Читать книгу Сборник авторских физико-технических идей и решений в области фильтрации и разделения потоков и материалов в технических системах - Группа авторов - Страница 2

Очистка воды остаётся одной из ключевых тем XXI века – с точки зрения экологии, здравоохранения и индустриального развития. Среди многочисленных методов водоочистки особое внимание вызывают технологии, использующие природные принципы, не требующие химической обработки и обладающие повышенной энергоэффективностью. Одним из таких направлений являются вихревые методы очистки, основанные на управлении структурой и кинематикой потока.

Эффект направленного завихрения в трубчатых объёмах (т. н. эффект Ранка), открытый в 1931 году Жоржем Ранком, продемонстрировал, что закрученный поток способен разделяться на зоны с различными физическими параметрами – температурой, давлением, плотностью. В газообразной среде было доказано, что вихревой поток сам по себе порождает температурное разделение на «горячий» и «холодный» выходы – без применения нагревательных или охлаждающих элементов. Этот эффект положен в основу работы вихревых труб (трубок Ранка–Хильша), которые нашли широкое применение в компактных системах охладителей сжатого воздуха.

Открытие Ранка вдохновило исследователей на изучение подобных процессов и в жидких средах. Европейским пионером в этой области стал Виктор Шаубергер, который одним из первых отметил, что вода в природных горных потоках движется по спиральным траекториям, и что такие завихрения не только очищают воду, но и меняют её внутреннюю структурную организацию.

Физический принцип вихревой очистки

Эффект Ранка можно адаптировать для работы с водой в вихревых трубах соответствующей геометрии. Если вода вводится в устройство тангенциально (по касательной) к оболочке, то создаётся мощное закрученное течение, при котором действует центробежная сила. Эта сила направлена от оси вращения к стенке и стремится вынести наружу любые тяжёлые фракции – песок, ржавчину, взвешенные и коллоидные частицы.

Суть разделения заключается в следующем:

– На периферии образуется поток с большим содержанием плотных и загрязнённых элементов – этот поток выводится через «горячий» выход.

– Центральная ось потока, наименее загрязнённая, выводится по осевой линии – это и есть «очищенная» вода, проходящая через «холодный» выход.

Таким образом, без применения химикатов и сменных фильтров, методом естественного закручивания потока происходит разделение воды по плотности примесей.

Исторический опыт и экспериментальные данные

Одним из первых устройств для вихреподобной очистки воды стало изобретение Виктора Шаубергера, который предложил контррельсу, изогнутую дугообразно, размещённую внутри трубы с двойной спиральной геометрией. Такое устройство направляло поток воды в «естественную» спираль, имитируя движение воды в дикорастущем ручье. По утверждениям Шаубергера, такая форма не только повышала очистку, но и структурировала воду, приближая её к состоянию родниковой, сохраняющей «живые» свойства. Его последователи отмечали рост биологических показателей и щелочность воды после обработки.

В более недавнее время, в Датском институте экологической техники были протестированы насадки на водопроводные краны, разработанные с использованием идей Шаубергера. По результатам испытаний, после прохождения воды через вихревую насадку наблюдалось:

– повышение pH воды (сдвиг в щелочную сторону),

– снижение количества микроорганизмов,

– улучшение вкусовых качеств.

Наиболее интересный результат был получен при сравнении традиционных и вихревых методов очистки сточных вод:

– Необработанная вода – остаточное количество бактерий 640 000 см3

– Озоновая обработка – остаточное количество бактерий 95 000 см3.

– Вихревая обработка – остаточное количество бактерий 5 000 см3.

Разница в числах указывает на превосходство вихревого метода более чем в 25 раз по сравнению даже с активной химической обработкой озоном. Также было отмечено исчезновение характерного запаха после 15 минут, а также осаждение органических остатков на дне колонки – без дополнительной фильтрации.

Изменение структуры воды и молекулярные процессы

Вода имеет сложную, не до конца изученную структуру на микроуровне. Считается, что молекулы воды могут объединяться в квазистабильные кластеры, размеры и конфигурация которых влияют на растворимость, биологическое поглощение и химическую активность воды. Под действием вихревого потока эти кластеры частично разрушаются и переупорядочиваются, увеличивается содержание активных молекул и уменьшается поверхностное натяжение.

Также наблюдается увеличение текучести и улучшение моющих свойств воды после вихревой обработки.

Состояние технологии и перспективы развития

Несмотря на очевидные преимущества, вихревые технологии водоочистки на текущий момент используются ограниченно. Практически они внедрены лишь как часть многоступенчатых схем на стадии грубой очистки – для удаления песка и других крупных фракций. Причины этого:

– Технические сложности в разгонке жидкости до сверхвысоких скоростей, необходимых для удаления мелкодисперсных частиц и микроорганизмов.

– Слабая теоретическая база, объясняющая роль вихрей в очистке воды на молекулярном уровне.

– Скептицизм со стороны традиционной науки к «структурированной воде».

Однако потенциал направления очевиден. При увеличении скорости завихрения в устройствах нового типа возможно удаление даже бактерий или вирусов – при условии оптимальной геометрии и управляемых параметров потока.

Заключение

Вихревые методы очистки воды на основе эффекта Ранка и гидродинамических процессов Шаубергера обладают высоким потенциалом. Они способны обеспечить эффективное, бесреагентное, экономичное и экологически безопасное удаление механических, микробиологических и биохимических загрязнителей – за счёт фракционного разделения в закрученных потоках.

Ключ к раскрытию потенциала данной технологии лежит:

– в разработке высокооборотных, компактных вихревых модулей с управляемыми параметрами потока;

– в проведении крупных полномасштабных экспериментов;

– в внимании со стороны научного сообщества и привлечении инвестиций в разработку.

Повышение роли вихревых систем в водоподготовке может стать важным элементом будущего безреагентной фильтрации, особенно в условиях дефицита пресной воды и экологической нагрузки на классические станции очистки.