3. Контрольные изобретательские задачи

Задача 1. Необходимо предложить конструкции простых (автоматических) дозаторов жидкости. При этом из трубопровода вода поступает в дозатор с постоянным расходом, необходим прибор автоматически и периодически отмеривающий определенный объем жидкости, без подвода внешней энергии.

Задача 2. При фильтровании жидкостей в больших количествах производительность ограничивается пропускной способностью воронки. Необходимо предложить устройство с помощью которого фильтрация производилась бы автоматически и жидкость поступала бы в воронку сама, без подвода энергии, при понижении уровня до определенного предела.

Задача 3. На Санкт-Петербургском объединении "Невский завод" использовался для развальцовки труб теплообменников механический способ, основанный на развальцовке концов труб керном в углублении трубной доски. При изготовлении теплообменников, например, конденсаторов паровых турбин, со сложным рисунком трубной доски и десятками тысяч трубок, возникают следующие недостатки: малая производительность, высокая трудоемкость, необходимость перенастройки инструмента при смене типоразмера теплообменников. Необходимо предложить альтернативные решения, устраняющие данные недостатки.

Задача 4. В лучшем самолете войны ИЛ-2 разработанном под руководством С.В. Ильюшина, использовалось изобретение которое долго не мог разгадать противник, причем резко повышалась живучесть самолета. Дело в том, что попадание пули в бензобак, заполненный горючим, не очень опасно. Но если бак не полон, пустое пространство заполняется парами бензина, которые при попадании легко взрываются. Как облегчить пожаробезопасность при неполном баке? Возникает противоречие: бак самолета должен быть полон, чтобы не опасаться пожара и бак не должен быть полон, так как бензин в полете расходуется.

Задача 5. Мелкие металлические шарики изготавливают, разбрызгивая расплавленный металл. Капли попадают в воду и застывают. Но, при ударе о воду они сплющиваются, что недопустимо. Как устранить этот недостаток?

Задача 6. Для рафинирования металла, расплав подвергают воздействию УЗ колебаний. Для чего звуковод погружают в расплав, но под действием высоких температур он разрушается и загрязняет металл. Возникает противоречие: звуковод должен быть погружен в расплав, чтобы рафинировать металл, и не должен быть погружен в расплав, чтобы не загрязнять металл.

Задача 7. На ТЭС, работающей на угле, топливо из открытых железобетонных воронок шнеками подается по трубопроводам к шаровой мельнице, затем горячим воздухом пыль подается к горелкам, а крошка возвращается в мельницу на вторичный помол. При высокой влажности угля происходит налипание на шнеки, стенки трубы, горловину мельницы. Были предложены решения: подсушка угля (но уголь взрывоопасен), изменение формы труб, вибрация труб, нанесение дорогих фторопластовых покрытий, но они оказались не эффективны. Как быть?

Задача 8. При получении способом СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) деталей из карбида вольфрама, деталь прессуют из порошка вольфрама и графита, затем его поджигают в безокислительной атмосфере. Но реакция идет очень бурно, деталь вспучивается и разрушается. Для "успокоения" реакции в деталь добавляли балласт (песок и другие), но свойства (прочностные, теплоизоляционные, абразивные) детали резко снижались. Как быть? Возникает противоречие: негорючий материал-балласт должен быть и не должен быть, чтобы не загрязнять деталь.

Задача 9. В трубе под большим давлением течет вода. Но появилось отверстие, через которое бьет струя. Нужно заделать дыру, но по производственным причинам нельзя отключать магистраль. Заплату приваривают под давлением воды, но сварка идет нормально, пока не доходит до самого последнего участка сварного шва: когда пытаются его заварить струя под давлением "выдувает" расплавленный металл и шов не образуется. Как бьггь? Возникает противоречие: небольшое отверстие должно оставаться, чтобы дать выход струе, и оно не должно оставаться, чтобы заварить заплату целиком.

Задача 10. На ТЭС для очистки топочных газов используют мокрые золоуловители: в скруббер подают газы и впрыскивают воду. Смесь газа, воды, пара, золы и различные соединения (соли, кислоты) двигаются со скоростью 100 м/с и обладают высокой химической и абразивной агрессивностью, ударяют о стенки трубы и быстро их изнашивают. Как увеличить срок службы золоуловителей?

Задача 11. Для очистки воду необходимо хлорировать. Но хлор дефицитный, дорогой и ядовитый газ, требующий особых мер предосторожности. Как быть? Возникает противоречие: хлор должен быть, чтобы очищать воду, и его не должно быть, чтобы не возиться с перевозкой.

Задача 12. Корпус плавильной печи охлаждается водой, циркулирующей по трубам, проложенным в ограждении под огнеупорным слоем. Иногда трубы прогорают и поток воды попадает под уровень расплавленного металла с возникновением взрыва. Как предотвратить взрыв, сохранив водяное охлаждение?

Задача 13. На территории завода выкопали яму и обнаружили две металлические трубы. Известно, что по одной из них вода подается на соседний завод, а по другой - в обратную сторону. Как определить по какой трубе жидкость движется к соседям? Делать отверстия в трубах нельзя (а. с. 259575).

Задача 14. В действующей химической установке есть две трубы одна в другой. По кольцевому пространству между трубами, вращаясь, движется неэлектропроводная и немагнитная жидкость. Необходимо определить скорость ее спирального движения. Нагревать и охлаждать жидкость нельзя. Вскрывать трубу тоже нельзя (так как при попадании воздуха жидкость перестает быть неэлектропроводной, например, деонизированная вода). Прерывать работу установки нежелательно. Трубы стеклянные, прозрачные (а. с. 446757).

Задача 15. При плавке шихты, например, в электродуговой печи скрапа или легковесного лома, чтобы получить полноценную плавку, приходится 45 раз загружать шихтой печь. При этом печь останавливается, открывается и засыпается новой порцией шихты, с потерей тепла и электроэнергии. Простое увеличение объема печи приводит к потерям энергии через стенки. Как обеспечить плавление легковесного скрапа (стружка и т.д.) без потерь тепла? (а. с. 996818).

Задача 16. Своды печей для выплавки металла покрывают изнутри огнеупорными футеровочными материалами. В процессе работы футеровка постепенно выгорает. Как определить момент наступления критического прогорания (без использования термодатчиков), когда печь необходимо останавливать для ремонта?

Задача 17. При гидродинамическом моделировании в стеклянной трубе устанавливается на держателе модель элемента теплообменной аппаратуры (например, оребренная труба). По трубе прокачивается вода изменяя режимы потока, изучают образование вихрей между ребрами и в кормовой части трубы. Однако бесцветные вихри в бесцветной жидкости не видны. Подкрашивание воды не эффективно, так как при высоких скоростях потока происходит быстрое перемешивание. При нанесении на модель растворимой краски, она быстро смывается. Наносить на модель сразу много краски нельзя, так как искажаются размеры. Также слабыми решениями являются: применение многих моделей с быстрой их заменой при смывании краски; подача краски внутрь трубы и выполнение ребер пористыми; ввод в поток гидродинамических индикаторов, с последующей скоростной киносъемкой. Решение необходимо искать в рамках следующего физического противоречия: "краски" на модели должно быть много и в то же время ее не должно быть совсем (причем под термином "краска" имеется в виду не обязательно собственно краска, а модификация вещества имеющегося в системе).

Задача 18. Зимой железнодорожные стрелки замерзают. Снег попадает между движущимися частями, смерзается и стрелка перестает работать. Стандартные решения: сушить и обогревать стрелку воздухом; использовать периодическое движение стрелки для самоочистки, однако непрерывное переключение стрелки уменьшает срок ее службы. Противоречие: снег должен быть вокруг стрелки и снега не должно быть в стрелке (или: нечто должно быть внутри стрелки и внутри ничего не должно быть). Как улучшить работу стрелки?

Задача 19. Легко изготовить термопару с одним термоспаем, но очень сложно, если необходима термобатарея с миллионами термоспаев, например, для сверхчувствительных датчиков. Возникает противоречие: спай должен быть, чтобы получить термоэлектрическую силу и спая не должно быть, чтобы его не делать. То есть провод сам должен быть из разных кусочков. Или точнее провод из одного металла, но имеющего на разных участках, разную ТЭДС.

Задача 20. Существуют проблемы намерзания льда и необходимости последующего периодического размораживания радиаторов промышленных холодильных камер, например, в хладокомбинатах. При намерзании льда снижается экономичность холодильных агрегатов, а при их остановке для удаления льда с теплообменных поверхностей необходима трудоемкая перегрузка продуктов. Сопутствующая проблема - это сублимационная усушка продукции при открытом хранении, например, мяса и рыбы, что снижает прибыль от реализации. Необходимо предложить решение, комплексно устраняющее перечисленные недостатки.

Задача 21. При откачивании воды из водоемов, прудов-накопителей, отстойников и скважин возникает проблема очистки воды от песка, глины, грунта, которые выводят из строя насосы, заиливают и истирают трубопроводы. Обычно для очистки воды гидроциклоны устанавливаются после насоса, а вход в насос защищают сетчатыми фильтрами, которые быстро засоряются с возрастанием гидравлического сопротивления. Установка гидроциклона перед насосом приводит к образованию по оси циклона воздушного вихря и попаданию воздуха на всасывающий патрубок насоса, что выводит его из рабочего состояния. Воздух попадает в циклон при периодическом удалении грязи через вершину конуса. Как защитить насос и трубопроводы от абразивного износа и заиливания при установке гидроциклона перед насосом? Решение необходимо искать в рамках ИКР: нагнетаемая вода сама устраняет образование вредного воздушного вихря и сама непрерывно удаляет грязь из циклона (а. с. 285500).

Задача 22. Ежегодно с ТЭС, работающей на серосодержащих бурых углях, в атмосферу выбрасывается примерно 150 млн. тонн сернистого ангидрида (что в пересчете на серную кислоту в 4 раза больше, чем ее производится специально) и около 50 млн. тонн других кислых оксидов (например, оксидов азота). Дым из топки котла, работающего на бурых углях, очищается в золоуловителях и выбрасывается через трубу в атмосферу. Традиционные способы снижения концентрации и очистки газов от сернистого ангидрида имеют следующие недостатки: строительство высотных дымовых труб - однако загрязнения перебрасываются в соседние районы; использование жидких абсорбентов, содержащих дорогие соединения (например, марганца), через которые многократно пропускают дым, при этом требуется замена и регенерация растворов; использование твердых сорбентов - также требует больших капитальных вложений, специального оборудования и значительных энергетических затрат. Кроме того, расплавленный шлак стекает из топки в ванну с водой, охлаждается, растрескивается и транспортируется в канал системы гидрозолошлакоудаления, а также сюда подается зола из дымоходов и фильтров. На тонну шлака расходуется до 20 тонн воды. Вода в системе золоудаления, после взаимодействия с золой и шлаком становится щелочной и весьма агрессивной, и также требует обеззараживания. Необходимо предложить схему ТЭС, работающей на пылевидном буром угле и имеющей парогенераторы с системой гидрошлакозолоудаления и мокрую очистку газов, комплексный вариант эффективной экологически чистой и безреагентной очистки отходящих газон от оксидов серы и азота с одновременным обеззараживанием воды системы гидрозолошлакоудаления (а. с.738645).

Задача 23. Сбор нефтепродуктов с поверхности водохранилищ является важной технической и экологической задачей. В одном из отечественных НИИ был изобретен способ сбора нефти, по которому перевернутый круговой конус опускается вертикально вершиной в воду и начинает вращаться вокруг оси. Нефть смачивает внешнюю поверхность конуса, под действием центробежных сил она ползет по наклонной плоскости, поднимается к основанию конуса и попадает в лоток. Вода не смачивает измазанный нефтью конус, поэтому расчетная сепарация нефти от воды достигает 100 %, независимо от толщины нефтяной пленки. Способ был защищен патентами во многих странах. Несколько стран купили лицензии и начали применять способ с высокой эффективностью. Однако, через международный арбитраж в Лицензинторг был предъявлен иск за надувательство: финны, изготовившие агрегат по этой лицензии заявили, что его производительность в сто раз меньше, чем обещано в материалах лицензии. Предприятию патентовладельцу грозили миллионные рекламации. Возникло административное противоречие, поэтому директор предприятия (его фамилия стояла в списке соавторов первой) вызвал к себе тех двоих, чьи фамилии стояли в списке соавторов последними и кто были действительными авторами и крупно с ними поговорил, пригрозив судом и увольнением. Авторы уточнили ситуацию: проверили финские акты испытаний, работоспособность агрегата, правильность эксплуатации, паспортные режимы, однако производительность была в 100 раз хуже. При поиске причины выяснилось: в сравниваемых случаях использовалась одна и та же нефть - ближневосточная, вода - морская, однако температура воды в Черном море (где производились испытания опытно-промышленных агрегатов) - 23 °С, а у финнов - 8 °С, при этом вязкость нефти на холоде в 1012 раз больше и скорость ее продвижения по поверхности конуса меньше. Возникло техническое противоречие: нефть должна быть холодной и при этом уменьшить свою вязкость в 1012 раз. Как авторы разрешили это противоречие?

Задача 24. Быки мостов (железобетонные опоры) в зимнее время обмерзают, что неблагоприятно сказывается на их долговечности: бетон трескается, разрушается, прочность опор уменьшается. Необходимо устранить этот недостаток наиболее простым и дешевым способом, применив источники энергии, находящиеся внутри системы (пат. США 170299).