры, образующие при их объединении тетраэдрические правои левовинтовые структуры - цепочки.
-Вихревое движение воды и торсионные поля выстраивают обрывки цепочек тетрамеров воды параллельно друг другу, что облегчает сцепление их концами и "полимеризацию" воды без ее охлаждения. "Полимеризация" сопровождается выделением энергии связи между тетрамерами в виде излучений и тепла.
-Объединения в ассоциаты и комплексы всего 10 % молекул воды достаточно, чтобы выделяющаяся энергия их связи нагрела воду до кипения. Этот процесс можно использовать в тепловых насосах. Там же, где нет внешнего источника тепла, такое повышение температуры воды будет лишь иллюзией тепловыделения, т.к. образующиеся комплексы метастабильны и быстро распадаются уже с поглощением тепла, затрачиваемого теперь на разрыв межмолекулярных связей.
-Если бы выделение внутренней энергии воды в условиях теплогенератора происходило только за счет возникновения временных межмолекулярных связей в воде, то после выхода воды из теплогенератора она должна бы быстро остывать без теплообмена с окружающей средой из-за расходования тепла на разрыв этих связей. Следовательно, "лишнее" тепло вихревом теплогенераторе появляется не за счет образования межмолекулярных связей, а по другой причине, например за счет реакций ядерного синтеза.
-Если в вихревом теплогенераторе идут реакции ядерного синтеза, то тепловыделение из него может быть большим, чем то энерговыделение, которое необходимо по теории движения при ускорении вращения воды. При этом эффективность теплогенератора может превышать 300%.
-В неравновесных условиях распыления воды форсунками и воздействия на нее ударных волн в камере сгорания двигателя, работающего на смеси воды с обычным топливом, молекулы воды могут на короткое время объединяться в кластеры капиллярно-конденсированной воды с выделением энергии связи в виде тепла, затрачиваемого на осуществление рабочего хода поршня двигателя. После этого кластеры, распадаясь в выхлопной трубе двигателя, забирают из выхлопных газов тепло, что повышает эффективность использования тепла, получаемого от сгорания обычного топлива в двигателе. При этом разнообразные добавки к воде, подбираемые обычно методом проб и составляющие "ноу-хау" технических решений такого рода, играют роль не катализаторов диссоциации воды, а вещества, объединяющего молекулы воды в кластеры.
Идея о "полимеризации" динамических ассоциатов воды в полях вращения смыкается с представлениями академика Б. В. Дерягина о свойствах капиллярно-конденсированной воды, состоящей из кластерных комплексов, связанных атомами щелочных металлов или кремния, способствующих образованию винтообразных структур.
В кварцевых капиллярах вода как бы полимеризуется в кластерные комплексы, выделяя при этом значительное тепло и приобретая высокую термостойкость. Академик Дерягин подчеркивал, что так вода должна вести себя не только в капиллярах, но и в неравновесных условиях мощных силовых полей. А ведь при распылении воды в аэрозольные капельки форсункой или карбюратором двигателя вода тоже может на какую-то долю секунды приобретать почти такую же структуру, как в капиллярах. Дело не в том, что жиклер карбюратора - это тоже тончайшая трубочка, почти капилляр. Проталкивая воду через жиклер или отверстие форсунки, мы делаем только подготовительную работу, чтобы разорвать воду на мелкие капельки струей воздуха в карбюраторе как в пульверизаторе. Потом основную работу делают силы поверхностного натяжения полученных микроскопических капелек, вылетающих из карбюратора в камеру сгорания двигателя. Они сжимают воду в микроскопических каплях не слабее, чем в капилляре. Так, при диаметре капелек воды 1 мкм (туман) давление, создаваемое в них силами поверхностного натяжения при комнатной температуре, составляет 0,3 атм. А в аэрозолях оно составляет уже 3-300 атм. (Здесь - коэффициент поверхностного натяжения воды при 25°С.)
Но с повышением температуры воды коэффициент ее поверхностного натяжения, как известно, быстро уменьшается. Казалось бы, что это должно мешать нашей затее уплотнения воды в капельках. Однако для процесса диспергирования воды форсункой или жиклером это как раз полезно, ибо уменьшает работу, затрачиваемую насосом на диспергирование. Чем выше температура воды, тем легче получить более мелкие ее капли, ибо в нагретой воде тепловым движением ее молекул уже частично разорваны старые межмолекулярные связи.
Когда впрыскивание воды осуществляют в струю холодного воздуха, то только охладившись в ней, капли сдавливаются силами поверхностного натяжения до указанных выше давлений. Вот теперь, если их еще и тряхнуть посильнее ударной волной детонации от возгорания бензина, впрыскиваемого одновременно с водой, то вода микрокапелек может на какое-то время превратиться в капиллярную воду. Для объединения кластеров воды в кластерные комплексы под действием сил поверхностного натяжения в неравновесных условиях ударной волны, недостает только атомов кремния или их заменителей в воде. Те таинственные порошки, которые вводили в воду все изобретатели водяных заменителей бензина, и служат этой цели. При их наличии молекулы воды уже охотно и быстро объединяются в кластерные комплексы.
Всего 10-ти процентам молекул воды в капельках достаточно объединиться в кластерные комплексы, чтобы выделилось тепло, достаточное для нагрева всей воды капелек до кипения. А если объединятся 50 процентов молекул, то тепловой эффект такой, как от вспышки порции бензина. И все это тепло содержится в скрытом виде в изначальной воде, дефицита которой у нас пока нет. Это тепло быстро отдается газам и парам в камере сгорания, так как теплопроводность квазикапиллярной воды близка к теплопроводности металлов.
С водой, кстати, после этого ничего плохого не случается, если, конечно, вещество порошка подобрано не вредным для людей и окружающей среды. Ибо через долю жунды квазикапиллярная аэрозольная вода теряет свои особые свойства и становится обыкновенной. При этой релаксации она буквально "пожирает" тепло из окружающей среды - выхлопных газов двигателя - почти столь же интенсивно, как до того выделяла тепло. Но к этому времени уже произошел выхлоп из камеры сгорания, мы уже получили от воды то тепло, которое хотели взять, а выхлопные газы и требуется охлаждать, прежде чем выбрасывать в воздух. Таким образом, и здесь вода работает фактически как рабочее тело теплового насоса. В камере сгорания двигателя она отдает запасенное в ней скрытое тепло, взятое когда-то из окружающей среды, а в выхлопной трубе забирает тепло от выхлопных газов - продуктов сгорания бензина или дизельного топлива. Но в отличие от теплового насоса здесь вода используется всего один раз. Будучи выброшенной из выхлопной тубы в виде капель и паров, она безвозвратно теряется. Но какое все же удачное получается сочетание свойства воды, на мгновение превращающейся в квазикапиллярную и в результате этого самопроизвольно разогревающейся изнутри, со схемой работы двигателя внутреннего сгорания, которому тепло и нужно на мгновение, пока его поршень движется от верхнего положения к нижнему при рабочем ходе.
Рис. Схема вихревого теплогенератора
Вихревой теплогенератор работает так. Вихревую трубу теплогенератора присоединяют инжекторным патрубком 1 к фланцу центробежного насоса (на рисунке не показан), подающему воду под давлением 4 – 6 атм. Попадая в улитку 2, поток воды сам закручивается в вихревом движении и поступает в вихревую трубу 3, длина которой в 10 раз больше ее диаметра. Закрученный вихревой поток в трубе 3 перемещается по винтовой спирали у стенок трубы к ее противоположному (горячему) концу, заканчивающемуся донышком 4 с отверстием в его центре для выхода горячего потока. Перед донышком 4 закреплено тормозное устройство 5 – спрямитель потока, выполненный в виде нескольких плоских пластин, радиально приваренных к центральной втулке, сосной с трубой 3. Когда вихревой поток в трубе 3 движется к этому спрямителю 5, в осевой зоне трубы 3 образуется противоток. В нем вода тоже вращаясь движется к штуцеру 6, врезанному в плоскую стенку улитки 2 соосно с трубой 3 и предназначенному для выпуска «холодного» потока. В штуцере 6 установлен еще один спрямитель потока 7, аналогичный тормозному устройству 5. Он служит для частичного превращения энергии вращения «холодного» потока в тепло. Выходящая теплая вода направляется по байпасу 8 в патрубок 9 горячего выхода, где она смешивается с горячим потоком, выходящим из вихревой трубы через выпрямитель 5. Из патрубка 9 нагретая вода поступает либо непосредственно к потребителю, либо в теплообменник, передающий тепло в контур потребителя. В последнем случае отработанная вода первичного контура (уже с меньшей температурой) возвращается в насос, который вновь подает ее в вихревую трубу через патрубок 1.
В заключение необходимо подчеркнуть, что попытки использования воды вместо бензина или дизельного топлива в обыкновенных двигателях, долго приспосабливавшихся к работе на органических топливах, - далеко не лучший путь. Так, например, попадание воды из рабочих цилиндров в картер может привести к порче картерного масла, да и многие детали системы подачи топлива и выхлопного тракта автомобиля могут окислиться от воды. Необходимо разрабатывать особые двигатели, изначально предназначенные для работы на воде. Первые опытные образцы таких двигателей сконструированы в лаборатории фирмы "ЮСМАР" в Кишиневе. В этом двигателе, вместо поршня с шатуном и кривошипным валом используется вода, выдавливаемая расширяющимися продуктами сгорания из рабочей камеры в турбину. Это упрощает схему силового механизма и избавляет от необходимости изготавливать такие сложные детали, как коленчатый вал, шатуны и поршни. Конечно, эти двигатели пока примитивны и имеют множество недоработок, но они работают. Несомненно, с истощением нефтяных ресурсов, у таких двигателей большое будущее.
К.х.н. О.В. Мосин
Литературные источники и материалы к статье: www.ntpo.com/techno/techno1_7/12.shtml