МУЛЬТИТУННЕЛЬНОЕ СОПЛО ПОСТОЯННОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ДЛЯ ТУРБУЛЕНТНО-ЛАМИНАРНОГО ПЕРЕХОДА Российский патент 2024 года по МПК F15D1/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к средствам устранения турбулентности потока воды, вытекающей из сопла, а именно к специальным соплам, предназначенным для воздействия на поток воды путем принудительного разделения входящего в сопло потока воды на множество внутренних потоков воды меньшего условного диаметра для обеспечения турбулентно-ламинарного перехода потока воды.

Уровень техники

Общеизвестно сопло постоянного поперечного сечения (прототип), представляющее собой канал постоянного поперечного сечения (круглой, прямоугольной или иной формы), предназначенный для подачи жидкостей или газов с определенной скоростью и в требуемом направлении. Другими словами - это цилиндрический патрубок, один конец которого присоединен к источнику жидкости или газа, а из другого в окружающее пространство истекает струя: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сопло.

Признаки общеизвестного сопла (прототипа), общие с признаками заявленного для патентования сопла, включают все признаки общеизвестного сопла.

Причина, препятствующая получению в общеизвестном сопле (прототипе) технического результата, который обеспечивается заявленным для патентования соплом, заключается в принципиальной невозможности турбулентно-ламинарного перехода текучей среды, проходящей через это общеизвестное сопло, так как поток на входе этого сопла, внутри этого сопла и на выходе этого сопла является одним и тем же (нераздельным) турбулентным потоком, характеризующимся фактически неизменными на всем протяжении потока текучей среды (вход в сопло, канал сопла, выход из сопла) основными параметрами потока, определяющими его турбулентный характер (скорость, условный диаметр).

Известно устройство для преобразования турбулентного потока воды в ламинарный (прототип), содержащее емкость, в которой установлен блок закрепленных рядами по всей площади емкости профильных труб, расположенных вертикально, в которых турбулентный поток разбивается на малые по мощности турбулентные потоки в соответствии с количеством профильных труб в блоке, и за счет выравнивания давления во всех этих потоках при равных скоростях движения происходит преобразование этих маломощных потоков в ламинарный поток большой мощности (см. описание изобретения по патенту RU №2459667 С2, МПК B03D 1/14, приоритет от 13.04.2022, опубликовано 27.08.2012 Бюл. №24).

Признак известного устройства (прототипа), общий с признаками заявленного для патентования сопла, заключается в наличии патрубка. При этом общим является физический принцип, заключающийся в разделении исходного (входного) турбулентного потока воды на множество производных потоков воды меньшего условного диаметра каждый, но имеющих при этом примерно ту же скорость течения.

Причина, препятствующая получению в данном известном устройстве (прототипе) технического результата, который обеспечивается заявленным для патентования соплом, заключается в том, что в известном устройстве для искомого разделения исходного потока на множество производных потоков используют множество профильных труб (множество патрубков), что делает конструкцию сложной и, кроме того, в этой конструкции практически невозможно формирование на выходе единого ламинарного потока, свободно вытекающего в виде струи из выпускного отверстия сопла.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное для патентования техническое решение, заключается в необходимости создания специального сопла в виде патрубка, характеризующегося простой и надежной конструкцией.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат, опосредствующий решение данной технической проблемы, заключается в том, что вместо множества профильных труб (т.е. вместо множества патрубков) используется лишь один патрубок (одна труба, один отрезок трубы), в котором входной поток воды разделяют при помощи внутренних продольных пластин на множество внутренних потоков (иначе - туннельных потоков), каждый из которых имеет существенно меньший условный диаметр относительно входного потока, причем такой, при котором обеспечивается та величина числа Рейнольдса, которая характерна для ламинарного течения (т.е. фактическая величина числа Рейнольдса становится меньше критической величины числа Рейнольдса). При этом скорость каждого внутреннего (туннельного) потока практически равна скорости входного потока (при условии абстрагирования от некоторых технологических потерь) благодаря тому, что при таких обстоятельствах не выполняется условие неразрывности потока. Таким образом, преобразование турбулентного потока в ламинарный происходит внутри одного отрезка трубы (сопла) за счет расщепления внутри него входного турбулентного потока с образованием множества туннельных потоков меньшего условного диаметра (т.е. ламинарных потоков), а на выходе отрезка трубы (сопла) происходит объединение ламинарных туннельных потоков в один выходной ламинарный поток, вытекающий из сопла в виде объединенной ламинарной струи с тем же условным диаметром, что и условный диаметр входного турбулентного потока. Таким образом, обеспечивается упрощение конструкции устройства для турбулентно-ламинарного перехода потока воды и повышение надежности благодаря использованию одной трубы (отрезка трубы) вместо множества труб.

Достигается технический результат тем, что мультитуннельное сопло постоянного поперечного сечения для турбулентно-ламинарного перехода потока воды представляет собой патрубок, внутри которого установлены четыре продольно ориентированные пластины, так что в прямоугольной системе координат OX, OY, OZ эти пластины ориентированы своими плоскостями параллельно оси апликат OZ, одновременно являющейся осью указанного патрубка, при этом эти пластины связаны между собой и делят канал патрубка на восемь продольных туннелей, так что одна пластина из указанных четырех пластин расположена параллельно координатной плоскости ZOX, а другие пластины из указанных четырех пластин расположены параллельно координатной плоскости YOZ, причем эти другие пластины расположены на расстоянии друг от друга и от внутренних стенок патрубка для образования восьми продольных туннелей мульти-туннельного сопла.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена фотография опытного образца мультитуннельного сопла постоянного поперечного сечения для турбулентно-ламинарного перехода потока воды, а именно вид сбоку и со стороны его выходного торца; на фиг. 2 приведена фотография того же сопла, вид сбоку и со стороны его входного торца; на фиг. 3 схематично показано вертикальное (продольное) сечение группы продольных (т.е. ориентированных в направлении оси Z) пластин сопла, разделяющих канал сопла (патрубка) на продольные туннели, в ортогональных осях координатах X-Z, где X - одна из поперечных для сопла осей, Z - продольная для сопла ось; на фиг. 4 схематично со стороны любого торца сопла (входного или выходного; или в поперечном сечении сопла) показана группа продольных (т.е. ориентированных в направлении оси Z) пластин сопла, разделяющих канал сопла на продольные туннели, в ортогональных осях координатах X-Y, где X - та же поперечная для сопла ось, Y - другая поперечная для сопла ось.

Осуществление изобретения

Мультитуннельное сопло постоянного поперечного сечения для турбулентно-ламинарного перехода потока воды представляет собой цилиндрический патрубок 1, один конец которого предназначен для присоединения к источнику воды, а другой - для истечения струи этой воды в окружающее пространство. При этом указанная мультитуннельность сопла обеспечивается установленной внутри патрубка 1 и закрепленной в нем сваркой объемной пластинчатой конструкцией, состоящей из четырех продольно ориентированных пластин 2-5 (т.е. пластинчатых продольных перегородок), создающих внутри сопла (т.е. внутри патрубка 1) восемь продольных туннелей 6.

Рассматривая данные пластины 2-5 (пластинчатые перегородки) в прямоугольной системе координат OX, OY, OZ, надо отметить, что все эти пластины ориентированы своими плоскостями параллельно оси апликат OZ, одновременно являющейся осью патрубка 1 (осью сопла). Кроме того, пластины 2-5 связаны между собой сваркой и тем самым образуют единую объемную пластинчатую конструкцию. При этом одна из них, а именно пластина 2, расположена параллельно координатной плоскости ZOX (или условно в самой этой плоскости, но в любом случае по диаметру сопла), а другие пластины 3-5 расположены параллельно координатной плоскости YOZ, причем эти другие 3-5 расположены на расстоянии друг от друга и от внутренних стенок патрубка 1 для образования туннелей 6, которые как раз и создают искомую мультитуннельность сопла.

Возможность турбулентно-ламинарного перехода в рассматриваемом мультитуннельном сопле обусловлена известным гидравлическим законом, выраженным формулой Рейнольдса: Re=υ⋅d/ν, где ν - средняя скорость потока воды, d - диаметр потока (т.е. условный диаметр), ν - кинематический коэффициент вязкости воды, Re - число Рейнольдса. При этом из опыта широко известно критическое число Рейнольдса для круглого потока (Re_кр. ≈ 2300), так что при Re<Re_кр. имеет место ламинарный поток, а при Re>Re_кр. - турбулентный. Отсюда следует, что для турбулентно-ламинарного перехода в отношении определенной текучей среды (в нашем случае это вода) надо либо уменьшать и, либо уменьшать d, либо уменьшать оба. Однако в ряде применений (например, в аквавендинге) уменьшение v не представляется возможным, вследствие чего искомый турбулентно-ламинарный переход возможен только за счет значительного уменьшения d. Однако, если это уменьшение d осуществить за счет уменьшения условного диаметра потока, то эффект турбулентно-ламинарного перехода не будет достигнут, так как в соответствие с известным в гидравлике законом неразрывности потока уменьшение d неизбежно ведет к соответствующему (компенсирующему) увеличению υ. Надо, следовательно, уменьшить d так, чтобы при этом не произошло увеличение υ. Это возможно только путем создания условия, при котором не действует закон неразрывности потока. Другими словами, входящий в сопло поток (в патрубке 1 с условным диаметром d_pat) должен быть расщеплен (разделен) на несколько туннельных потоков, условный диаметр каждого из которых d_tun значительно меньше условного диаметра d_pat. Эту функцию как раз и выполняет мультитуннельное сопло постоянного поперечного сечения, в котором указанное расщепление (разделение) входящего потока на множество туннельных потоков меньшего условного диаметра осуществляют продольно ориентированные пластины 2-5, являющиеся продольными пластинчатыми перегородками и тем самым исключающие действие закона неразрывности потока.

Функционирование мультитуннельного сопла на примере его применения в аквавендинговом аппарате происходит следующим образом.

Покупатель воды устанавливает свою тару в камеру налива на дно этой камеры, подводя горлышко тары под сопло. При этом расстояние между выходным отверстием сопла и входным отверстием горлышка тары является значительным. Далее, при включении насоса подачи потока воды по соответствующему трубопроводу этот турбулентный поток через мультитуннельное сопло подается в тару покупателя. При этом благодаря наличию пластин 2-5 происходит расщепление (разделение) этого исходного турбулентного потока на множество (конкретно, восемь) туннельных потоков, каждый из которых имеет условный диаметр примерно в восемь раз меньший относительно условного диаметра исходного турбулентного потока. Этого, как выяснилось в экспериментах с соплом, показанном на фиг. 1 и 2 и предназначенным для использования в аквавендинговом аппарате, оказывается достаточным, чтобы преобразовать турбулентный поток воды в аквавендинговом аппарате в ламинарный, сохраняющий эту ламинарность на вертикальном пути вниз по крайней мере 600 мм при внутреннем диаметре сопла 14 мм и длине сопла 20 мм.

Изобретение относится к специальным соплам, предназначенным для воздействия на поток текучей среды путем принудительного разделения входящего в сопло потока на множество внутренних потоков меньшего условного диаметра для обеспечения ее турбулентно-ламинарного перехода. Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в необходимости создания специального сопла в виде патрубка, характеризующегося простой и надежной конструкцией. Технический результат, опосредствующий решение данной технической проблемы, заключается в том, что вместо множества профильных труб используется лишь один патрубок. Мультитуннельное сопло постоянного поперечного сечения для турбулентно-ламинарного перехода потока воды представляет собой патрубок, причем внутри этого патрубка установлены четыре продольно ориентированные пластины, которые в прямоугольной системе координат OX, OY, OZ ориентированы своими плоскостями параллельно оси апликат OZ, одновременно являющейся осью этого патрубка, при этом эти пластины связаны между собой и делят канал патрубка на восемь продольных туннелей, так что одна пластина из указанных четырех пластин расположена параллельно координатной плоскости ZOX, а другие пластины из указанных четырех пластин расположены параллельно координатной плоскости YOZ, причем эти другие пластины расположены на расстоянии друг от друга и от внутренних стенок патрубка для образования восьми продольных туннелей мультитуннельного сопла. 4 ил.

Мультитуннельное сопло постоянного поперечного сечения для турбулентно-ламинарного перехода потока воды, представляющее собой патрубок, отличающийся тем, что внутри этого патрубка установлены четыре продольно ориентированные пластины, которые в прямоугольной системе координат OX, OY, OZ ориентированы своими плоскостями параллельно оси апликат OZ, одновременно являющейся осью этого патрубка, при этом эти пластины связаны между собой и делят канал патрубка на восемь продольных туннелей, так что одна пластина из указанных четырех пластин расположена параллельно координатной плоскости ZOX, а другие пластины из указанных четырех пластин расположены параллельно координатной плоскости YOZ, причем эти другие пластины расположены на расстоянии друг от друга и от внутренних стенок патрубка для образования восьми продольных туннелей мультитуннельного сопла.