Многоформенный композитный биметаллический трубопровод
MULTI-FORM COMPOSITE BIMETALLIC PIPELINE

Изобретение относится к области трубной техники и может быть использовано в различных теплогенерирующих и теплообменных установках, а также сетях энергоснабжения или системах циркуляции теплоносителя, в том числе установках, основывающихся на использовании альтернативных источников энергии; в качестве устройства, регулирующего эксплуатационные параметры перемещаемой рабочей среды.
Известно устройство обыкновенных трубопроводов, предназначенных для перемещения жидких и газообразных сред в напорных и безнапорных системах. При этом конструктивное исполнение данных трубопроводов осуществляется в постоянно неизменной форме полых цилиндров круглого сечения из металлов, полимеров или различных композитных материалов (см., например, Ю.А. Феофанов «Инженерные сети: современные трубы и изделия для ремонта и строительства», учебное пособие. - М: Издательство Юрайт, 2019. С. 47-50, 61-90).
Недостатком данных трубопроводов является отсутствие возможности изменения формы живого сечения в процессе эксплуатации, с целью осуществления регулирования рабочих параметров перемещаемой текучей среды.
Задачей изобретения является регулирование эксплуатационных параметров перемещаемой по рассматриваемому трубопроводу рабочей среды, посредством реализации автоматического изменения формы живого сечения трубопровода, обуславливающей развитие критерия Рейнольдса и режима течения жидкости, при сопутствующем повышении гидравлической устойчивости и долговечности инженерной системы, в которой применено данное изобретение.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что многоформенный композитный трубопровод, содержащий кольцевую замкнутую структуру, при этом кольцевая замкнутая структура выполнена из спирально расположенных продольных армирующих элементов, обтянутых с внешней и внутренней сторон прочными пленками и соединенных между собой в дистанцирующих точках термочувствительными кольцами.
Технический результат заключается в том, что многоформенный композитный трубопровод состоит из продольных элементов, образующих кольцевую замкнутую структуру, где все эти элементы соединены изнутри кольцами, а по внешней стороне предварительно обтянуты эластичными материалами. И в процессе эксплуатации, когда температура протекающей внутри трубопровода рабочей среды изменяется, то в след за этим меняется и форма многоформенного композитного трубопровода; за счет термического расширения кольца, стягивающие продольные элементы, либо сужаются, либо наоборот расширяются. При этом изменение формы не направлено только на изменение габаритов живого сечения трубы; оно предназначено для создания условий, при которых осуществляется интенсификация рабочих параметров протекающей жидкости. То есть с изменением формы осуществляется закручивание потока и сопутствующее ускорение, что способствует развитию теплофизических характеристик теплоносителя.
Многоформенный композитный трубопровод включающий продольные армирующие элементы, образующие замкнутую кольцевую структуры, заключенную между внешней прочной пленкой и внутренней прочной пленкой, позволяет осуществлять регулирование формы живого сечения. При этом продольные армирующие элементы соединены термочувствительными кольцами, крепящимися к ним в дистанцирующих точках, что позволяет, с изменением температуры перемещаемого теплоносителя, формировать различные положения продольных армирующих элементов и образовывать в живом сечении многоформенного композитного трубопровода спиральные поверхностные сегменты, интенсифицирующие турбулентный режим течения жидкости, а на внешней стороне многоформенного композитного трубопровода формировать продольные выступы, увеличивающие площадь теплообмена.
Для возможности формирования различного положения продольных армирующих элементов их структура предусматривает наличие налегающей стороны и подлегающей стороны. При этом подлегающая сторона имеет ограничивающий выступ, блокирующий движение продольных армирующих элементов к оси многоформенного композитного трубопровода. Дополнительно на налегающей стороне и подлегающей стороне внедрены касательные точки, для крепления к ним внешней и внутренней прочной пленки.
При этом для соединения многоформенных композитных трубопроводов друг с другом, предусмотрено муфтовое соединение с упруго деформируемым обжимным кольцом.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
На фиг. 1 изображен вертикальный фронтальный разрез исходного положения многоформенного композитного трубопровода.
На фиг. 2 изображен вертикальный фронтальный разрез эксплуатационного положения многоформенного композитного трубопровода при внутреннем расположении термочувствительных колец.
На фиг. 3 изображен вертикальный фронтальный разрез эксплуатационного положения многоформенного композитного трубопровода при внешнем расположении термочувствительных колец.
На фиг. 4 изображена изометрическая проекция многоформенного композитного трубопровода.
На фиг. 5 изображено муфтовое соединение многоформенного композитного трубопровода.
Продольные армирующие элементы 1 многоформенного композитного трубопровода расположены таким образом, чтобы образовывать замкнутую кольцевую структуру 2. При этом продольные армирующие элементы 1 многоформенного композитного трубопровода по внешней стороне обтянуты внешней прочной пленкой 3, а по внутренней стороне внутренней прочной пленкой 4.
Основными функциями внешней прочной пленки 3 и внутренней прочной пленки 4 является защита от механического воздействия продольных армирующих элементов 1, а также сохранение целостности образуемой продольными армирующими элементами 1 замкнутой кольцевой структуры 2, при переходе многоформенного композитного трубопровода в эксплуатационное положение (см. фиг. 2 и 3) и обратно в исходное (см. фиг. 1). Для выполнения данных функций внешняя прочная пленка 3 и внутренняя прочная пленка 4 выполняются из эластичного материала, обладающего свойством памяти формы.
Кроме основной функции внешняя прочная пленка 3 и внутренняя прочная пленка 4 обладают вариативной функцией, которая закладывается на стадии производства многоформенного композитного трубопровода относительно предполагаемых рабочих параметров перемещаемой текучей среды.
Вариативная функция заключается в способности внешней прочной пленки 3 и внутренней прочной пленки 4 проводить тепловую энергию. В случае если многоформенный композитный трубопровод будет располагаться в теплообменном устройстве, то материал внешней прочной пленки 3 и внутренней прочной пленки 4 подбирается с максимально возможным для применяемого материала коэффициентом теплопроводности, с целью интенсификации процесса теплопередачи между греющей и нагреваемой средами. В случае, когда многоформенный композитный трубопровод предполагается внедрять в контур циркуляции инженерной системы, то внешнюю прочную пленку 3 и внутреннюю прочную пленку 4 выполняют из материала с минимально возможным для применяемого материала коэффициентом теплопроводности, с целью сохранения тепловой энергии теплоносителя или хладагента, перемещаемого по многоформенному композитному трубопроводу.
Продольные армирующие элементы 1 многоформенного композитного трубопровода соединены между собой термочувствительными кольцами 5. При этом крепление продольных армирующих элементов 1 к термочувствительным кольцам 5 осуществляется в дистанцирующих точках 6.
Принцип работы многоформенного композитного трубопровода заключается в эффекте термического расширения. При перемещении по многоформенному композитному трубопроводу теплоносителя с постепенно повышаемой температурой, замкнутая кольцевая структура 2 продольных армирующих элементов 1 с течением времени (пропорционально величине повышаемой температуры) изменяется с исходного положения (см. фиг. 1) на эксплуатационное (см. фиг. 2 и 3) при понижении температуры обратно с эксплуатационного на исходное. При этом возможно достижение обратного эффекта в случае изменения на стадии производства расположения дистанцирующих точек 6.
Для автоматического изменения формы живого сечения трубопровода дистанцирующие точки 6 расположены по налегающим сторонам 7 продольных армирующих элементов 1, то реализуется прямой эффект регулирования: формирование замкнутой кольцевой структуры 2 продольных армирующих элементов 1 многоформенного композитного трубопровода, при которой форма живого сечения 8 многоформенного композитного трубопровода, с ростом температуры перемещаемого теплоносителя, преобразуется из исходного положения (см. фиг. 1) в эксплуатационное положение (см. фиг. 2), интенсифицирующее турбулентный режим течения жидкости.
Для автоматического изменения формы живого сечения трубопровода дистанцирующие точки 6 расположены по подлегающим сторонам 9 продольных армирующих элементов 1, то реализуется обратный эффект регулирования: формирование замкнутой кольцевой структуры 2 продольных армирующих элементов 1 многоформенного композитного трубопровода, при которой форма живого сечения 8 многоформенного композитного трубопровода, с ростом температуры перемещаемого теплоносителя, преобразуется из эксплуатационного положения (см. фиг. 3) в исходное положение (см. фиг. 1), снижающего величину критерия Рейнольдса жидкости.
Прямой эффект регулирования замкнутой кольцевой структуры 2 продольных армирующих элементов 1 многоформенного композитного трубопровода целесообразно применять в высокотемпературных и теплообменных установках. Вследствие чего будет реализована возможность интенсификации турбулентного режима течения жидкости с ростом температуры, что обусловит рост скорости движения перемещаемого теплоносителя и сопутствующее поддержание гидравлической устойчивости используемой системы. В случае с высокотемпературными установками прямой эффект регулирования обусловит сокращение вероятности развития небезопасного режима эксплуатации, при котором произойдет парообразование в живом сечении 8 многоформенного композитного трубопровода, например, процесса стагнации в системах солнечного теплоснабжения в часы с пиковой величиной интенсивности излучения солнечной радиации. А в случае с теплообменными установками прямой эффект регулирования позволит интенсифицировать процесс теплопередачи между греющей и нагреваемой средами через многоформенный композитный трубопровод, посредством увеличения скорости движения жидкости по участку теплообмена, что обусловит повышение коэффициента теплоотдачи. Кроме того, преобразование в эксплуатационное положение многоформенного композитного трубопровода в теплообменных установках позволяет повысить площадь поверхности теплообмена между греющей и нагреваемой средами путем формирования продольных выступов 10, что обуславливает дополнительное повышение эффективности работы теплообменных установок.
Обратный эффект регулирования замкнутой кольцевой структуры 2 продольных армирующих элементов 1 многоформенного композитного трубопровода целесообразно применять в системах энергоснабжения, в частности установках холодильной техники, где при изменении температуры будет реализована возможность регулирования критерия Рейнольдса, характеризующего изменение скорости движения рабочей среды с сопутствующим снижением или повышением величины теплового потока через многоформенные композитный трубопровод.
Осуществление принципа работы многоформенного композитного трубопровода характеризуется выполнением продольных армирующих элементов 1 и термочувствительных колец 5 из материалов, обладающих различными величинами коэффициентов термического расширения. Продольные армирующие элементы 1 выполняются из металла, обладающего низким коэффициентом термического расширения, например, меди, а термочувствительные кольца 5 из материала, обладающего высоким коэффициентом термического расширения и прочностью, например, термоустойчивого полимера.
При этом изменение температуры воздействует на термочувствительные кольца 5, вызывая сокращение или увеличение диаметра термочувствительных колец 5, которые посредством изменения своих размеров при сохранении целостности, формы и крепления в дистанцирующих точках 6, позволяют варьировать положение продольных армирующих элементов 1, формируя при температурном расширении термочувствительных колец 5 либо эксплуатационное положение (см. фиг. 2 и 3), либо исходное (см. фиг. 1).
Свободное перемещение термочувствительных колец 5 внутри замкнутой кольцевой структуры 2 продольных армирующих элементов 1 осуществляется посредством крепления термочувствительных колец 5 к продольным армирующим элементам 1 только в месте дистанцирующих точек 6.
Ограничение перемещения продольных армирующих элементов 1 в диапазоне заданных положений (см. фиг. 1, 2 и 3) обусловлено наличием на подлегающей стороне 9 продольных армирующих элементов 1 ограничивающего выступа 11, который блокирует движение налегающей стороны 7 продольных армирующих элементов 1 к оси многоформенного композитного трубопровода, а также величиной коэффициента температурного расширения термочувствительных колец 5.
При этом величина коэффициента температурного расширения термочувствительных колец 5 при любом варианте габаритного исполнения многоформенного композитного трубопровода остается неизменной. Для достижения, при любом диаметре многоформенного композитного трубопровода, требуемых рабочих характеристик устройства, то есть степени изменения критерия Рейнольдса относительно диапазона максимальной и минимальной температур перемещаемой рабочей среды, осуществляется изменение толщины и шага расположения самих термочувствительных колец 5 и диаметра многоформенного композитного трубопровода.
Достижение интенсификации турбулентного режима течения жидкости, при формировании эксплуатационного положения (см. фиг. 2 и 3) продольными армирующими элементами 1 обусловлено формированием в живом сечении 8 спиральных поверхностных сегментов 12, которые, при перемещении теплоносителя по многоформенному композитному трубопроводу, осуществляют закручивание потока с сопутствующим повышением скорости движения жидкости и интенсивности тепловой отдачи внутренней поверхности многоформенного композитного трубопровода.
Аналогично в исходном положении (см. фиг. 1) завихрение потока рабочей среды отсутствует, что обуславливает формирование низкой величины критерия Рейнольдса, характеризующего более низкую скорость движения жидкости и меньшую интенсивность тепловой отдачи внутренней поверхности многоформенного композитного трубопровода.
При этом замкнутая кольцевая структура 2 многоформенного композитного трубопровода непостоянна в местах муфтовых соединений 13 многоформенных композитных трубопроводов друг с другом. Нарушение замкнутой кольцевой структуры 2 не происходит по причине того, что внешняя прочная пленка 3 и внутренняя прочная пленка 4 крепятся к муфтовому соединению 13, в местах крепежа обтягиваются упруго деформируемым обжимным кольцом 14.
Упруго деформируемое обжимное кольцо 14 при преобразовании замкнутой кольцевой структуры 2 из исходного положения (см. фиг. 1) в эксплуатационное (см. фиг. 2 и 3) и обратно удерживает продольные армирующие элементы 1 между внутренней прочной пленкой 4 и внешней прочной пленкой 3.
С целью возможности монтажа многоформенного композитного трубопровода размещение муфтовых соединений 13 осуществляется на стадии производства после выполнения проектных работ инженерной системы посредством резки многоформенного композитного трубопровода на отрезки требуемой длины.
Для сохранения целостности замкнутой кольцевой структуры 2 и формирования правильного исходного (см. фиг. 1) или эксплуатационного положения (см. фиг. 2 и 3), внешняя прочная пленка 3 и внутренняя прочная пленка 4 крепятся к продольным армирующим элементам 1 в касательных точках 15.
Таким образом, в представленном изобретении реализуется возможность регулирования эксплуатационных параметров перемещаемой по рассматриваемому трубопроводу рабочей среды, посредством изменения критерия Рейнольдса и режима течения жидкости, при сопутствующем развитии гидравлической устойчивости и долговечности инженерной системы, в которой применено данное изобретение.