книги / Изобретеника наука об изобретениях, изучающая принципы и закономерности образования, строения, воплощения и функционирования признаков изобретения в объектах техники
..pdfвступает в дело перепускное клапанное устройство. Пружина перепускного клапана, статически настроенная на величину предельного давления, сжимается и открывает клапан в обходную магистраль при превышении установленного предельного давления рабочей среды. Давление в магистрали снижается, и клапан закрывается до возникновения следующего скачка давления, который нагнетается в магистрали вновь. Возникал режим автоколебаний клапана, обусловленный подвижностью клапана, от которого разрушался он сам и элементы осуществляющие процесс теплообмена. Он длится определённое время необходимое для увеличения подвижности рабочей среды в межтрубном пространстве и её разогрева. В режиме автоколебаний размер зазора между седлом и клапаном, образующийся при его срабатывании,колеблется отнулядо максимума,чем обеспечивается пропускание через зазор избыточной массы рабочей среды во внешнюю магистраль. Прямое движение рабочей среды по обходной коллекторной линии с периодичностью колебаний клапана исключает возможность её теплообмена со средой, протекающей в трубной полости. Требуемой пользой являлся процесс теплообмена между рабочими средами без разрушения элементов межтрубного пространства. Средством, производящим защиту элементов пространства теплообмена, являлось устройство перепускного клапана. Физическим способом защиты от разрушительных скачков давления являлось образование кольцевого зазора (щели) между седлом и клапаном перепускного устройства при его срабатывании, который колеблется пропорционально величине превышенияпредельногодавлениясредывмагистрали.Закрытиеполости входного штуцера от обходной магистрали осуществлялось с помощью возросшего усилия упругой деформации пружины, воздействующей на подвижный клапан до тех пор, пока он не упрётся в седло и не установится предельное значение усилия пружины. Предельное усилие упругой деформации пружины настроено на величину определённого превышения предельного давления рабочей среды
вмагистрали. Сброс избыточного давления происходил только при образовании кольцевого зазора между седлом и клапаном перепускного устройства. При этом избыточная масса среды двигалась через кольцевой зазор непосредственно во внешнюю магистраль. Причиной разрушения элементов, размещённых в пространстве теплообмена, являлось превышение предельного давления среды
вмагистрали. Было установлено, что причиной ограничивающей
230
технические возможности теплообменника, в частности его надёжность, являлось средство, которое осуществляет защиту элементов размещённых в пространстве теплообмена от разрушения, то есть перепускной клапан. Превышение предельного давления среды
искачки давления возникали в результате того, что полость входного штуцера постоянно закрыта от внешней магистрали перепускным клапаном. Это необходимо для осуществления процесса теплообмена в межтрубном пространстве. Однако, гидравлическое сопротивления потоку в межтрубном пространстве (обусловленное низкой подвижности рабочей среды в ней) препятствовало осуществлению процесса теплообмена и, как следствие, превышение давления передавалось элементам внутреннего набора в виде упругих деформаций. После чего клапан открывался, и поток двигался по обходной коллекторной линии во внешнюю магистраль без теплообмена. Давление в межтрубной полости падало и это приводило к возврату упругих деформаций элементов внутреннего набора в исходное состояние.Отсюда,причиной препятствующей процессу теплообмена в межтрубном пространстве являлось клапанное и гидравлическое запирание потока среды в полостях входного штуцера
имежтрубного пространства. То есть, гидравлическая замкнутость полостей входного штуцера и межтрубного пространства от внешней магистрали являлась причиной препятствующей процессу теплообмена, причиной ограничивающей технические возможности теплообменника, в частности надёжность и эффективность теплообмена. Требуемой пользой являлся рабочий процесс теплообмена сред, протекающий в межтрубном пространстве. Требуемым результатом являлось осуществление процесса теплообмена без разрушения элементов внутреннего набора теплообменника. Помехой техническим возможностям теплообменника являлись автоколебания клапана и прямое движение среды по обходной коллекторной линии; замкнутость в момент запуска силовых установок ЛА полости входного штуцера с одной стороны клапаном, а с другой— гидравлическим сопротивлением среды в межтрубном пространстве; запираниепотокаотобходноймагистралистатическимусилиемупругой деформации пружины перепускного клапана; отсутствие кольцевого зазора (щели) между седлом и подвижным клапаном в момент скачка давления. Автор при изучении технических возможностей прототипа рассматривал клапанное перепускное устройство, которое не подлежит изменению, как средство для защиты полостей
231
теплообмена обеспечивающее требуемый результат (аналогично действовали авторы изобретения а. с. 1051026 на «Вакуумный захват»). То есть, седло перепускного клапана конструктивно это часть обходной коллекторной линии, а подвижный клапан—это часть стенки полости входного штуцера. Таким образом, средство защиты полостей теплообмена от разрушения состоит из части стенки полости входного штуцера и части обходной коллекторной линии. Предельные физические свойства элементов средства защиты межтрубного пространства от разрушения и предельное физическое состояние среды в межтрубном пространстве препятствуют получению требуемого результата. Последовательность логических тождеств выявленных причин в модели помех схематично представляется в следующем виде:
Ненадёжная работа теплообменника = автоколебаниям кла- пана и прямому движению среды по обходной коллекторной линии = гидравлическому запиранию потока среды в полостях входного штуцера и межтрубного пространства = запиранию по- тока от обходной магистрали статическим усилием упругой де- формации пружины = отсутствию кольцевого зазора (щели) меж- ду седлом и подвижным клапаном в момент скачка давления.
Последняя причина, инициирующая ограниченность технических возможностей теплообменника, относится к перепускному клапанному устройству. необходимо перейти от признаков перепускного клапана, которые не допускают изменений, к признакам средства для защиты полостей теплообмена, которые допускают изменения. Для этого сущность каждого признака данной формулировки следует перевести на установленные выше конструктивные аналоги:
Отсутствие кольцевого зазора (щели) между седлом и под- вижным клапаном = отсутствию кольцевого зазора (щели) между подвижной частью стенки входного штуцера и частью обходной коллекторной линии.
Отсюда, логическое тождество выявленной причины в модели помех схематично приобретает следующий вид:
Ненадёжная работа теплообменника = отсутствию кольце- вого зазора (щели) между подвижной частью стенки входного штуцера и частью обходной коллекторной линии.
Это есть основная причина инициирующая ограниченность технических возможностей теплообменника. Описание её содержит
232
преимущественно объяснительный смысл сути причины: нет кольцевого зазора—нет надёжной работытеплообменника.Предыдущие формулировки выявленной причины раскрывают последствия отсутствия кольцевого зазора: автоколебания клапана, запирание потока гидравлически и механически посредством деформации пружины, которые непосредственно ограничивают технические возможности теплообменника. Модель или схема простора (свободы) техническим возможностям теплообменника образуется из следующей последовательности логических тождеств содержащих обращённые причины:
Надёжная работа теплообменника = отсутствию (автоколе- баний) самого клапана и обратному движению среды по обход- ной коллекторной линии = открытости полостей входного шту- цера и межтрубного пространства во внешнюю магистраль = запиранию потока от обходной магистрали посредством дина- мического (скоростного) давления потока = наличию кольце- вого зазора между неподвижной частью стенки входного шту- цера и частью обходной коллекторной линии.
Формулировки обращённых причин имеют логическую связь
спризнаком «наличие кольцевого зазора». То есть, запирание потока осуществляется при открытости через кольцевой зазор полостей теплообмена с обходной линией. Следовательно, запирание потока должно осуществляться в зоне кольцевого зазора. А это значит, что
спомощью логических уточняющих тождеств сущностям каждой части образующих кольцевой зазор необходимо установить соответствующий реальный конструктивный аналог:
Кольцевой зазор между неподвижнойчастью стенки входно- го штуцера и частью обходной коллекторной линии = кольце- вому зазору между продолжением входного штуцера и продол- жением коллекторной линии открытой в полость межтрубного пространства.
Открытость полостей входного штуцера и межтрубного про- странства во внешнюю магистраль = кольцевому зазору между продолжением входного штуцера и продолжением коллектор- ной линии открытой в полость межтрубного пространства.
Отсюда, надёжная работа теплообменника = запиранию
потока от обходной магистрали посредством динамического (скоростного) давления потока в зоне кольцевого зазора между продолжением входного штуцера и продолжением коллектор- ной линии открытой в полость межтрубного пространства.
233
Это есть основная причина инициирующая обеспечение неограниченности технических возможностей такого теплообменника. Данная формулировка раскрывает последствия от «наличия кольцевого зазора»: нет автоколебаний и самого клапана, открытость полостей теплообмена во внешнюю магистраль, запирание потока от обходной магистрали посредством динамического (скоростного) давления потока в зоне кольцевого зазора, которые непосредственно инициируют неограниченность технических возможностей теплообменника. То есть, запирание потока от обходной магистрали достигается посредством его динамического (скоростного) давления в зоне кольцевого зазора или что то же конструкцией кольцевого зазора между продолжением входного штуцера и продолжением коллекторной линии приспособленной для движения потока.Это подлежит уточняющей конкретизации.Длятехническогооформленияполученнойсущностиобращённой причины необходимо осуществить конструктивно-технологическое разворачивание данной модели простора (свободы) техническим возможностям теплообменника обеспечивающее эффективный теплообмен рабочих сред.Разворачивание осуществлялось с помощью логических уточняющих тождеств. То есть, сущности каждого признака или понятия в определении обращённой причины устанавливался соответствующий реальный конструктивный и физический аналог:
Продолжение входного штуцера и продолжение коллектор- ной линии = отрезкам патрубков.
Кольцевой зазор между продолжением входного штуце- ра и продолжением коллекторной линии открытой в полость межтрубного пространства = кольцевому зазору между отрез- ками патрубков принадлежащих входному штуцеру и коллек- торной линии открытой в полость межтрубного пространства
Динамическое (скоростное) запирание потока = эффекту эжекции в зоне кольцевого зазора.
Эффектэжекции в зоне кольцевого зазора = сужению потока среды в зоне кольцевого зазора.
Сужение потока среды = сужению отрезков патрубков при- надлежащих входному штуцеру и коллекторной линии откры- той в полость межтрубного пространства.
Таким образом, надёжная работа теплообменника = коль-
цевому зазору образованного сужениями отрезков патрубков принадлежащих входному штуцеру и коллекторной линии от- крытой в полость межтрубного пространства.
234
Это есть основная функциональная причина инициирующая обеспечение неограниченности технических возможностей такого теплообменника и искомая теоретическая сущность технического решения потенциального изобретения.
Автором данной сущности технического решения предложе-
но в приемной полости коллектора установить патрубки, вы-
полненные в виде отрезков труб Вентури, сочлененные в зоне кромок их конфузоров с зазором, при этом диффузор первого по ходу среды патрубка соединен с входным штуцером, а диф- фузор второго — с проемом окна в межтрубное пространство.
Предложенноетехническоерешениенаиболееполносоответствует модели простора (свободы) техническим возможностям теплообменника обеспечивающее эффективный теплообмен рабочих сред. Это техническое решение, имеющее указанные признаки достаточные для достижения требуемого технического результата, признано изобретением (Положительное решение экспертизы по ф. 10 ИЗ-91
от 27.07.1993г по заявке 5023588 (003400) от 22.01.1992 г.).
Конструкторское и технологическое воплощение указанной системы конструктивных элементов средства для защиты полостей теплообмена осуществлялось следующим образом.
Полость входного штуцера соединили с патрубком,имеющим ссужающий торец, который направлен в окно коллекторной линии открытой в межтрубную полость. Соответственно окно коллекторной линии соединили с патрубком, который с зазором и перекрытием кромок охватывал своим ссужающим концом торец патрубка входного штуцера. Образованный кольцевой зазор сообщал межтрубную полость и полость входного штуцера с коллекторной линией и далее с внешней магистралью. Перекрытие кромок создавало определённое гидравлическое сопротивление потоку в сторону обходной коллекторной линии. Поток рабочей среды направлялся через патрубок входного штуцера и патрубок коллекторной линии в межтрубную полость, где осуществлялся процесс теплообмена между средами. В момент возрастания гидравлического сопротивления в полости межтрубногопространствапризапускесиловыхустановокЛАна«холодных» режимах избыточная часть потока через кольцевой зазор направлялась в коллекторную линию и далее во внешнюю магистраль.При этом основная часть потока направлялась в межтрубную полостьдля осуществлениятеплообмена и увеличение подвижности рабочей среды находящейся в ней. Данный проект средства защиты
235
отразрушения полости межтрубного пространства сталтехническим воплощением причины неограниченности технических возможностей теплообменника, техническим овеществлением его надёжной и эффективной работы. Совокупность необходимых и достаточных конструкторских и технологических изменений в устройстве защиты полостей теплообменника составила конструктивную и технологическую схему предложенного теплообменника, где у средства для защиты внутренних полостей теплообменника отсутствуют подвижные части: клапан и пружина. Запирание обходной линии от поступления в неё рабочей среды осуществлялось за счёт образования в зоне кольцевого зазора динамически пониженного давления рабочей среды.Скачки давления в магистрали приводили к уменьшению скорости потока в зоне кольцевого зазора, вплоть до остановки его хода, и соответственно росту давления в зоне зазора, в результате чего часть потока через зазор направлялась во внешнюю магистраль и, таким образом, в полостях теплообменника действовало только значение рабочего давления среды. наиболее эффективной криволинейной формой патрубков для полости входного штуцера и окна коллекторной линии был выбран хорошо известный профиль труб Вентури. За счёт эффекта эжекции в зоне кольцевого зазора образованного из данных труб Вентури динамическое давление рабочей среды было меньше, чем давление рабочей среды в обходной магистрали.Этоприводилокдвижениючастирабочейсредыизобходной магистрали в полость межтрубного пространства. Такая циркуляция среды способствовала увеличению подвижности рабочей среды в межтрубной полости и интенсификации теплообмена при запусках силовых установок ЛА. Равновесие динамического давления потока и давления среды в коллекторной линии при установившемся режиме работы теплообменника обеспечивалось перекрытием кромок патрубков формирующих кольцевой зазор. Конструктивно данное средство защиты обеспечивало его стыковку с оставшимися без изменений физическими параметрами и конструктивными элементами теплообменника, благодаря чему достигалось сложение изменённой и неизменённой частей в единое целое и, таким образом, обеспечивалась эксплуатационная и промышленная применимость изобретения. Синтезированная конструктивно и технологически данная схема теплообменника является техническим воплощением модели простора (свободы) его технических возможностей в получениитребуемой пользы стребуемымтехническим результатом—сна-
236
дёжным и эффективным теплообменом рабочих сред. Изменения образовали техническое овеществление интеллектуальной и материальной ценностей в теплообменнике. Они составили объём прав автора изобретения. Оставшаяся без изменений часть конструкции теплообменника составила долю преемственности переходящую от прототипа к потенциальному изобретению. Как только новый техническийобъектконструктивноитехнологическибылсоздан,его качественные изменения перешли в сущность потенциального изобретения и стали его существенными и отличительными признаками. Используя признаки потенциального изобретения, проводился необходимый патентный поиск и проверка наличия у него новизны. То,что прототип защищён авторским свидетельством,упростило эту работу и позволило установить у данного потенциального изобретения наличие новизны. наличие новизны у потенциального изобретения позволило принять решение и приступить к работе по признанию разработанного теплообменника изобретением. Рисунок предложенного теплообменника.
Кратко изложим принцип работы теплообменника. Теплообменник содержит трубки 1, в которых протекает сре-
да, охлаждаемая или нагреваемая другой средой циркулирующей в межтрубном пространстве 2. Полость входного штуцера 3 сообщена с полостью приемного коллектора 4 посредством кольцевого зазора 5. Зазор 5 образован отрезками труб Вентури 6 и 7 сочлененными конфузорами (сужениями), при этом диффузор трубы 6
237
соединен с полостью входного штуцера 3, а диффузор трубы 7 — с проемом окна 8 межтрубного пространства 2 коллектора 4. Через окно 9 среда из межтрубного пространства 2 поступает в коллектор 4 и направляется в полость выходного штуцера 10 и далее во внешнюю магистраль. При рабочем режиме работы за счет эффекта эжекции в зоне кольцевого зазора 5 устанавливается равновесие давлений по обе стороны кольцевого зазора и незначительная часть среды из коллектора 4 поступает вместе с основным потоком в межтрубное пространство 2 на интенсификацию процессов теплообмена. на «холодных» режимах эксплуатации при запуске силовых установок происходит резкое возрастание гидравлического сопротивления потоку обусловленное низкой начальной скоростью течения среды в межтрубном пространстве 2. Эффектэжекции в зоне кольцевого зазора 5 исчезаети избыточная часть потока через зазор 5 поступает в коллектор 4 и направляется в полость выходного штуцера 10 и далее во внешнюю магистраль. Поток рабочей среды, движущийся по коллектору 4 в полость выходного штуцера 10, увлекает через окно 9 часть рабочей среды из межтрубного пространства 2. Это приводит к росту скорости течения рабочей среды в межтрубном пространстве 2 и снижению гидравлического сопротивления основному потоку. После некоторой циркуляции среды и достижения ею рабочих значений температур гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве 2 снижается до эксплуатационных значений. Свободное течение и скорость среды от окна 8 до окна 9 межтрубного пространства 2 восстанавливается. Эффект эжекции в зоне кольцевого зазора 5 возникает вновь и направление движения среды в коллекторе 4 возвращается в исходное состояние. Переходы от нештатного к штатному режиму и обратно протекают в широком диапазоне изменений эксплуатационных условий плавно, без резких колебаний давления среды. Таким образом, осуществляется защита межтрубной полости теплообменника от разрушения.
Формула изобретения.
Теплообменник, содержащий корпус с пучком труб размещенных в трубных досках, входные и выходные штуцеры для трубной и межтрубной сред и центрально размещенный коллектор соединенный окнами с межтрубным пространством, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в приемной полости коллектора установлены патрубки, выполненные в виде отрезков труб Вен-
238
тури и сочлененные в зоне кромок их конфузоров с зазором, при этом диффузор первого по ходу среды патрубка соединен с входнымштуцером,адиффузорвторого — спроемомокнавмежтрубное пространство.
СЛОВО О ПРАКТИКе, КОТОРУЮ СЛеДУеТ ПРИОБРеТАТь ЛИЧнО
Учебник позволяет получить знания, показать практические методыиприёмы.ноонневсостояниизаставитьучащегосяприменять изложенный там опыт. Более того, если у него нет заинтересованности в обогащении собственной созидательной деятельности и трате сил на освоение чужого. Каждому ближе оказывается собственный опыт. Любая практическая и научная дисциплина требует личных усилий в применении её положений. Изобретеника не исключение и тоже требует наработки личного опыта изобретательской работы, чтобы быть полноценным учебным и методическим пособием. Поэтомутольколичный опытв применении рассмотренных положений позволяет приобрести профессиональную квалификацию и специальность изобретателя и дать свою оценку их практической и научной обоснованности. Для тренировки и практики выберите хорошо знакомый объект изобретения, найдите по МПК подходящий ему прототип защищённый патентом (это существенно упростит проверку новизны). например, для тренировки возьмите сначала сепаратор влаги с подвижной крыльчаткой а. с. 356918 или а. с. 625440. И полученный опыт используйте на лично выбранном объекте изобретения. Исследуйте технические возможности решения использованного в нём. Установите предел технических возможностей выбранного объекта изобретения и причину их ограниченности в деле производства требуемой пользы. Для чего исследуйте физические процессы и механизмы работы средств, задействованных в производстве требуемой пользы, а также причины препятствующие получению большего объёма пользы с требуемым техническим результатом. Установите строго определённую, однозначную взаимосвязь между пределом технических возможностей рассматриваемого средства производящего пользу и причиной её ограниченности. Составьте схему или модельпомехтехническим возможностям,то есть связь между пределом технических возможностей, с одной стороны, и причиной их ограниченности, с другой. Путём обращения
239