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

Давление весатакого столба жидкости равно вточности атмосфер- ному давлению.

С высотойдавление газов меняется: улёгких менее,атяжёлых зна- чительно, что используется в воздухоплавании.

Применяются как сжатые (давлением, превышающим атмосфер- ное) газы, так и вакуум («пустоту») — состояние газов при давлении значительно меньше атмосферного (закрытые полости с возможно полным удалением газов).

Производство лёгких газов, как и получение давлений меньше ат- мосферного, требует значительных трат энергии, материалов, време- ни, которые компенсируются пользой от их применения.

Гидро и аэродинамика рассматривают движение несжимаемых

исжимаемых сред и их взаимодействие с неподвижными твёрдыми телами. Применяя принцип обратимости движения, движение сред допустимо заменять перемещением твёрдых тел в рассматривае- мых неподвижных средах. Принцип позволяет воспроизводить, что то же моделировать сложные процессы взаимодействия поверхности тел со средой. Если в статике имело место равновесие потенциальных (зависящих от положения относительно Земли) сил, обусловленных силами тяготения, то в динамике силы имеют кинетический характер

иобусловлены скоростью движения сред (или перемещением твёрдых тел), появлением сил трения и сопротивления. Большинство объектов техники (транспорт) мобильно, и есть немало объектов стационарных (мосты, высотные дома, плотины, морские буровые платформы, опо- ры ЛЭП), которые подвержены воздействию потоков воды и воздуха. Силы,образующиесянаповерхноститакихобъектов,зависятоттормо- жения или ускорения потоков обтекающих их сред. Там, где скорость потока растёт, давление (разница между статическим и атмосферным давлениями) уменьшается, и наоборот. Таким образом, ссужая движу- щийся поток, получают его ускорение и снижение давления, а расши- ряя —торможение и увеличение давления (закон Д. Бернулли).

Изменением направления потока сред получают реакцию потока на тела воздействия (лопатки турбин, винт, подводное крыло), отбра- сыванием потока в одну сторону получают реакцию (винт, электро- магнитный двигатель, ракета), направленную в противоположную сторону (третий закон И. Ньютона). Реакция струи обнаруживается нетолько при изменении направлениятечения жидкости,но и во всех случаях, когда струя жидкости или газа изменяет свое направление, встречая на пути твердые тела. На этом принципе основано действие турбин, где реакция струи используется для получения вращения.

Для увеличения скорости реактивной струи (и получения большей реактивной силы) соплам придают специальную форму (например, в виде сопла Лаваля).

60

Закрученная жидкость отбрасывается центробежными силами на периферию. При наличии преграды на ней создаётся определён- ное давление, которое можно использовать для формирования струй. Пример из не ставшего изобретением моего отца. Активатор старин- ной (середины прошлого века) стиральной машины (СМР — 1, 5) выполнен в виде штам- повки из нержавеющей стали (рисунок слева).

Была предложена следующая конструкция активатора.

Активатор с донной стороны закрыт тон- ким диском из нержавеющей стали с отвер- стием в центре на 10 ÷ 12 мм больше диаметра вала, а по периферии каждого ребра между диском и активатором выполнены прямоу- гольные отверстия 1, 5 × 6 мм (сечение А — А). Зазор между диском и баком составляет 2 ÷

3 мм. Стиральный раствор из бака поступает (всасывается) во вну- треннюю полость активатора через зазоры между дном активатора и баком, и между валом и отверстием в центральной части диска дна активатора. При вращении активатора стиральный раствор внутри подрёберных полостей отбрасывается к их периферии и через прямо- угольные отверстия 1,5 × 6 мм (А —А) в виде струй возвращается в бак стиральной машины. При стирке происходит непрерывное движение стирального раствора из подрёберных полостей активатора в бак сти- ральноймашиныиобратно(избакавподрёберныеполостиактивато- ра). Чертёж активатора показан ниже.

61

Активатор не только перемешивает стиральный раствор своими радиальными рёбрами, но и испускает струи раствора, которые про- низывают бельё, повышая,тем самым, качество стирки.

Стирка в современных стиральных машинах осуществляется в раз- балансированных бельём вращающихся барабанах.

Вводоворотах, циклонах, смерчах (торнадо) давление в центре гораздо ниже, чем атмосферное давление и давление на периферии.

Вузкое основание таких спиральных воронок, как насосом, всасыва- ются и воздух, и различные предметы.

Вцентробежном насосе лопатки рабочего колеса, вращаясь в улит- кообразном корпусе, отбрасывают рабочее тело (жидкость) к пери- ферии, в результате в центре создаётся разряжение, а на периферии повышенное давление. Повышенное давление используется для на- гнетания рабочего тела в напорную магистраль, а разряжение — для всасывания рабочего тела из мест его накопления.

Скорость движения потоков сред влияет на характер их течения. Течение при небольших скоростях движения остаётся струйным или ламинарным, при значительных скоростях становится турбулентным или хаотичным, беспорядочным. На характер движения сред влияет геометрияканалаивязкостьсред.Вузкихканалах(капилляры)иувяз- ких сред движение остаётся ламинарным при значительных скоро- стях движения, напротив, в широких каналах и у текучих сред лами- нарное течение сохраняется лишь до значительно меньшей скорости движения, выше неё течение становится беспорядочным. Поэтому, ссужая канал потока и (или) увеличивая вязкость среды,турбулентное движение преобразуется вламинарноетечение.Турбулентностьтече- ния благотворна для перемешивания сред,но опасна для летательных аппаратов (в виду образования зон турбулентности, т. н. «воздушных ям»). У человека движение крови по артериям и венам строго лами- нарное.Такое движение обеспечено и скоростью течения и вязкостью крови, а также эластичностью сосудов и капилляров, которые могут при необходимости ссужаться и расширяться.

Движение твёрдых тел в невозмущённых жидких и газообразных средах сопровождается трением о них и появлением сил сопротив- ления направленных против движения. Движущее тело вносит из- менение в порядок расположения элементарных струек и точечных объёмов в сплошной среде. Чем изменение значительней,тем трение и сопротивление движению больше. И чем быстрее происходит такое изменение, тем значительней становятся силы сопротивления и тре- ния. Изменение зависит от пространственной формы внешней по- верхности тела по направлению его движения. Математические тела призма, куб, пирамида, многогранники, а также тела вращения диск, цилиндр, конус, шар, сфера, эллипсоид и их сочетания в движущем-

62

ся ламинарном потоке показывают разную степень его изменения — от сильно возмущённого до практически невозмущённого. Обтекае- мость тел (т. е. когда форма тел не вносит существенных изменений

впространственное расположение слоёв среды) в области, где среда вытеснена телом, является сама по себе геометрическим способом снизить затраты на преодоление сил сопротивления движению. Об- текаемость характеризуется разностью давлений перед телом,где по- токтормозится,и задвижущимсятелом,где поток возвращается к ис- ходному состоянию. Чем разность меньше, тем меньше возмущений среды и тем экономичней движение тел. Придать зализанную форму корпусу, а крылу форму вытянутой капли или носу судна «бульбоо- бразную» («картофелеобразную») форму означает значительно по- высить обтекаемость тел движущихся со скоростями менее скорости звука в данной среде. Для скоростей движения более скорости звука

вданной среде телам придают заострённость в передней части.

Уптиц, рыб и китообразных обтекаемость форм тел приспособле- на для скоростного передвижения в средах обитания. Обтекаемость

уних подвижна и зависит от скорости перемещения и плотности сре- ды, что достигается способностью животных менять форму тел, при- спосабливая её к имеющимся на данный момент условиям. Задняя часть их тел вытянута настолько, чтобы поток не возмущался до об- разования завихрений, так как это приводит к понижению давления и торможению движения.

Разностьскоростейпотоковподинадтеломтипакрылаобуславли- ваетпо закону Бернулли и разностьдавлений наданные поверхности, что проявляется в виде появления подъёмной силы. Подъёмная сила всегда перпендикулярна направлению набегающего потока среды.

Если затормозился (по какой-либо причине) поток в конечной трубке, то эффект эжекции в зазоре между концами трубок исчезнет, и среда начинает просачиваться через зазор наружу, где меньше дав- ление.

Торможениедвижущейсясредывсегдаприводиткповышениюдав- ления. Часто это опасно для объектов техники. Например, это опасно

63

для проточных рабочих полостей теплообменных аппаратов, где для обеспечения безопасности применяются перепускные клапана.

Если использоватьэжектор с малым значением эжекции в качестве нагнетающей магистрали подключённой к входу втеплообменник,то, чтобы предотвратить разрушение его рабочих полостей вследствие опасного роста давления, зазор эжектора снабжают обходной маги- стралью (байпасом), благодаря которой избыток среды, вытекающий из зазора, перенаправляется сразу на выход из аппарата. После пре- кращения торможения и восстановления исходной скорости течения среды, как в рабочей полости аппарата, так и в трубках эжектора, эф- фект эжекции в зазоре возникает вновь, что приводит к понижению давления в обходной магистрали до давления, созданного в зазоре эжектора.Преимуществотакого использования эжектора в сравнении сприменяемымиперепускнымиклапанамизаключаетсявотсутствии подвижных частей (клапана и пружин).

Теплообменник, где использовано такое устройство клапана (за- явка на изобретение 5023588 (003400) от 22.01.1992 г.) показан ниже. Положительное решение патентной экспертизы по ф. 10 ИЗ-91

от 27.07.1993 г.

Теплообменник содержит: 1 — трубки; 2 — межтрубное пространство; 3, 10 — входной и выходной штуцеры; 4 — коллектор; 5 — зазор (эжекции); 6, 7 — трубы Вентури; 8, 9 — окна.

Такие же, но парные клапаны (на входе и выходе рабочей среды), применены в теплообменнике (заявка на изобретение 93000 729/29 (000619) от 06.01.1993 г.) на стр. 65.

64

Теплообменниксодержит:1,2,3 —входныештуцеры;4,5,6 —выходныештуце- ры; 7, 8 трубные полости; 9 — межтрубную полость; 10, 11, 12, 13, 14, 15 — каналы (эжекции); 16, 17, 18, 19, 20 — камеры (байпасные); 21, 22 — трубопроводы (байпасные).

Теплота и холод

Теплота это не «теплород» или особая субстанция в телах, как счи- тали в 19 веке. Это форма беспорядочного (теплового) движения ча- стиц (молекул, атомов, электронов) образующих тела. Количество те- плоты определяется величиной энергии получаемой или отдаваемой частицамитела.Как работа определяется изменением положениятел, так и количество теплоты является степенью изменения внутренней энергии тела, энергии беспорядочного (теплового) движения частиц образующих тела. При непосредственном теплообмене внутренняя энергия тела возрастает или уменьшается в результате соударений его молекул с молекулами окружающих тел. Подвод теплоты к телу приводит к увеличению теплосодержания (энтропии) в нём, от- вод — к уменьшению. Первое характеризуется нагревом, повышени- ем температуры тела. Второе приводит к противоположному состоя- нию — к состоянию холода, когда теплосодержание тела уменьшается и температура подает.

Абсолютным нулёмтемпературы или 0 K (-273,15 0 С) потермодина- мической шкале Кельвина считают состояние, когда в телах движение молекул и атомов равно нулю,но это не полный покой,ат. н.«нулевые» колебания частиц в узлах кристаллической решётки, обладающих «ну-

65

левой энергией». Температурный диапазон физических явлений про- стирается практически от абсолютного нуля до 10 11К и выше. Передача теплоты (энергии беспорядочного движения частиц) осуществляется при наличии теплопроводности тел, бесконтактно с помощью конвек- ции,лучевых процессов, а так же при испарении и конденсации, в тер- моэлектрических явлениях и т. д., что является важным для получения движениятепловой энергии от нагретоготела к холодному.

Всяземнаятехникавосновномэтотепловаятехника.Дажеветряки являются тепловыми двигателями — они используют тепловую энер- гию Солнца для производства работы. Ветры, вращающие лопасти винта, не что иное, как конвекционное движение воздуха атмосферы, обусловленное неравномерным нагревом её Солнцем. Тепловая тех- ника стала возможна на Земле благодаря наличию у неё плотной ат- мосферы, поглощающей лучистую энергию основного нагревателя — Солнца, наличию в ней достаточного количества возобновляемого кислорода, наличию океанов воды, прогреваемых Солнцем, а так же наличию на Земле и в её недрах горючих материалов.

Для получения полезной работы необходима пара частей: источ- ник теплоты (нагреватель) и поглотитель или утилизатор остаточной теплоты (охладитель). Эта система из противоположных по назначе- нию частей (нагревателя и охладителя) формирует разность потенци- алов тепловой энергии (разность количеств теплоты), обеспечиваю- щая движение тепловой энергии, которое обменивается на полезную работу.Такая схемадвижениядешёвойтепловой энергии универсаль- на и пригодна в том или ином виде для получения полезной работы, ценного движения или необходимого состояния вещества.

Сади Карно (французский инженер) установил принцип эффек- тивного движения тепловой энергии в таких системах. Он заключа- ется в том, что процесс работы всех тепловых двигателей это круго- вой цикл, названный циклом Карно. Цикл состоит из четырёх этапов работы гипотетически высокоэффективного двигателя. На первом этапе рабочее тело в нём должно расширяться, сохраняя постоянную максимальную температуру за счёт нагревания рабочего тела.На вто- ром —осуществляться расширение рабочего тела,но без подвода теп- ладотех пор,пока еготемпература не опустится ниже некоторого ми- нимального уровня.На третьем этапе рабочеетело должно сжиматься при сохранении температуры самого низкого уровня, постоянно от- водя образующееся тепло. На четвёртом — рабочее тело должно сжи- маться без отвода тепла до тех пор, пока его температура не подни- мется вновь до максимального значения.

После чего цикл повторим вновь.

Рабочее тело это газ, который двигает поршень. Им может быть пар, воздух, горючая смесь. По расчётам Карно только в этом случае

66

КПД двигателя может достигнуть 70 ÷ 80 %, причём при условии ста- бильной повторяемости указанной последовательности этапов рабо- ты. Физически работу теплового двигателя можно представить в виде взаимодействия противоположных сторон процесса. С одной сторо- ны действуют процессы изотермического (при постоянной темпера- туре) и адиабатического (без теплопередачи) расширения, с другой — процессы изотермического и адиабатического сжатия. Подпитывая энергией одну из сторон процесса, можно получить движущийся поступательно колебательный процесс расширения и сжатия (В тер- модинамике, повторим, принято, что работа δА — не полный диф- ференциал. Работа зависит от пути, то для кругового процесса при возврате системы в исходное состояние, работа системы может ока- заться не равной нулю,что используется во всехтепловыхдвигателях. При δА = - δА энергия взаимодействия системы с внешними телами не меняется в процессе совершения работы). Следуя рекомендациям Карно, инженеры отошли от принципа двойного действия (как у па- рового двигателя), и перешли на четырёхтактный цикл работы дви- гателей, где можно было проще осуществить эффективный круговой принцип работы.

Круговой принциптепловогодвижения молекул и упорядоченного движения электронов осуществлён и в устройстве термоэлемента.

Термоэлемент это замкнутая цепь пары спаев (термоэлектродов) из металлов разного рода (проводников и полупроводников). Со- гласно правилу Вольта у таких проводников (проводников первого класса) в местах соприкосновения электрического тока не возникает. Но, если создать на спаях разность температур (систему из горячего

ихолодного спаев), то в проводящей цепи образуется разность элек- трических потенциалов или результирующая термоэлектродвижущая сила (термо — э. д. с.), что приводит в движение электрические за- ряды и поддерживает длительный электрический ток. Горячий спай термоэлемента выполняет функцию нагревателя, а холодный спай — охладителя. Теплота (энергия хаотичного движения молекул, ионов) передаётся от горячего спая к холодному по внутренней непроводя- щей цепи, а во внешней проводящей цепи движутся электроны от го- рячего к холодному спаю, где накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся некомпенсированный положительный заряд. Накопление зарядов происходит до тех пор пока, разность потенци- алов не вызовет равный обратный поток электронов. Полезное дви- жение электронов замещается обратным дешёвым (или бесплатным) тепловым движением молекул, чем сохраняется баланс обоих движе- ний. Круг неупорядоченного (теплового) движения молекул (ионов)

иупорядоченное движение электронов, таким образом, замыкается. Явление образования термоэлектричества во внешней цепи получи-

67

ло название эффекта Т. И. Зеебека, а устройство термоэлемента — те- плового электрогенератора.

Спаи Sb — Cu (сурьма — медь) термоэлемента Зеебека при раз- ности температур вырабатывают электрический ток, который воз- действует на магнитную стрелку компаса.

Активным звеном этого преоб- разовательного теплоэлектрического механизма является горячий спай устройства, к которому подводятся продукты горения доступно- го и дешёвого топлива. Пассивным звеном является холодный спай, имеющий связь с окружающей средой. На активном звене образует- ся недостаток ценных подвижных электронов (за счёт их эмиссии),

ана пассивном — их избыток.

Удвух разных типов полупроводников в горячем спае электриче- ский ток идёт от металла к полупроводнику (э. д. с. обозначается «+»),

ав холодном спае — от полупроводника к металлу (э. д. с. обозначает- ся «-»).Для полупроводника n —типа (с электронной проводимостью) скорость движения электронов в горячем спае выше, чем в холодном спае. При повышении температуры у полупроводника число свобод- ных электронов растёт, а у металлического проводника уменьшается. Поэтому такие электроны диффундируют (проникают) из горячего спая в холодный до тех пор, пока создающееся при этом электриче- ское поле не уравновесити затормозитэтотпоток зарядов.Кактолько равновесие установиться, то горячий спай, отдавший электроны, за- рядится положительно, а холодный спай, получивший избыток элек- тронов, зарядится отрицательно. Между горячим и холодным спаями образуется положительная разность потенциалов.

Вполупроводникеp-типа(сдырочнойилиположительнойпроводи- мостью) из горячего спая в холодный спай диффундируютдырки (вир- туальные частицы или ионы с недостатком электронов). В результате горячий спай заряжается отрицательно (образуется избыток электро- нов),а холодный спай —положительно (образуется избыток дырок или виртуальных ионов с недостатком электронов). Между горячим и хо- лодным спаями образуется отрицательная разность потенциалов.

Соединяя определённое количество комбинаций из таких спа- ев последовательно, получают батарею термоэлементов, у которых э. д. с. складываются и КПД таких термоэлементов превышает 7 %.

Движение электронов по токопроводящей цепи способно совер- шить любую полезную работу, а, значит, появляется возможность по- лучатьтехнические преимущества в объектах техники.

68

Техническая основой термоэлемента является приблизитель- ная зависимость э. д. с. от разности температур спаев. Поэтому по- мимо прямого термоэнергетического применения термоэлементы наиболее удобны для измерения температуры различных объектов, как непосредственно,так и дистанционно. Если поддерживать холод- ный спай в стабильных условиях нуля по шкале Цельсия,то э. д. с.вто- рого спая будет соответствовать температуре измеряемого объекта. Такое устройство термоэлемента называют термопарой. Для непо- средственного измерения температур порядка 1000 0 С и выше приме- няют спаи из тугоплавких платины и платинородия (сплав платины 90 % и родия 10 %),для измерения низких температур — спаи из меди

иконстантана (сплав меди 59 %, никеля 39 ÷ 40 % и марганца 1 ÷ 2 %). Помимо телеметрического проводного измерения температуры объ- ектов термопары, собранные в термобатареи и подключённые к чув- ствительным приборам, позволяют измерять интенсивность разного родаизлученийпоихтепловомувоздействиюнагорячиеспаи.Наэтой конструктивной основе действуют термоэлектрические радиометры,

иработает методтермопеленгации —обнаружение объектов по ихте- пловому излучению.

Визобретении а. с. 504932 на «Сигнализатор уровня» легковоспла- меняющихсяжидкостей,напримертоплива,устраняласьвозможность искрообразования при замыкании электрических контактов поплавка 1 и корпуса 3, в котором поплавок находится, включённых в цепь пи- тания индикатора 9 показывающе- го уровень топлива в баке (показан справа).

Для устранения возможности искрообразования контакт 6 по- плавка 1 и контакт 7 корпуса 3, в котором поплавок находится, вы- полненыизразнородныхметаллов, например меди и константана, об- разующих при замыкании холод- ный спай термопары. Другой спай образованной термопары снабжён посторонним источником подо- грева и вместе с индикатором раз- мещён вне контроля коммутации контактов. Источником подогрева этого спая является спираль, под- ключённая к аккумулятору.

69