СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ФАСОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ПРОФИЛИРУЮЩИМИ ВСТАВКАМИ
CONNECTING SHAPED ELEMENT WITH SHAPING INSERTS

Изобретение относится к санитарной технике и может использоваться для совершенствования соединительных фасонных элементов трубопроводных коммуникаций, таких как пылегазопроводы систем газоочистки, воздуховоды систем вентиляции, дымоходы и другие, с целью снижения коэффициентов местного сопротивления и уменьшения энергетических затрат при транспортировке текучих сред.
В трубопроводах и каналах для перемещения текучих сред практически всегда встречаются повороты или/и участки переменного сечения. Такие места обустраивают стандартными, типовыми или индивидуально сконструированными соединительными фасонными элементами (отводами, переходами и др.). При их прохождении искривляется траектория и изменяется сечение потока, что сопровождается образованием отрывных зон с обратными токами (вихреобразованием). Затрата энергии текучей среды на соответствующую перестройку структуры в соединительном фасонном элементе зависит от интенсивности вихреобразования и характеризуется коэффициентом местного сопротивления (KMC), определяемым опытным путем. Источниками отрывных зон могут служить острые кромки, а также плавные участки профилей соединительных фасонных элементов, контуры которых не совпадают с траекторией потока.
Известна конструкция соединительной фасонной части в виде отвода, симметрично изогнутого по определенному радиусу путем скругления острых кромок. Это ведет к уменьшению KMC фасонной части и затрат энергии на ее прохождение (см.: Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - диаграмма 6-9, с. 289). Однако отрывные зоны в отводах имеют несимметричные профили с более сложными очертаниями, чем окружность, ввиду чего указанный способ не позволяет устранить по существу влияния зон вихреобразования на потери давления и, соответственно, обеспечить существенное снижение энергозатрат.
Также известна конструкция отвода 1 (см. фиг. 1) с низкими потерями давления (см. патент А.С. Siciliano, US Patent No. 2590797, 25 March 1952) для жидкостных каналов, имеющих прямоугольное сечение, на внутренние поверхности углов которого устанавливаются скривленные поверхности 2, 3. Формулой указанного патента фиксируются значения радиусов скривления поверхностей относительно ширины канала (от одной четвертой до четырех третьих) и условие превосходства величины угла дуги вставки над углом указанного отвода.
Описанная выше конструкция также ведет к понижению KMC и потери давления в прямом отводе. При этом в отличие от предыдущего аналога применение вставки позволяет сохранять формы соединительных фасонных элементов и не изменять технологию их изготовления. Вместе с тем, как и предыдущий аналог, данное предложение не претендует на устранение по существу влияния зон вихреобразования на потери давления и на существенное снижение энергозатрат. Причина заключается в том, что фиксируемые формулой патента постоянство радиусов кривизны изогнутых поверхностей вставок 2, 3 и их симметричность относительно биссектрисы прямого угла отвода 1 не соответствуют профилям реальных зон отрыва в отводе, имеющим более сложную геометрию, чем окружность. Поэтому вставки по патенту А.С. Siciliano, (US Patent No. 2590797) не могут быть спрофилированы по очертаниям зон отрыва.
max
Известна конструкция изогнутого соединительного элемента для организации поворота потока текучей среды (Изогнутый соединитель и способ его изготовления. DE 19542175 А1 / Kuppers, Udo; дата заявки 02.11.95, дата публикации 15.05.97), с постоянной, в сущности, по всей длине формой (и площадью) поперечного сечения, скривление которого между сопрягающимися с ним концами первой и второй трубы или канала описывается с помощью функции K(х, у, r), имеющей по крайней мере один максимум (K) в точке или в части, расстояние до которой от конца первой трубы отличается от расстояния до конца второй трубы.
В математическом выражении функции K(х, у, r) приняты следующие обозначения:
K - функция, описывающая скривление между сопрягающимися с фасонным элементом концами соединяемых трубы или канала;
х - одна из двух поперечных потоку координат скривления;
у - поперечная потоку координата скривления, отличная от координаты х;
r - продольная потоку координата скривления.
Несимметричность, указанная в п. 1 формулы претензии цитируемого патента DE 19542175 А1, позволяет приблизить профиль отвода к реальной траектории потока текучей среды. Однако указанная несимметричность отвода также вызывает по месту его соединения с трубопроводами или каналами несимметричность механических нагрузок на соединительные детали, например на фланцы. В процессе эксплуатации это ведет к искажению проектной формы профиля, а при его достаточной жесткости отрицательно влияет и на другие эксплуатационные характеристики, например на герметичность стыков, целостность крепежных деталей.
Поэтому этап определения путем замеров или вычислительными методами формы отвода как процесса оптимизации, в частности, по сопротивлению потока, авторами цитируемого патента DE 19542175 А1 (п. 13 формулы претензии) предлагается, по сути, ограничить, принимая за лучшее значение оптимизационной величины самое низкое сопротивление потока, выбранное из результатов испытания соединительного элемента с самой низкой механической нагрузкой.
Из изложенного явствует, что в качестве лучшего значения оптимизационной величины здесь путем натурных замеров, или на основе результатов численного эксперимента, или любыми другими методами не может быть подобран вариант отвода с минимально возможным сопротивлением. Причина в том, что самая низкая механическая нагрузка будет у фитинга с симметричным (или максимально приближенным к симметричному) профилем, так как напряжения на сопрягающихся с таким фитингом концах труб или каналов будут максимально компенсировать друг друга. Однако для траектории потоков текучих сред на поворотах характерна несимметричность. Поэтому устройство по цитируемому патенту DE 19542175 А1 позволяет создать соединительный элемент не с минимально возможным сопротивлением, а с минимальным сопротивлением для фитинга с самой низкой механической нагрузкой, т.е. для фитинга с профилем, максимально приближенным к симметричному, как и в предыдущих аналогах. Поэтому предложения по цитируемому патенту DE 19542175 А1, как и предыдущие аналоги, не претендуют на устранение по существу влияния зон вихреобразования на потери давления и на существенное снижение энергозатрат.
Наиболее близким аналогом по сущности технического решения является конструкция оптимизированного по потоку трубопроводного отвода с варьируемой кривизной стенок (патент WO 2009/127192 А1, МПК F16L 43/00, Friebel, Wolf-Christoph, Naber, Hans-Joachim, приоритет 22.10.09), который вносит усовершенствование в предыдущий патент DE 19542175 А1 с целью снятия ограничения для оптимизации профилей отводов по траектории проходящего в них потока. Однако в патенте (WO 2009/127192 А1, МПК F16L 43/00, Friebel, Wolf-Christoph, Naber, Hans-Joachim, приоритет 22.10.09) учитывается и устраняется только один ограничительный фактор предыдущего патента DE 19542175 А1, выражающийся в требовании постоянства, по существу, площади поперечного сечения отвода. Авторы патента WO 2009/127192 А1 основываются на том, что для достижения оптимизированного по потоку профиля сечение на входе в отвод необходимо увеличить: это позволит уменьшить скорость, что и приведет к уменьшению потери давления в отводе.
Однако заметного снижения скорости потока на входе в отвод можно достичь только при значительном увеличении входного сечения по сравнению с выходным, поскольку при неизменном расходе скорость обратно пропорциональна площади сечения. Это приведет к значительному увеличению габаритных размеров отвода, а также к усложнению производства. Использование произвольных форм профилей соединительных фасонных элементов коммуникаций нежелательно также с позиции типизации и стандартизации.
Кроме этого такая конструкция принципиально не может привести к созданию отвода с минимально возможными потерями давления, так как на местное сопротивление типа «поворот потока» накладывается дополнительное местное сопротивление типа «сужение сечения потока».
Кроме этого ни один из 12 пунктов формулы патента WO 2009/127192 А1 не снимает основного ограничения предыдущего патента DE 19542175 А1, служащего препятствием к достижению оптимизированного по потоку профиля отвода. Как отмечалось, оно заключается в минимизации потерь давления только среди конструкций с самой низкой механической нагрузкой, т.е. максимально приближенных к симметричным профилям. Следовательно, конструкция оптимизированного по потоку отвода с варьируемой кривизной стенок по патенту WO 2009/127192 А1, ввиду несимметричности профиля проходящего по нему потока, также не может претендовать на устранение по существу влияния зон вихреобразования на потери давления и на существенное снижение энергозатрат.
Техническим результатом (задачей) данного изобретения является существенное снижение энергозатрат в соединительных фасонных элементах путем устранения по существу влияния зон вихреобразования при искривлении траекторий и изменении сечений потоков текучих сред на потери давления, без изменения габаритов и технологий изготовления соединительных фасонных элементов.
Технический результат достигается тем, что в соединительном фасонном элементе для трубопроводов и каналов транспортировки текучей среды, оси которых в области сопряжения с ним лежат в одной плоскости или проецируются в одной плоскости, а форма скривления между концами соединяемых труб или каналов описывается с помощью некоторой функции K(х, у, r), согласно изобретению скривление выполняют в виде профилирующей вставки, профиль поверхности которой со стороны текучей среды полностью совпадает с огибающей зону вихреобразования крайней линией тока, вид функции K(х, у, r) которой в конкретном соединительном фасонном элементе определяют заранее посредством натурных или численных испытаний.
Результат достигается также тем, что скривление, выполненное в виде профилирующей вставки, профиль поверхности которой со стороны текучей среды полностью совпадает с огибающей зону вихреобразования крайней линией тока, помещено в соединительный фасонный элемент стандартной или типовой конструкции, например в стандартный или типовой отвод, переход, тройник, крестовину или другие виды соединительных фасонных элементов пылегазопроводов, воздуховодов, дымоходов и других коммуникаций.
Результат достигается также тем, что во избежание смещения с положений, соответствующих надлежащим линиям тока текучей среды, профилирующие вставки в соединительных фасонных элементах фиксируют в положениях, соответствующих надлежащим линиям тока текучей среды, например, с использованием адгезивного слоя или механическим способом.
Результат достигается также тем, что в необходимых случаях, например в случае использования сложного по конструкции или мелкого соединительного фасонного элемента, в него помещают профилирующие вставки, выполненные, например, экструзией, литьем или 3D-печатью, например, из полимерных материалов.
Результат достигается также тем, что в случае транспорта текучей среды, оказывающей термическое, химическое абразивное или/и другое агрессивное воздействие текучей среды, в соединительный фасонный элемент помещают профилирующие вставки с защитным слоем, предохраняющим от термического, химического, абразивного или/и другого агрессивного воздействия текучей среды, который нанесен на соприкасающуюся с агрессивной средой поверхность вставки.
Изобретение поясняется чертежами фиг. 2-фиг. 9.
На фиг. 2-фиг. 6 представлены примеры использования профилирующих вставок для уменьшения потерь давления в соединительном фасонном элементе - отводе - с расширением сечения канала в два раза. На фиг. 7-фиг. 9 представлены примеры использования профилирующих вставок для уменьшения потерь давления в соединительном фасонном элементе - переходе типа «внезапное расширение», с сохранением направления оси потока.
На фиг. 2 показана характерная картина течения, полученная после визуализации результатов расчета движения текучей среды в прямом отводе 1 методами вычислительной гидродинамики. Вихревая зона 8 за острой кромкой 6 внутреннего угла отвода 1 ограничена линией тока 9, а вихревая зона 4 во внешнем углу 7 отвода 1 ограничена линией тока 5.
На фиг. 3 показан отвод 1 с профилирующими вставками 2 и 3, соответственно в его внешнем углу 7 и за острой кромкой 6 его внутреннего угла, с профилями поверхностей, совпадающими соответственно с линиями тока 5 и 9 (последние на фиг. 3 не отмечены). Вставки 2 и 3 изготовлены по варианту твердых скривленных поверхностей.
На фиг. 4 показан отвод 1 с вариантом профилирующих вставок 2, 3 в виде полых или сплошных элементов с профилями поверхностей со стороны текучей среды, совпадающими соответственно с линиями тока 5 и 9 (последние на фиг. 4 не отмечены). Окружностью с выносной линией и латинской буквой I на фиг. 4 обозначен выносной элемент чертежа, показанный далее на фиг. 5, 6 в увеличенном виде с целью представления некоторых вариантов способов, с помощью которых профилирующие вставки в соединительных фасонных элементах фиксируют в положениях, соответствующих надлежащим линиям тока текучей среды.
На фиг. 5 показан выносной элемент чертежа I, на котором представлен вариант фиксации на стенке 10 отвода 1 стенки 11 вставки, например, в виде полого или сплошного элемента с использованием адгезивного слоя 12.
На фиг. 6 показан выносной элемент чертежа I, на котором представлен вариант фиксации на стенке 10 отвода 1 стенки 11 вставки, например, в виде полого или сплошного элемента механическим способом, например на самонарезающих винтах 13.
На фиг. 7 показана характерная картина течения, полученная после визуализации результатов расчета движения текучей среды в канале переменного сечения типа «внезапное расширение» 14 методами вычислительной гидродинамики. Вихревые зоны 15, образующиеся за внешними углами 7 и острыми кромками 6 внутренних углов канала 14, ограничены линиями тока 16.
На фиг. 8 показан тот же канал 14 с вариантами профилирующих вставок 17 за внешними углами 7 и острыми кромками 6 внутренних углов канала 14, выполненных в виде скривленных поверхностей, профили которых совпадают с линиями тока 16 (последние на фиг. 8 не отмечены).
На фиг. 9 показан тот же канал 14 с вариантом профилирующих вставок 17, выполненных в виде полых или сплошных элементов, с профилями поверхностей со стороны текучей среды, совпадающими соответственно с линиями тока 16 (последние на фиг. 9 не отмечены).
Профилирующие вставки в отводе с расширением сечения (фиг. 2) работают следующим образом.
По варианту, представленному на фиг. 3, в отвод 1 помещены профилирующие вставки 2 и 3. Вставка 2 выполняется из твердого материала в виде скривленной поверхности, профиль которой совпадает с линией 5, ограничивающей вихревую зону 4, образовавшуюся во внешнем углу 7 отвода 1. Вставка 3 изготавливается из твердого материала в виде скривленной поверхности, профиль которой совпадает с линией 9, ограничивающей вихревую зону 8, образовавшуюся при срыве потока с острой кромки 6 внутреннего угла отвода 1.
Вставку из твердого материала в виде скривленной поверхности, профиль которой соответствует надлежащей линии тока, можно изготовить, например, штамповкой из листа по матрице, изготовленной по профилю, совпадающему с надлежащей линией тока, заданной, например, в виде функциональной зависимости K(х, у, r), например, при помощи 3D фрезеровальных станков с числовым программным управлением (ЧПУ) (например, гравировально-фрезерный станок Esfero 3D, см.: StepMOTOReN Станкостроительное предприятие: StepMOTOReN - Фрезерные станки с ЧПУ Esfero 3D-007 [Электронный ресурс]. URL:http://www.step3d.ru/step5.htm (Дата обращения: 09.06.2016)).
По варианту, представленному на фиг. 4, в отвод 1 помещены профилирующие вставки 2 и 3, изготовленные из твердого материала в виде полых или сплошных элементов. Поверхность профилирующей вставки 2 со стороны потока имеет профиль, совпадающий с линией 5, ограничивающей вихревую зону 4, а поверхности со стороны отвода 1 прилегают к стенкам внешнего угла 7. Поверхность профилирующей вставки 3 со стороны потока имеет профиль, совпадающий с линией 9, ограничивающей вихревую зону 8, а поверхность 11 со стороны отвода 1 прилегает к его стенке 10.
Профилирующие вставки из твердого материала в виде сплошных элементов могут изготавливаться при помощи указанных выше 3D фрезеровальных станков с ЧПУ, а также могут быть изготовлены с профилем поверхности, обращенной к текучей среде, совпадающим с надлежащей линией тока, заданной, например, в виде функциональной зависимости K(х, у, r), посредством печати на 3D-принтере (например, 3D-принтер PICASO 3D Designer, см.: Официальный сайт PICASO 3D - профессионализм в деталях.: 3D принтер PICASO 3D Designer [Электронный ресурс]. URL:http://picaso-3d.com/ru/products/printers/picaso-3d-designer/ (Дата обращения: 09.06.2016)).
Профилирующие вставки с подобным профилем поверхности, могут изготавливаться в виде полых элементов способом экструзионно-выдувного формования в матрицы, изготовленные при помощи указанных выше 3D-фрезеровальных станков с ЧПУ.
Помещают профилирующие вставки, выполненные из полимерных материалов, например, экструзией, литьем или 3D-печатью, например, в сложные по конструкции или мелкие соединительные фасонные элементы.
В обоих вариантах твердые поверхности вставок 2, 3, обращенные к потоку, воспринимают повышение давления текучей среды вниз по потоку при его расширении и препятствуют образованию обратных токов в отрывных зонах 4, 8. В итоге рост потенциальной энергии текучей среды при расширении потока вниз по течению в полной мере затрачивается на его дальнейшее продвижение по каналу.
В обоих вариантах профили поверхностей вставок 2, 3 со стороны потока подбираются таким образом, чтобы после помещения профилирующих вставок 2, 3 в отвод 1 визуализация натурного или виртуального течения в нем показывала незначительность или отсутствие вихреобразования.
Во избежание смещений в процессе эксплуатации оба варианта профилирующих вставок фиксируют в положениях, соответствующих надлежащим линиям тока текучей среды, например, на слое адгезива или механическим способом (для упрощения чертежей фиксация поверхности 11 вставки у стенки 10 отвода 1 на слое адгезива 12 и самонарезающих винтах 13 показана на фиг. 5, 6 только для варианта профилирующей вставки в виде полого или сплошного элемента).
В случае транспорта текучей среды, оказывающей термическое, химическое, абразивное или/и другое агрессивное воздействие текучей среды, в соединительный фасонный элемент помещают профилирующие вставки с защитным слоем.
Профилирующие вставки в канале с внезапным расширением 14 (фиг. 7) работают следующим образом. По варианту, представленному на фиг. 8, в канал 14 помещены профилирующие вставки 17, которые изготавливаются из твердого материала в виде скривленных поверхностей, профили которых совпадают с линиями 16, ограничивающими вихревые зоны 15, образовавшиеся при срыве потока с острых кромок 6 канала с 14.
По варианту, представленному на фиг. 9, в канал 14 помещены профилирующие вставки 17, которые изготавливаются из твердого материала в виде полых или сплошных элементов, поверхности которых со стороны потока имеют профили, совпадающие с линиями 16, ограничивающими вихревые зоны 15, а со стороны канала 14 поверхности профилирующих вставок 17 прилегают к стенкам, образующим его внешние углы 7.
Как и в случае с отводом (фиг. 2, 3, 4), в канале 14 профилирующие вставки в виде сплошных элементов могут изготавливаться с профилем поверхности, обращенной к текучей среде, совпадающим с надлежащей линией тока, заданной, например, в виде функциональной зависимости K(х, у, r), при помощи указанных выше 3D фрезеровальных станков с ЧПУ, а также могут быть напечатаны на 3D-принтере (например, 3D-принтер PICASO 3D Designer, см.: Официальный сайт PICASO 3D - профессионализм в деталях.: 3D принтер PICASO 3D Designer [Электронный ресурс]. URL:http://picaso-3d.com/ru/products/printers/picaso-3d-designer/ (Дата обращения: 09.06.2016)).
Как и в случае с отводом (фиг. 2, 3, 4), профилирующие вставки в виде полых элементов могут изготавливаться способом экструзионно-выдувного формования в матрицы с профилем поверхности, совпадающим с надлежащей линией тока, заданной, например, в виде функциональной зависимости K(х, у, r), изготовленные при помощи указанных выше 3D фрезеровальных станков с ЧПУ.
Как и в случае с отводом (фиг. 2, 3, 4), в канале 14 помещают профилирующие вставки, выполненные из полимерных материалов, например, экструзией, литьем или 3D-печатью, например, в сложные по конструкции или мелкие соединительные фасонные элементы.
Как и в случае с отводом (фиг. 2, 3, 4), в канале 14 твердые поверхности обоих вариантов профилирующих вставок 17 (фиг. 8, 9), обращенные к потоку, воспринимают повышение давления текучей среды вниз по потоку при его расширении и препятствуют образованию обратных токов в отрывных зонах 15. В итоге рост потенциальной энергии текучей среды при расширении потока вниз по течению в полной мере затрачивается на его дальнейшее продвижение по каналу.
Как и в случае с отводом (фиг. 2, 3, 4), профили поверхностей обоих вариантов профилирующих вставок 17 (фиг. 8, 9) для канала 14 с внезапным расширением подбираются так, чтобы после их помещения в канал 14 визуализация натурного или виртуального течения в нем показала незначительность или отсутствие вихреобразования.
Как и в случае с отводом (фиг. 2, 3, 4), в случае транспорта текучей среды, оказывающей термическое, химическое, абразивное или/и другое агрессивное воздействие текучей среды, в соединительный фасонный элемент помещают профилирующие вставки с защитным слоем.
Как и в случае с отводом (фиг. 4, 5, 6), в канале 14 оба варианта представленных на фиг. 8, 9 профилирующих вставок фиксируют в положениях, соответствующих надлежащим линиям тока текучей среды, например, на слое адгезива или механическим способом (во избежание усложнения чертежей фиксация профилирующих вставок на фиг. 8, 9 условно не показана).
Использование предложенного выше скривления, выполненного в виде профилирующей вставки, позволяет реконструировать в целях энергосбережения распространенные типы соединительных фасонных элементов стандартных и типовых конструкций без изменения габаритов и технологии производства.
Кроме того, сохранение стандартных и типовых форм конструкций распространенных соединительных фасонных элементов исключает непредусмотренную (дополнительную к проектной) несимметричность механических нагрузок на соединительные детали. Следовательно, исключаются вызываемые указанной несимметричностью искажения проектной формы профилей или/и ее отрицательное влияние на другие эксплуатационные характеристики, например на герметичность стыков, целостность крепежных деталей. Поэтому фактор несимметричности механических нагрузок перестает играть ограничивающую роль в процессе оптимизации профиля по потоку.
Расчеты, проведенные методами вычислительной гидродинамики, показали, что в случае отвода использование профилирующей вставки по существу полностью, а в случае перехода типа «внезапное расширение» - полностью исключили вихреобразование. По сравнению с конструкциями соединительных фасонных элементов без профилированных вставок это привело к снижению потерь давления для отвода в 4 раза, для перехода в 3,5 раза.