
- •Морозов Александр Прокопьевич
- •К.Т.Н., доцент кафедры «Теплотехнических и энергетических систем»
- •Магнитогорского государственного технического университета
- •Методы изобретательского творчества в теплоэнергетике и теплофизике
- •Введение
- •1. Неалгоритмические методы решения задач
- •1.1. Метод проб и ошибок (мПиО)
- •1.2. Метод мозгового штурма (брейнсторминг)
- •1.3. Метод контрольных вопросов
- •1.4. Морфологический анализ
- •1.5. Синектика
- •2. Теория решения изобретательских задач
- •2.1. Уровни изобретательских задач
- •2.2. Принцип вепольного анализа
- •2.2.1. Понятие веполя и его значение
- •2.2.2. Правила построения и преобразования веполей
- •2.3. Изобретательская ситуация, задача и модель задачи
- •2.4. Противоречия: административные, технические и физические
- •2.5. Основные механизмы устранения противоречий
- •2.6. Приемы решения изобретательских задач
- •2.6.1. Типовые приемы устранения технических противоречий [11].
- •1. Принцип дробления:
- •3. Принцип местного качества
- •4. Принцип ассиметрии
- •5. Принцип объединения
- •7. Принцип "матрешки"
- •8. Принцип антивеса
- •10. Принцип предварительного исполнения или действия:
- •13. Принцип "наоборот"
- •14. Принцип сфероидальности
- •15. Принцип динамичности
- •17. Принцип перехода в другое измерение.
- •18. Использование механических колебаний
- •19. Принцип периодического действия.
- •20. Принцип непрерывности полезного действия.
- •22. Принцип "обратить вред в пользу".
- •24. Принцип посредника
- •25. Принцип самообслуживания
- •26. Принцип копирования
- •28. Замена механической системы
- •30. Использование гибких оболочек и тонких пленок.
- •31. Применение пористых материалов.
- •32. Принцип изменения окраски.
- •34. Принцип отброса и регенерации частей.
- •37. Применение теплового расширения.
- •38. Применение сильных окислителей.
- •39. Применение инертной среды
- •2.6.2. Фонд приемов по поиску новых технических решений [l9,20]
- •1. Количественные изменения
- •2. Преобразование формы
- •3. Преобразования в пространстве
- •4. Преобразование во времени
- •5. Преобразование движения и силы
- •6. Преобразование материала и вещества
- •7. Преобразования путем исключения
- •8. Преобразование путем добавления
- •9. Преобразование путем замены
- •10. Преобразование путем дифференцирования
- •11. Преобразования путем интеграции
- •12. Преобразования путем профилактических мер
- •13. Преобразование путем использования резервов
- •14. Преобразования по аналогии
- •15. Комбинирование и синтез.
- •16. Преобразование структуры
- •17. Повышение технологичности
- •2.6.3. Некоторые рекомендации и правила по использованию приемов преобразования объектов техники
- •2.6.4. Уровни приемов: макро и микро
- •2.7. Применение физико-химико-геометрических эффектов при решении изобретательских задач
- •2.7.1. Особенности и правила использования эффектов
- •2.7.2. Применение некоторых физических эффектов и явлений при решении
- •12. Силовое воздействие. Регулирование сил. Создание больших давлений:
- •23. Изменение объемных свойств объекта:
- •24. Создание заданной структуры. Стабилизация структуры объекта:
- •2.7.4. Применение механических эффектов
- •2. Эффекты, связанные с трением [33-35].
- •3. Эффект Ребиндера [36].
- •4. Эффект Александрова [36].
- •5. Применение вибраций
- •2.7.5. Некоторые электрохимические эффекты
- •2.7.6. Эффекты, связанные с тепловым расширением
- •1. Тепловое расширение (tp)
- •2. Сдвоенный эффект термического расширения (би-тр)
- •2.7.7. Применение фазовых переходов и изменения агрегатных состояний веществ
- •1. Фазовые переходы первого рода (фп-1)
- •2. Фазовый переход второго рода (фп-2)
- •2.7.8. Некоторые гидро-газодинамические эффекты
- •5. Парадоксы закона Бернулли:
- •2.7.9. Эффекты, связанные с тепломассообменом
- •2.7.10. Применение некоторых химических эффектов и явлений при решении изобретательских задач [84]
- •2.7.11. Геометрические эффекты
- •2.8. Вещественно-полевые ресурсы
- •2.9. Особенности управления психологическими факторами при решении изобретательских задач
- •2.9.1. Моделирование с помощью метода "маленьких человечков"
- •2.9.2. Применение оператора рвс
- •2.9.3. "Линия жизни" технических систем [11]
- •2.10. Применение стандартов для решения изобретательских задач [84]
- •2.10.1. Определение и типы стандартов
- •2.10.2. Стандарты на решение изобретательских задач [84]
- •Класс 2. Развитие вепольных систем
- •Класс 3. Переход к надсистеме и на микроуровень
- •Класс 4. Стандарты на обнаружение и измерение системы
- •Класс 5. Стандарты на применение стандартов
- •2.11. Законы развития технических систем
- •2.11.1. Закон полноты частей системы
- •2.11.2. Закон "энергетической проводимости" системы
- •2.11.3. Закон согласования ритмики частей системы
- •2.11.4. Закон динамизации систем
- •2.11.5. Закон увеличения степени вепольности системы
- •2.11.6. Закон неравномерности развития систем
- •2.11.7. Закон перехода с макро- на микроуровень
- •2.11.8. Закон перехода в надсистему
- •2.11.9. Закон увеличения степени идеальности системы
- •2.11.10. Закон развертывания-свертывания технических систем
- •2.11.11. Механизмы свертывания тс
- •2.11.12. Особенности использования законов развития технических систем для решения изобретательских задач
- •2.12. Алгоритм решения изобретательских задач - ариз-82 [19]
- •Часть 1. Выбор задачи
- •Часть 2. Построение модели задачи
- •Часть 3. Анализ модели задачи
- •Часть 4. Устранение физического противоречия
- •Часть 5. Предварительная оценка полученного решения
- •Часть 6. Развитие полученного ответа
- •Часть 7. Анализ хода решения
- •2.13. Алгоритм решения изобретательских задач ариз-85-б
- •Часть 1. Анализ задачи
- •Часть 2. Анализ модели задачи
- •Часть 3. Определение икр и фп
- •Часть 4. Мобилизация и применение впр
- •Часть 5. Применение информфонда
- •Часть 6. Изменение и/или замена задачи
- •Часть 7. Анализ способа устранения фп
- •Часть 8. Применение полученного ответа
- •Часть 9. Анализ хода решения
- •2.14. Пример разбора задачи по ариз-85б
- •1. Анализ задачи
- •2. Анализ модели задачи
- •3. Определение икр и фп
- •4. Мобилизация и применение ресурсов
- •5. Применение информфонда
- •6. Изменение и (или) замена задачи
- •7. Анализ способа устранения фп
- •8. Применение полученного ответа
- •9. Анализ хода решения
- •3. Контрольные изобретательские задачи
- •Библиографический список
5. Парадоксы закона Бернулли:
а) При параллельном движении в жидкости двух тел (например, кораблей) между ними возникает стремление сблизиться. Поток между кораблями поджимается, сечение его уменьшается, скорость увеличивается, а давление падает, поэтому между внешней и внутренней сторонами кораблей возникает разность давлений, приводящая к сближению.
б) Струя из трубки с плоским диском на конце отталкивает удаленные предметы и притягивает близкие. На далекие тела струя действует ударом, т.к. давление в ней уже сравнялось с атмосферным. При небольших расстояниях между диском и телом получается радиальный поток, в котором скорости падают от центра к периферии. На краю диска давление струи равно атмосферному, а скорость малая, в средних частях скорость больше и давление меньше атмосферного. Поэтому внешнее атмосферное давление прижимает тело к диску.
6. Эффект образования стоячих вихрей при отрывном течении - достигается созданием карманов (например, -образных, с острой выходной кромкой) на участке с внезапным сужением, в которых образуются стационарные стоячие вихри, что приводит к резкому снижению сопротивления. Вихри способствуют при этом плавному, без потерь, расширению потока.
7. Эффект Жуковского - проявляется возникновением гидравлического удара при внезапном закрытии задвижки в трубопроводе, при этом находящаяся за задвижкой жидкость продолжает двигаться, а затем замедляется до полной остановки. Причем жидкость сжимается, а стенки трубы расширяются. В образовавшийся, вследствие расширения трубы и сжатия жидкости, объем и входит жидкость. Остановка движения жидкости сопровождается повышением давления в ней. Гидравлические удары возникают при быстром перекрытии трубопровода с движущейся жидкостью, вызывающем резкое повышение давления, которое распространяется в виде упругой волны сжатия по трубопроводу против течения жидкости. Эта волна несет с собой большую энергию, полученную за счет кинетической энергии жидкости. Подход волны к препятствию (изгиб трубы, задвижка) вызывает явление гидравлического удара и возможно повреждение трубы или арматуры. Гидравлические удары можно использовать для силового воздействия на материалы, при этом для увеличения силы удара применяют жидкости без неоднородностей и мгновенные перекрытия трубопровода. Вслед за гидравлическим ударом следует удар кавитационный, возникающий из-за понижения давления за фронтом волны сжатия [72-74].
8. Эффект Рийке - наблюдается, если поток горячего газа омывает холодную стенку в вертикальной трубе, с возникновением звука. Нагреваемая сетка располагается в верхней части трубы, на расстоянии 0,25 длины от верхнего конца. Верхнюю часть трубы можно охлаждать [68].
9. Гидро- и газостатические подшипники и подвеска - наблюдаются, когда тяжелая сфера в сферической подвеске неподвижно висит в потоке несжимаемой вязкой жидкости, создаваемом за счет подвода этой жидкости через отверстие в дне неподвижной сферической чаши, охватывающей подвешенную в потоке сферу, при этом зазор между поверхностями сферы и чаши предполагается очень малым по сравнению с их радиусами [69,70].
10. Эффект левитации сферических тел - наблюдается в стесненном потоке жидкости или газа в цилиндрической камере с расширением и сужением на входе и выходе, выполненными по определенному профилю. Максимальный эффект левитации наблюдается при выполнении в сферическом теле сквозного радиального отверстия. Левитация (подвешивание шара в жидкости с его вращением без касания стенок камеры) усиливается с увеличением расхода жидкости, и не зависит от ориентации камеры в пространстве, в отличии от гидростатической подвески. В камере возникает торроидальный вихрь вращающий и стабилизирующий шар. Возможные области применения эффекта: 1) расходомеры - в шар запрессовывается ферромагнитная вставка, а вокруг камеры устанавливается катушка, подключенная к прибору (например, частотомеру), при этом частота вращения шара пропорциональна расходу жидкости; 2) полировка сферических тел - в процессе электрохимического воздействия на поверхность вращающейся шаровой заготовки (а. с. 1452214*); 3) горелки со стационарными вихрями для эффективного смешения топлива с воздухом и обеспечения широкого диапазона по коэффициенту избытка воздуха; 4) интенсификация тепло- и массообмена в теплообменниках. Эффект левитации тел вращения в стесненном потоке (Теплоэнергетика, 1977, № 3, С. 51-54) использовался в устройстве для заливки жидкого металла в кристаллизатор для непрерывного литья заготовок, содержащем промежуточный ковш с разливочным стаканом и сферическое тело, причем для повышения качества заготовок, сферическое тело выполнено со сквозным диаметральным каналом, диаметр которого составляет 0,05-0,25 диаметра сферического тела, а нижний конец разливочного стакана выполнен в форме диффузора с углом раскрытия 60-150° и диаметром выходного отверстия, составляющим 1,5-3,0 диаметра сферического тела, при этом диаметр сферического тела равен 1,1-1,5 внутреннего диаметра разливочного стакана (а. с. 1533826*). Применение данного устройства позволяет стабилизировать режим литья и качество слитка, за счет снижения глубины проникновения струи металла в кристаллизатор и увеличения скорости всплывания неметаллических включений. В устройстве для электрохимического полирования сферических тел (а. с. 1452214*), содержащем рабочую камеру в виде диффузора с входным и выходным патрубками для подачи и вывода электролита, электроды, размещенные по обе стороны камеры соосно с ней, и циркуляционный насос, для повышения качества полирования, рабочая камера выполнена в виде последовательно размещенных диффузора, цилиндрического полого корпуса и конфузора. При этом обеспечивается эффективная стабилизация сферического тела и равномерное электрохимическое травление, за счет вращения и левитации сферы.
11. Эффект ультразвуковой капиллярный (открытие СССР № 109) - увеличение скорости и высоты подъема жидкости (в десятки раз) в капиллярах при непосредственном воздействии ультразвука. Этот эффект реализован в способе ультразвуковой пропитки пористых материалов (а. с. 315244), а также для повышения эффективности тепловой трубы, при этом ультразвук, воздействуя на пористый фильтр в зоне конденсации, способствует быстрому возврату конденсата в зону испарения, причем, величина максимального удельного теплового потока возрастает на порядок.
12. Явление осмоса - диффузия вещества через полупроницаемую перегородку, обеспечивающую невозможность противодиффузии, с созданием в зоне концентрированного раствора осмотического давления. Осмос можно усилить (ослабить), применяя электрическим поля, например, для очистки днищ вагонеток от липкой массы остатков угля применяется электроосмос, с образованием между стенками и грузом тонкой водяной пленки, позволяющей отделять налипший груз.
13. Эффект Томса. Известно, что сопротивление, оказываемое трубопроводом потоку жидкости при ламинарном режиме течения меньше, чем при турбулентном. Повышение пропускной способности водопроводов, как правило, связано с увеличением производительности насосов. Начиная с определенной скорости потока в трубопроводе, он распадается на отдельные струи, которые закручиваются и пересекаются друг с другом, тормозя общее движение. В 1948 г Б. Томс (Англия) установил, что при добавлении в воду полимерной добавки (полиметилметакрилата, растворенного в монохлорбензоле), трение между турбулентным потоком и трубопроводом значительно снижается. Эффект обуславливается образованием на границе твердое тело-жидкость молекулярных растворов, которые ограничивают турбулентность потока. Установлено, что добавка длинноцепочных полимеров более эффективно действует при высоких скоростях потока, где развивающаяся турбулентность потока больше. Например, способ снижения потерь напора при перемещении жидкости по трубопроводу, для достижения жидкостью свойства псевдопластичности, предусматривает введение в жидкость длинноцепочечного полимера (полиакриламида) в количестве 0,010,2 % по весу (а. с. 244032). Снижение гидродинамического сопротивления может быть достигнуто за счет образования под действием какого-либо поля из молекул самой жидкости, присадок, аналогичных по свойствам полимерным молекулам. Например, способ снижения гидродинамического сопротивления движению тел или жидкости в трубопроводе, путем уменьшения сил трения в пограничном слое, для повышения надежности путем исключения подачи в пограничные слои высокомолекулярных составов, предусматривает создание в пограничном слое электромагнитного поля, генерирующего комплексы молекул (а. с. 364493). В способе уменьшения гидродинамического сопротивления при течении жидкости в трубах и обтекании тел (а. с. 169955) предложено для гашения турбулентности добавлять в воду поверхностно-активные полимеры, предотвращающие вихреобразование даже при больших скоростях, за счет определенной структуры молекул полимеров. Адсорбированные на стенке молекулы полимеров детурбулизируют поток вблизи стенок трубопроводов с уменьшением силы трения. Стабилизатор можно подобрать для любой жидкости, например, для воды (технической) используется карбоксилметилцеллюлоза (дешевый отход целлюлозно-бумажной промышленности). Для питьевой, воды применяют тот же препарат в очищенном виде. Такие присадки-стабилизаторы увеличивают пропускную способность труб на 3040 % [71].
14. Электрогидравлический эффект [75] проявляется при создании внутри объема жидкости специально сформированного импульсного высоковольтного электрического разряда в зоне которого развиваются сверхвысокие давления. Данный эффект может использоваться: 1) для очистки поверхности материалов от различных загрязнений (или для недопущения их образования), например, очистки литья от пригара; деталей от ржавчины, окалины, краски; очистки проката, проволоки перед обработкой металла давлением; выравнивание поверхности и удаления заусенцев после механической обработки; 2) для снятия внутренних напряжений в отливках (старение материалов); 3) для штамповки металлов; 4) для создания электрогидравлических молотов; 5) для создания вибраций; 6) для перемещения жидкостей (насосы, форсунки); 7) для раздачи, развальцовки [76], обжатия; 8) для упрочнения и наклепа; 9) для сварки, спекания и создания покрытий; 10) для получения коллоидов металлов и других материалов, а также уплотнения порошков; 11) для дробления различных материалов (руд, шлака); 12) для эмульгирования и деэмульгирования жидкостей; 13) для выделения газов из жидкостей и получения пены; 14) для очистки жидких топлив от примесей; 15) для отделения резины от корда; 16) для очистки и обеззараживания жидкостей и органических субстратов; 17) для повышения эффективности орошения (растения, градирни, охладители); 18) для очистки обеззараживания и утилизации разнообразных стоков; 19) для дробления органических материалов и приготовления растительных и животных кормов; 20) для комплексной обработки сельскохозяйственных продуктов [77].
15. Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей при определенных механико-геометрических соотношениях в потоке обусловлено тем, что в эжекционном канале возникает течение разделенных (слабо смешивающихся) структур газа с преимущественным увеличением дополнительной массы в волнах разряжения, характеризующимся малой диссипацией энергий (открытие СССР № 314). Эффект проявляется при определенных соотношениях скоростей, давлений, частот и форм канала эжектора, когда возникает особая форма пульсирующего движения газа, при котором внутренние потери энергии невелики и рост тяги достигает 120140 %.