книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

верхностями лопастей крыльчатки (смачивание, адгезия) оказыва- ло значительное гидравлическое сопротивление потоку осушаемого воздуха, снижая эффективность сепарации влаги.

Практически, плёнка влаги на шероховатых поверхностях лопа- стей крыльчатки тормозила поток осушаемого воздуха, неудовлетво- рительно перемещалась и вновь дробилась.

Крыльчатка вращалась с постоянной максимальной скоростью,от- бирая энергию из потока воздуха. Подшипники крыльчатки утяжеля- ли сепаратор, что неприемлемо для летательных аппаратов, нужда- лись в смазке и защите от коррозии.

Чтобы перейти отмолекулярных сил препятствующих процессу се- парации к молекулярным силам противоположного назначения, по- требовалосьсоздание иного устройства сепаратора (заявка на изобре-

тение 5009957/29 (074984) от 05.11.1990 г.). Положительное решение патентной экспертизы по форме 10И–90 от 22.09.1994 г.

В заявленном устройстве сепаратора лопасти крыльчатки выпол- нены из металлического сеточного материала,проницаемогодля воз- духа и непроницаемого для капельной влаги.

Для лопастей крыльчатки выбрана мелкоячеистая (0,1 ÷ 0,2 мм 2) металлическая сетка, выпускаемая промышленностью (допустимо применение других пористых материалов).

Набор из нескольких металлических сеток обеспечивает много- слойную структуру материала лопастей крыльчатки и существенно снижает её вес.

Такое конструктивное исполнение лопастей крыльчатки позволи- ло упаковать процессы фильтрации,коагуляции (укрупнения) и пере- мещения влаги во внутреннюю структуру набора сеток, где наиболее эффективно действуют молекулярные силы (капиллярность, коагуля- ция, адгезия, смачивание, поверхностное натяжение).

90

Сепаратор роторный содержит: 1 — крыльчатку; 2 — камеру сбора влаги; 3 — кожух крыльчатки; 4, 5 — входной и выходной патрубки; 6 — кромку лопастей крыльчатки; 7, 8 — газовые опоры; 9 — линию наддува; 10 — камеру отбора воздуха; 11 –кольцевую щель.

Влажный воздух поступает в сепаратор слева направо, вращает крыльчатку и,освободившись откапельной влаги,поступаетна выход в отсеки летательного аппарата.

Процесс сепарации в таком устройстве осуществлялся следующим образом.

Воздух, содержащий аэрозоль влаги, проникает через сеточную структурулопастей крыльчатки 1 и оставляетвлагу в ячейках сеточно- го материала.По мере накопления и заполнения ячеек жидкой влагой создается дополнительное гидравлическое сопротивление движению воздуха через сеточную структуру лопастей.

Это приводит к возрастанию скорости вращения крыльчатки 1, установленной на газовых опорах 7 и 8, не имеющих веса, не требую- щих смазки и защиты от коррозии.

Поддействием капиллярных ицентробежныхсил жидкая влага пе- ремещаетсявнутрисеточнойструктурыкперифериилопастейкрыль- чатки 1 в места наибольшей плотности упаковки сеточного материала и концентрируется у кромок 6. С кромок 6 жидкая влага вытесняет- ся в зазор между крыльчаткой 1 и камерой сбора влаги 2. Валик этой влаги перемещается по внутренней поверхности камеры сбора влаги 2 в её нижнюю часть, предназначенную для сбора жидкости, а затем из неё удаляется за пределы летательного аппарата.

91

Освободившиеся от влаги ячейки сеточного материала крыль- чатки вновь приобретают способность пропускать через себя поток воздуха, фильтровать и задерживать аэрозольную влагу, то есть, по- следовательно и непрерывно приводятся в действие процессы филь- трации, капиллярного и центробежного перемещения, коагуляции жидкой влаги в зависимости от наличия аэрозольной влаги в воз- душном потоке.

При поступлении в сепаратор сухого воздуха его поток по наикрат- чайшей траектории и практически без затрат энергии на вращение крыльчатки 1 поступает в выходной патрубок 5 и затем в отсеки ЛА.

Новые технические возможности позволяют создавать материалы с уникальными свойствами пригодные для создания объектов тех- ники с неограниченными техническими возможностями. Например, для создания нового материала с высочайшими гидрофобными свой- ствами учёные применили фемтосекундные вспышки лазеров для «травления» поверхности металлов. Очень быстрые и интенсивные вспышки лазеров создают на поверхности металла микро- и наноразмерные узоры, меняя структуру вещества. Благодаря этому по- верхностный слой металла может захватывать воздух и удерживать его (явление адсорбции), что делает поверхность металла «суперги- дрофобным» или водоотталкивающим.

Это может привести к созданию непотопляемых судов. Или созда- ватьэлектронныеустройстваидругиеизделия,плавающиенаповерх- ности воды и быть практически полностью водонепроницаемыми.

Адсорбция (с лат. «поглощаю») это явление захвата, концентрации и удержания газа или жидкости поверхностью твёрдого тела (адсор- бента). Адсорбирующая поверхность особо велика у пористых мате- риалов. Высокой способностью адсорбировать огромное количество газа обладает активированный уголь. Наиболее важное применение активированного угля это улавливание отравляющих газов с помо- щью противогазов. Адсорбенты используют также для извлечения различных растворённых веществ (адсорбата) из жидкостей.

Испарение и конденсация, диспергирование и коагуляция

Испарение — это явление перехода вещества из жидкого или твёр- дого агрегатного состояния в газообразное состояние или пар. Все вещества испаряются. Обратный переход, когда вещество из газоо- бразного состояния или пара вследствие его охлаждения или сжатия уплотняется или конденсируется вновь в жидкое или твёрдое агре- гатное состояние, называется конденсацией. Оба перехода относятся к фазовому переходу 1 рода. Противоположность этих переходов за-

92

ключается не только в изменениях агрегатного состояния вещества, но и в различиях уровней энергии. Испаренное вещество энергети- чески более насыщенное теплотой испарения. Поэтому для испаре- ния любого вещества требуется траты энергии, в частности тепловой. Теплота испарения или парообразования используется в паровых ма- шинах для превращения тепловой энергии в механическую работу.

Круговой процесс (или цикл), выведенный французским инжене- ром Сади Карно, описывает работу гипотетически высокоэффектив- ного (идеального) теплового двигателя. Работа такого двигателя мож- нопредставитьввидепоследовательногодействияпротивоположных сторон кругового процесса. С одной стороны действуют процессы изотермического (при постоянной температуре) и адиабатического (без подвода тепла) расширения, затем, с другой — процессы изотер- мического и адиабатического сжатия. Подпитывая энергией первую из сторон процесса, можно получить движущийся процесс периоди- ческого расширения и сжатия.

Превращение вещества из газообразного состояния или пара

вжидкое или твёрдое агрегатное состояние сопровождается возвра- томтеплоты,затраченнойнаиспарениесконденсировавшегосявеще- ства.Охлаждение при испарении и выделениетепла при конденсации используется в технике и играет важную роль в Природе, например,

вформировании климата.Испарениетвёрдых веществ называют воз- гонкой или сублимацией. Процесс испарения применяется в методах сушки материалов, перегонки, очистки веществ. Он положен в осно- ву работы ДВС, холодильной техники. Конденсация, наряду с испаре- нием, применяется в энергетике, в химическом производстве, холо- дильной и криогенной технике, в опреснительных установках. Одно без другого не существует,например,в круговороте воды в атмосфере Земли. Испарение происходит со свободной поверхности жидкости или твёрдого тела, к которым осуществляется постоянный подвод тепла. Конденсация происходит обычно на охлаждаемых поверхно- стях — поверхностях, где осуществляется постоянный отвод тепла. В закрытом пространстве над свободной поверхностью испаряющей- ся жидкости образуется насыщенный пар, плотность и давление ко- торого при неизменной температуре постоянны, но они различные у разных веществ и повышаются с ростом температуры. Чем больше поверхностноенатяжениежидкости,темменееоналетучаитеммень- ше давление её насыщающихся паров. Давление смеси газов и паров, находящихся в равновесии с жидкостью, равно сумме парциальных давлений составных частей смеси.Если давление насыщающих паров становиться равным или несколько больше внешнего давления,то ис- парение переходит в кипение,что пригодно для измерения внешнего давления, например, атмосферного. Теплоотвод в режиме пузырько-

93

вого кипения является наиболее эффективным способом охлаждения. Кипения жидкости достигают не только при нагревании жидкости, но и при понижении внешнего давления. Снижение внешнего давле- ния может вызвать перегрев жидкости и её вскипание. Переменное внешнее давление применяется в методе «холодного кипения» (ми- кровзбивании) для эффективной и качественной очистки воды. В ре- зультате резких перепадов давления происходит выброс паровоздуш- ных пузырьков, благодаря чему из воды высвобождаются активные окислители: кислород, озон и перекись водорода, которые связывают тяжёлые металлы и опускают их на дно. Вода получается идеально чистой. Осадок пригоден для переработки, так как содержит ценные металлы — никель, медь, железо.

Вскипание жидкости подобным образом происходит и в явлении кавитации: образование паровых схлопывающихся пузырьков в ме- стах пониженного давления жидкости,например,в вихревых потоках за гребными винтами судов. Удары схлопывающихся пузырьков пара при работе винта о поверхности винта приводят к его разрушению. Форма гребного винта должна быть плавной обтекаемой, исключаю- щей завихрения потока отбрасываемой жидкости.

В изобретении а. с. 412062 на «Способ предупреждения кавита- ционной эрозии гидродинамических профилей» защитный слой на поверхности профиля водного крыла создают намораживанием корки льда, которую по мере разрушения от кавитации непрерывно восстанавливаютнамораживанием,поддерживаятолщину защитного слоя в установленных пределах, исключающих оголение поверхности и её эрозию от действия кавитации.

Для осуществления способа внутренняя полость (А) профиля крыла

3 задействована в качестве испарительной камеры холодильника (ри-

сунок слева).

Схема намораживания льда со-

держит: 1 — корпус судна; 2 — пилон; 3 — крыло; 4 — корка льда; А — полость испарительной камеры холодильника.

Различие температур точек кипения веществ применяется в тех- нике для разделения их на составные части, например, при пере- гонке нефти получают бензин, керосин, масла, мазут. При испарении жидкого воздуха получают газы сначала с более низкой температу- рой кипения (неон, азот), затем с более высокой температурой кипе- ния (аргон, кислород). Температура, при которой плотности жидко-

94

сти и пара становятся равными, называется критической. Выше неё (сверхкритическая) существование двух фаз и жидкости и пара нару- шается, образуется некое промежуточное состояние.

Для ожижения газов с низкими критическими температурами их необходимо охлаждать ниже этих температур.

Для газов с высокими критическими температурами достаточно сжимать их при возможно низкой температуре.

Диспергирование (рассеивание) — измельчение твёрдых тел в по- рошок или распыление жидкости на капли (в аэрозоль) применяется, например, в технике пылеподавления.

В изобретении а. с. 256708 «Способ подавления пыли в горных вы- работках»осуществленазаменаизвестногоспособаподавленияпыли, основанного на применении туманообразователей в комбинации смеханическимираспылителямиводы,которыенаходятсявпротиво- положных местах выработки (то есть, в расставленных по выработке заградительных завесах). Для замены предложен следующий способ: чтобы предотвратить распространение тумана по выработкам и сно- са его с источника пылеобразования, подавление пыли производят одновременно тонко диспергированной и грубо диспергированной водой по следующей схеме: вокруг конуса тонко диспергированной воды создают плёнку из грубо диспергированной воды.

Существует два режима поверхностной конденсации: плёночный на смачиваемой поверхности и капельный на несмачиваемой по- верхности (воздух относится к несмачиваемой среде). При капельной конденсации интенсивность отвода тепла с поверхности охлаждения выше, чем при плёночной конденсации (сплошная плёнка препят- ствует теплообмену). Для начала объёмной конденсации пар должен быть достаточно пересыщен. Степень перенасыщения пара зависит от наличия в нём мельчайших пылинок (аэрозолей) — готовых цен- тров конденсации. Чем чище пар, тем выше степень перенасыщения. Зародышами конденсации могут служить электрически заряженные частицы (ионы), присутствующие в паре.

Атмосфера Земли, как известно, обильно насыщена сконденсиро- ванной влагой. Влага, бомбардируя поверхность лопаток турбин ави- адвигателей, становится причиной их эрозии. Она же представляет серьезную угрозу для агрегатов и аппаратуры летательных аппаратов (ЛА),находящихсяввоздушномокеаненашейпланеты.Всвязисэтим разрабатываются различные устройства для механической сепарации свободной капельной влаги из воздушных потоков, поступающие в отсеки ЛА (головной разработчик НПП «Наука», г. Москва).

Увеличению эффективности сепарации или снижению доли жид- кой влаги в осушенном воздухе противостоят тонкие и сложные фи- зические процессы молекулярного уровня. К ним относят процес-

95

сы образования капельной влаги, превращения её в тонкую пленку на поверхности осаждения и затем в жидкость, а так же процессы вы- несения влаги из воздушного потока и перемещения её по элементам внутреннего набора сепаратора за пределы ЛА.

У известного авиационного сепаратора (а. с. 456762) влаги конус- ный завихритель 8 потока влажного воздуха выполнен в виде тонко- стенной конструкции из листового алюминиевого сплава. Его функ- ция дополнительно закрутить воздушно — капельный закрученный стангенциального входа поток воздуха,чтобы капли влаги инерцион- ного размера осели на внутреннюю поверхность конуса завихрителя и далее направить образованную плёнку влаги в камеру сбора влаги. Завихрительнеявляетсяохлаждаемойповерхностью,гдеосуществля- ется постоянный отвод тепла, поэтому он не отделяет мелкодисперс- ный неинерционный аэрозоль, что снижает эффективность сепара- ции. Сепаратор снаружи покрыт стеклопластиком, что повышает его вес, а это неприемлемо для летательных аппаратов.

В связи с этим предложено устройство сепаратора (рисунок на стр. 97) по заявке на изобретение 93000 729/29 (000619) от 06.01.1993 г. (Решение патентной экспертизы неизвестно).

Высокая эффективность сепарации достигается тем, что конусно- му завихрителю 1 задана функция охлаждающей поверхности, где осуществляется постоянный отвод тепла.

Завихритель 1 полый, выполнен в виде сочленённых с зазором тонкостенных конусов, например, из листового алюминиевого спла- ва, через которые проделаны направляющие каналы для закручива- ния воздушного потока внутри конуса.

Охлаждающая полость конусного завихрителя 1 снабжена патруб- ком 2 подвода холодного воздуха и патрубком 3 отвода отработанного воздуха за пределы ЛА.

96

Сепаратор содержит: 1 — конусный завихритель; 2, 3 — патрубки подвода и отвода холодного воздуха; 4 — штуцер слива; 5 — камера сбора влаги.

Влажный воздух поступает в сепаратор тангенциально, поэтому при вращении поток воздуха приобретает избыточно положительную температуру, благодаря чему мелкодисперсный аэрозоль и часть ка- пельной влаги переходитв паровую фазу.Воздушный поток,содержа- щий капельную и паровую фазы влаги, закручивается на внутренней поверхности конуса завихрителя 1, омывая его охлаждаемую поверх- ность.

Обмениваясь теплом с потоком холодного воздуха текущим в проточной полости конусного завихрителя 1 ему навстречу, паро- вая фаза влаги конденсируется внутри конуса завихрителя 1 и, сли- ваясь с осаждающейся капельной влагой, образует на ней подвиж- ную пленку влаги.

Закрученный воздушный поток перемещает пленку влаги по вну- тренней поверхности конуса завихрителя 1 и направляет её в камеру сбора влаги 5.Собранная жидкостьчерез сливной штуцер 4 затем уда- ляется за пределы ЛА.

Осушенный таким образом воздух направляется в отсеки ЛА. Усовершенствованным устройством такого сепаратора является

использование в нём вихревого эффекта создаваемого встроенным устройством вихревой трубы (рисунок на стр. 98). Заявка на изо-

бретение 93000730/26 (000480) от 06.01.1993 г. (Решение эксперти-

зы неизвестно­ ).

97

Сепаратор содержит: 1 — конусный завихритель; 2 — выходной патрубок; 3 — вихревую улитку; 4 –патрубок горячего воздуха; 5 — обтекатель; 6 — входной патрубок; 7 — трубопровод нагнетания; 8 — камеру отбора воздуха; 9 — щель кольцевую; 10 — камеру сбора влаги.

В данном сепараторе часть потока воздуха отбирается для энерге- тического разделения в вихревой улитке на холодный и горячий по- токи.Горячий поток направляется на подогрев входящего в сепаратор потока воздуха и испарение мелкодисперсного аэрозоля влаги. А хо- лодный поток направляется в полость конусного завихрителя, на ко- тором осуществляется обмен теплом с подогретым воздушным пото- ком и конденсация паровой фазы влаги.

Влага конденсируется внутри конуса завихрителя и, сливаясь с осаждающейся капельной влагой,образует на ней подвижную плен- ку влаги.

Закрученный воздушный поток перемещает пленку влаги по вну- тренней поверхности конуса завихрителя и направляет ее в камеру сбора влаги. Собранная жидкость через сливной штуцер затем удаля- ется за пределы ЛА.

А осушенный таким образом воздух направляется в отсеки ЛА. Коагуляция —это процесс объединения мелких диспергированных

частиц (аэрозолей влаги) в более крупные по размеру агрегаты (круп- ные капли инерционного размера) под влиянием сил молекулярного сцепления.

Коагуляция, как процесс укрупнения капельной влаги, в устрой- ствахмеханическойсепарациипредставляетсяпереходоммолекуляр-

98

ных явлений из причин сопротивления (торможения) в причины нео- граниченных (безграничных) технических возможностей.

То есть, в процессах коагуляции предназначение молекулярных сил меняется и приобретает противоположное значение: из причин сопротивления в причины получения технических преимуществ.

Коагуляция является способом повышения эффективности меха- нической сепарации влаги. Для этого процесса конструируются спе- циальные устройства называемые коагуляторами.

Устройством,имеющий коагулятор,является сепаратор по изобре-

тению а. с. 1589547.

Сепаратор содержит: 1 — корпус; 2 — коагулятор; 3 — винт; 4 — перепускной клапан; 5 — пружину; 6 — камеру сбора влаги.

Коагулятор (устройство укрупняющее капли) 2 выполнен из сетча- тых металлических материалов в виде усеченного конуса и цилиндра. Это своего рода сито для мельчайших частиц влаги влажного воздуха и одновременно её накопитель.

Сито состоит из набора мелкоячеистых (0,1 ÷ 0,2 мм 2) металличе- ских сеток.

Влажный воздух, проходя через ячейки сеток коагулятора 2, остав- ляет в его структуре аэрозольную влагу.

При определенной скорости потока капли растутдо инерционного размера за счёт слияния мельчайших частиц влаги в центрах коагуля- ции — в перекрестиях проволок сеток.

Достигая размеров достаточных для отрыва от поверхности коагу- лятора, крупные капли отрываются и вовлекаются вновь в поток воз- духа, который уносит их к винту 3.

99