Результат интеллектуальной деятельности: ОПУСКНАЯ ТРУБА

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии и пресной воды и гидравлических трубопроводных систем.

В работах Федяевского К.К. Снижение сопротивления трения путем изменения физических констант на стенке. Доклады АН СССР, 9-10, 1943 и Корнилова В.И. Использование микровдува воздуха через пористую стенку для снижения трения на плоской пластине. Вестник Новосибирского университета. Т. 5, вып. 3, 2010. описан способ уменьшения трения (на 45-47%) о твердую поверхность путем вдува газа в пограничный слой. Этот очень эффективный способ снижения гидравлического трения использован в рекордных самых скоростных отечественных торпедах типа "Шквал" (О. Капцов «Есть ли торпеда опаснее «Шквала»? Военное обозрение, 20.06.2013). Однако ввод газа с головной части обтекаемого жидкостью тела может обеспечить газовую пленку на относительно небольшом расстоянии от места ввода газа, несравнимо меньшем, чем длины трубопроводов. Кроме того, необходимы большие энергетические затраты для поддержания газовой пленки, а также резко возрастает гидравлическое сопротивление при случайном выходе части твердой поверхности из газовой пленки при маневрах торпеды.

Известным техническим решением, наиболее близким к рассматриваемому, является патент RU 2073129 «Средство снижения сопротивления трения тел в жидкой среде устройство его реализации», МПК F15D 1/06, опубл. 27.04.1993, авт. Денисов Э.П., Григорьев В.Ю., Дорощенко А.В. и др. В нем для снижения гидравлического сопротивления на внутреннюю поверхность трубы наносится гидрофобное покрытие. Однако снижение гидравлического сопротивления существенно меньше, чем в предыдущем случае.

Задачей настоящего изобретения является существенное снижение гидравлического трения в опускных трубах, позволяющее пропускать большие расходы жидкости через небольшие проходные сечения с минимальными энергетическими потерями, а также сохранять малое гидравлическое трение при случайных колебаниях трубы. Это позволяет в опускных трубах возобновляемых источников энергии и пресной воды из облаков (патент RU 2407914 C1 «Способ и устройство возобновляемого получения электроэнергии и чистой воды», МПК F03B 13/00, опубл. 27.12.2010, авт. Байбиков А.С. и патент RU 2500854 C1 «АЭРО ГЭС», МПК E02B 9/00, F03B 13/00. Опубл. 10.12.2013, авт. Казанцев А.Н.), соединяющих воздушную и наземную части, использовать трубы с минимальными наружным и соответственно проходным сечениями, чем достигается минимальное ветровое аэродинамическое сопротивление и вес воды в трубе при минимальных гидравлических потерях. Это позволяет уменьшить необходимую подъемную силу и объем поддерживающих аэростатов, а также нагрузки в привязных тросах.

Это достигается путем выполнения основного участка трубы из двух слоев: в виде связанных между собой силовой сетки и внутренней сплошной супергидрофобной пленки, пронизанной системой микроотверстий, причем оси их составляют с осью трубы, направленной от входного участка к выходу основного участка, угол от 90 до 160 градусов, или сплошной стенки с внутренним супергидрофобным покрытием с аналогичной системой сквозных микроотверстий.

На фиг. 1 и 2 представлено устройство опускной трубы.

Вертикальная опускная труба (см. фиг. 1) включает начальный неперфорированный ограниченный поверхностями вращения участок 1 с внутренним супергидрофобным покрытием 2. К нему прикреплен и продолжает основной ограниченный аналогичными поверхностями (в частности цилиндрическими) основной участок, стенка которого выполнена из скрепленных между собой силовой сетки 3 и внутренней супергидрофобной пленки 4. Сквозная перфорация супергидрофобной пленки на основном участке, как показано на фиг. 2, выполнена в виде густой сетки микроотверстий 5. Угол между осями 6 микроотверстий, направленными от внутренности трубы, и осью 7 трубы, совпадающей с направлением от входного участка к выходу основного, находится в диапазоне от 90 до 160 градусов. Основной участок 3 также может быть выполнен в виде силовой сплошной трубы с внутренним гидрофобным покрытием 4. Перфорация на основном участке в этом случае, как показано на фиг. 3, выполнена в виде густой сетки сквозных микроотверстий с осями 6.

Труба прикреплена к удерживающему аэростат тросу 8 сетчатым хомутом 9.

Вода, поступающая в начальный участок 1 вертикальной опускной трубы под действием силы тяжести ускоряется до уровня скорости, не вызывающей существенные гидравлические потери с учетом снижения гидравлического трения из-за супергидрофобного покрытия 2. Соответственно увеличивающейся скорости уменьшается проходное сечение трубы.

Далее вода поступает внутрь 4 основного перфорированного участка. Так же, как в эжекторе (см. http://en.wikipedia.org/wiki/ejector) в струе воды давление ниже, чем в окружающей воздушной среде, проникающей через сквозные микроотверстия 5 в пленке или сплошной стенке трубы к текущей воде. Этот воздух и создает газовый слой между жидкостью и стенкой, снижающий потери на трение. Как в эжекторах, этому способствует вдув газа по направлению потока через косые относительно стенки микроотверстия 5. Это стало возможным при использовании недавно разработанной технологии изготовления трековых мембран на ускорителях ионов, которые, проникая в твердый материал, изменяют структуру материала по траектории ионов, создавая прямые или впоследствии вытравливаемые микроканалы (Реутов В.Ф., Дмитриев С.Н. Ионно-трековая нанотехнология. Российский химический журнал, т. XLVI, 5, 2002). Эта технология обеспечивает высокую равномерность расположения и ориентации микроотверстий. В соответствии с увеличивающейся скоростью проходное сечение трубы продолжает уменьшаться. Вследствие непосредственного превращения энергии, полученной потоком, в скорость возникающий незначительный перепад давления между атмосферой и потоком воспринимается силовым элементом: сеткой или сплошной стенкой. Повышению устойчивости трубы способствует супергидрофобная пленка или покрытие 4, которое отталкивает молекулы воды и в зазор между потоком и стенкой проникают молекулы воздуха. Это сохраняет газовую пленку даже при случайных движениях трубы при порывах ветра, которые могут воздействовать на длинную опускную трубу в составе установки для возобновляемого производства энергии и пресной воды.

Этот эффект, а также силовое воздействие струи на препятствие не дают возможности схлопывания трубы от внешнего давления. Аэродинамические и силовые нагрузки, действующие на трубу, воспринимает привязной трос 7 аэростата, жестко прикрепляющий трубу с помощью сетчатого хомута 8.

Конкретная реализация изобретения может быть проиллюстрирована на примере опускной трубы возобновляемого источника энергии и воды, основной участок которой имеет длину 3000 м, пропуская 350 куб. м/час воды. При допустимой (по условиям энергопотерь) входной скорости 2 м/с входной внутренний диаметр основного участка 250 мм. В соответствии с ускорением потока под действием силы тяжести диаметр трубы изменяется приблизительно обратно пропорционально корню четвертой степени от входа. На выходе внутренний диаметр трубы 22,5 мм. Во внутренней пленке из гидрофобного полиэтилентетрафталата (по вышеупомянутому патенту RU 2073129) выполняется сеть сквозных микроотверстий диаметром 5 мкм, используя ионно-трековую технологию (см. выше). Оси отверстий составляют тупой угол с направлением потока, что обеспечивает эжекторный эффект подсоса воздуха из окружающей атмосферы. Силовые нагрузки воспринимает прикрепленная к пленке наружная силовая сетка из полиэстерных нитей, из которых изготавливаются стандартные аэроткани аэростатов.

В случае существенного увеличения мощности ускорителей, использующихся в ионно-трековой технологии, появляется возможность выполнения микроотверстий в твердых материалах большой толщины и сквозная перфорация в сплошных стенках трубы совместно с внутренним супергидрофобным покрытием. Так как перепад давления в потоке воды и в окружающей атмосфере незначителен, толщина стенки трубы может быть минимальной.

Опускная труба крепится к привязному тросу аэростата сетчатыми хомутами из полиэстерных нитей, незначительно препятствующих доступу воздуха, позволяющими передать аэродинамические ветровые и силовые нагрузки трубы на трос. Такая конструкция обеспечивает внутренний диаметр трубы до высоты 2 км меньший, чем 30 мм. Таким образом, обеспечиваются минимальные аэродинамическое сопротивление в наиболее плотных слоях атмосферы, вес воды в трубе.

Техническим результатом предлагаемого устройства является уменьшение энергетических потерь при высоких скоростях воды, снижение диаметра и стоимости опускной трубы, внешнего аэродинамического сопротивления и веса воды в трубе. Это позволяет существенно снизить необходимую подъемную силу и стоимость аэростатов, удерживающих опускную трубу, а также диаметр и стоимость привязных тросов.

Безусловно, предложенное конструктивное решение для основного участка может использоваться для снижения гидравлического трения в длинных высокоскоростных трубопроводах стационарных гидравлических систем низкого давления, снижения их массы и стоимости.