Способ формирования турбулентной жидкостно-газовой среды в контейнере и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к бытовой технике и может быть использовано, например, в качестве способа и устройства для формирования турбулентной жидкостно-газовой среды, в частности, в гидромассажных ваннах. Изобретение расширяет функциональные возможности известных способа и устройства с достижением технического результата в отношении повышения КПД преобразования электрической энергии в энергию, передаваемую турбулентной средой пользователю. Достигаемый технический результат обеспечивают с помощью предложенного способа формирования турбулентной жидкостно-газовой среды в контейнере, включающего отбор из контейнера и подачу в него дозируемых количеств среды с возможностью изменения их энергосостояния и насыщения их газами и формирование в контейнере жидкостно-газовой среды с механически перемещаемыми в ней ее струями. Достигаемый технический результат обеспечивают также с помощью предложенного устройства для осуществления способа формирования турбулентной жидкостно-газовой среды в контейнере, содержащего контейнер с жидкостно-газовой средой, каналы отбора среды из контейнера, соединенные через механизмы энергоподвода к отбираемым количествам среды с каналами их подачи в исходный контейнер, к которым подключены каналы подвода газовой среды, а также узлы управления подаваемыми в контейнер количествами обработанной жидкостно-газовой среды. Практическое осуществление заявленных объектов позволяет существенно расширить возможности их эксплуатации, повысить безопасность использования и существенно усилить потребительский, например, лечебный и/или оздоровительный эффект. 2 с. и. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к бытовой технике и может быть использовано, например, в качестве способа и устройства для формирования турбулентной жидкостно-газовой среды, в частности, в гидромассажных ваннах.

Известен способ формирования турбулентной жидкостно-газовой среды в контейнере, включающий подачу в него дозируемых количеств среды с возможностью насыщения их газами и формирование в контейнере жидкостно-газовой среды с механически перемещаемыми в ней ее струями [1] Известно устройство для осуществления способа формирования турбулентной жидкостно-газовой среды, содержащее контейнер с жидкостно-газовой средой, каналы ее подачи в контейнер, каналы подвода газовой среды, а также узлы управления подаваемыми в контейнер количествами обработанной жидкостно-газовой среды [2] Известен также способ формирования турбулентной жидкостно-газовой среды в контейнере, включающий отбор из контейнера и подачу в него дозируемых количеств среды с возможностью изменения их энергосостояния и насыщения их газами и формирование в контейнере жидкостно-газовой среды с механически перемещаемыми в ней ее струями (прототип) [3] Известно также устройство для осуществления способа формирования турбулентной жидкостно-газовой среды в контейнере, содержащее контейнер с жидкостно-газовой средой, каналы отбора среды из контейнера, соединенные через механизмы энергоподвода к отбираемым количествам среды с каналами их подачи в исходный контейнер, к которым подлкючены каналы подвода газовой среды, а также узлы управления подаваемыми в контейнер количествами обработанной жидкостно-газовой среды (прототип) [3] Недостатком известных способов и устройств является использование не всех имеющихся возможностей повышения эффективности их работы, в частности, увеличения КПД.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей известных способа и устройства с достижением технического результата в отношении повышения КПД преобразования электрической энергии в энергию, передаваемую турбулентной средой пользователю при осуществлении заявленных объектов, по сравнению с прототипом в адекватных условиях их реализации.

Это достигается с помощью предложенного способа формирования турбулентной жидкостно-газовой среды в контейнере, включающего отбор из контейнера и подачу в него дозируемых количеств среды с возможностью изменения их энергосостояния и насыщения их газами и формирование в контейнере жидкостно-газовой среды с механически перемещаемыми в ней ее струями.

Отличительные особенности предложенного способа заключаются в том, что из исходной среды, объем которой поддерживают в контейнере в пределах V₁ в единицу времени, непрерывно или периодически отбирают по n₁ каналам отбора, число которых выбирают в пределах 1 n₁ 100, ее рабочие количества V₂ в пределах 1(v₁+v₂)/v₁2. Отобранные количества среды направляют в n₂ механизмов изменения ее энергосостояния с их общим числом в пределах 1 n₂ 10, в которых суммарную первоначальную энергию Е₁, например, кинетическую энергию и/или температуру единицы массы каждого из объемов перемещаемой среды изменяют до значения Е₂ в пределах 0,1 Е₁/Е₂ 100.

Затем направляют обработанные количества среды с измененным их энергосодержанием по n₃ каналам подачи, количество которых выбирают в пределах 1 n₃ 100. К части n₄ каналов подачи, где n₄ выбирают в пределах 1 (n₄+n₃)/n₃ 2, подводят газовые потоки с их суммарным объемом V₃ в единицу времени, которые смешивают с энергетически насыщенным объемами V₄ среды, подаваемыми в этих каналах в единицу времени в пределах 1 (v₃+v₄)/v₄1000. Образованные жидкостно-газовые потоки непрерывно или периодически подают, поддерживая соотношение минимальных значений t₁ и максимальных значений t₂ периодов подачи в пределах 1(t₁+t₂)/t₂2, в контейнер в виде струй, регулируя соотношение минимальных величин А₁ и максимальных величин А₂ углов между результирующими векторами перемещения количеств жидкостно-газовой среды в любой из произвольно выбранных подаваемых в контейнер пар струй в пределах 1(А₁+А₂)/А₂2. Среду в контейнере барботируют, пропуская через каждый из элементарных объемов v₅ среды в контейнере объемы v₆ газов в единицу времени в пределах 1(v₅+v₆)/v₅2.

Достигаемый технический результат обеспечивают также с помощью предложенного устройства для осуществления способа формирования турбулентной жидкостно-газовой среды в контейнере, содержащего контейнер с жидкостно-газовой средой, каналы отбора среды из контейнера, соединенные через механизмы энергоподвода к отбираемым количествам среды с каналами их подачи в исходный контейнер, к которым подключены каналы подвода газовой среды, а также узлы управления подаваемыми в контейнер количествами обработанной жидкостно-газовой среды. Отличительные особенности устройства заключаются в том, что соотношение между максимальной суммарной площадью s₁ поперечных сечений каналов отбора и максимальной суммарной площадью s₂ поперечных сечений каналов подачи обработанных количеств жидкостно-газовой среды выбрано в пределах 0,1(s₁+ s₂)/s₂25, а соотношение максимальной суммарной площади s₃поперечных сечений каналов подвода газовой среды к каналам подачи к площади s₂ выбрано в пределах 1(s₁+s₂)/s₂12.

Механизм энергонасыщения отобранных количеств среды выполнен, например, в виде насосов с соотношением суммарной площади s₄ их входных сечений и суммарной площади s₅ их выходных сечений в пределах 1,1(s₄+s₅)/s₄2,5. Суммарный объем v₇ подающих жидкостно-газовую среду каналов выбран по отношению к рабочему объему v₈ контейнера в пределах 1,001(v₇+v₈)2. Соотношение минимальных площадей s₆ отверстий в узлах управления количеством подачи обработанной жидкостно-газовой среды в контейнер и их максимальных площадей s₇ отверстий выбрано в пределах 1,00001(s₆+s₇)/s₇2.Максимальная суммарная площадь s₈ сечений выходных отверстий подачи жидкостно-газовой среды в контейнер выбрана с возможностью ее регулирования по отношению к площади s₉ рабочей поверхности контейнера в пределах 1,0000001(s₈+s₉)/s₉1,5, а соотношение максимального расстояния L₁ между центрами отверстий подачи и максимальным размером L₂ контейнера выбрано в пределах 1(L₁+L₂)/L₂2.

Предложенные способ и устройство целесообразно пояснить на примере одного из вариантов практического выполнения заявленного технического решения в виде гидромассажной ванны. На фиг. 1 схематически изображен вид ванны сбоку, а на фиг.2 вид ванны сзади. Эта ванна предназначена для массажа тела человека с помощью струй воды, подаваемых, например, через сопла эжекторы. Массаж может производиться как струями воды, так и струями воды с воздухом, что усиливает эффект массажа за счет явлений барботажа.

Гидромассажная ванна 1 (фиг.1 и 2) выполнена из стеклопластика удобной для пользования формы и укреплена на опоре 2. Опора имеет четыре вращающиеся ножки 3, с помощью которых ванну можно выставить горизонтально. На опоре установлен, в частности, двигатель 4 с закрепленным на нем центробежным насосом 5. Насос 5 с помощью угольника 6 и отводящей трубы 7 соединен со всасывающими отверстиями на поверхности ванны 1. Диаметр трубы, например, 50 мм. На напорном патрубке насоса 5 укреплен угольник 8, который с помощью угольника 9 соединен с напорной подводящей трубой 10. Труба 10 опоясывает ванну 1 с двух сторон и соединяет между собой сопла-эжекторы 11. Сопло-эжектор имеет, например, две полости: жидкостную и воздушную.

Жидкостные полости сопла-эжектора соединены трубой 10, а воздушные трубой воздушной 12. Труба воздушная 12 для подачи воздуха к всасывающим соплам-эжекторам с одного конца закрыта заглушкой, а другим концом соединена с регулятором 13, который укреплен на панели ванны 1. На этой же панели установлена кнопка 14 для включения и выключения электродвигателя 4. Корпус кнопки 14 соединен, например, резиновой трубкой 15 с узлом 16, посредством которого включают или выключают электродвигатель 4.

Таким образом, принимая ванну, человек может осуществить гидромассаж, для чего необходимо нажать на кнопку 14. Столбик воздуха в трубке 16 нажмет на контакт в узле 16 и включит при этом электродвигатель 4. Это обеспечивает безопасность человека, так как управляя электродвигателем 4, он изолирован от всяких электрических приборов, что исключает поражение электрическим током, когда человек находится в воде. Работая, электродвигатель 4 вращает ротор центробежного насоса 5. При этом жидкость (вода) по отводящей трубе 7 из ванны 1 поступает в насос 5, а оттуда по подводящей трубе 10 жидкость поступает в сопла-эжекторы 11. Выходное сопло можно поворачивать и регулировать, направляя тем самым струи воды изменяемой интенсивности на различные участки тела. Для этого может быть предусмотрено, например, поворачиваемое и регулируемое шаровое сопло.

Усилить эффект массажа можно за счет воздуха, поступающего через трубу 12 из регулятора 13. Чем больше открыта заслонка регулятора, тем больше воздуха поступает в сопла-эжекторы 11 и тем больше массажирующий эффект. Если совсем закрыть заслонку регулятора 13, то из сопел 11 будет идти одна вода. Нажимая кнопку 14, можно выключить электродвигатель 4 и ванну использовать, как обычную. Для слива ненужной воды может быть использован патрубок 17.

Отличительные существенные особенности осуществления операций предложенного способа заключаются в том, что из исходной среды, объем которой поддерживают в контейнере, например, в виде ванны 1 (фиг.1 и 2) в пределах V₁ в единицу времени, непрерывно или периодически отбирают по n₁ каналам отбора, например в виде трубопроводов 7, число которых выбирают в пределах 1n₁100 ее рабочие количества V₂ в пределах 1(V₁+V₂)/V₁2. Исходной средой может быть, как уже отмечалось, обыкновенная вода, различные моющие растворы, жидкие химические препараты и т.п. Контейнер может иметь не только форму ванны 1, но и любую другую конфигурацию в виде сосуда для жидких сред с частично разомкнутой или полностью замкнутой формообразующей сосуд оболочкой.

Отобранные количества среды направляют в n₂ механизмов изменения ее энергосостояния с их общим числом в пределах 1n₂10, в которых суммарную первоначальную энергию Е₁, например, кинетическую энергию и/или температуру единицы массы каждого из объемов перемещаемой среды изменяют до значения Е₂ в пределах 0,1Е₁/Е₂100.Таким образом, механизмом изменения энергосостояния среды может быть, например, насос 5, изменяющий ее кинетическую энергию, а также подогреватель или охлаждающее устройство для изменения температуры среды и др. Затем направляют обработанные количества среды с измененным их энергосодержанием по n₃ каналам подачи, например, в виде трубопроводов 10, количество которых выбирают в пределах 1n₃100.К части n₄ каналов подачи, где n₄ выбирают в пределах 1(n₄+₃)/n₃2, подводят газовые потоки, например, по трубопроводам 12, с их суммарным объемом V₃ в единицу времени, которые смешивают с энергетическими насыщенными объемами V₄ среды, подаваемыми в этих каналах в единицу времени в пределах 1(V₃+V₄)/V₄1000. Необязательно подводить газовые потоки ко всем каналам подачи, можно также подводить газовые потоки в нескольких узлах на одном канале подачи, как это было показано на примере каналов 10 и 12 с соплами-эжекторами 11. При этом случай с V₃= 0 означает, например, периодическое прерывание подачи газовых потоков. В качестве газов может выбран, например, воздух, азот, кислород, углекислый и любые другие неагрессивные по отношению к используемым материалам газы или их смеси.

Образованные жидкостно-газовые потоки непрерывно или периодически подают, поддерживая соотношение минимальных значений t₁ и максимальных значений t₂ периодов подачи в пределах 1(t₁+t₂)/t₂2, в контейнер в виде струй. Соотношение минимальных величин А₁ и максимальных величин А₂углов между результирующими векторами перемещения количеств жидкостно-газовой среды регулируют в любой из произвольно выбранных подаваемых в контейнер пар струй в пределах 1(А₁+А₂)/А₂2. Среду в контейнере барботируют, пропуская через каждый из элементарных объемов V₅ среды в контейнере объемы V₆ газов в единицу времени в пределах 1(V₅+V₆)/V₅2. Процесс барботирования среды не только способствует ее эффективному перемешиванию, но и увеличивает количество энергии, передаваемой жидкостно-газовой средой погруженным в нее предметам. Элементарность объема определяют его размерами, которые позволяют в рамках допустимых значений погрешности измерений считать однородным процесс барботирования этого объема.

Отличительные существенные конструктивные особенности предложенного устройства заключаются в том, что соотношение между максимальной суммарной площадью S₁ поперечных сечений каналов, например 7 (фиг.1 и 2), отбора и максимальной суммарной площадью S₂ поперечных сечений каналов, например 10, подачи обработанных количеств жидкостно-газовой среды выбрано в пределах 0,1(S₁+S₂)/S₂ 25, а соотношение максимальной суммарной площади s₃ поперечных сечений каналов, например 12, подвода газовой среды к каналам подачи к площади s₂ выбрано в пределах 1(s₃+s₂) /s₂12.

Механизм энергонасыщения отобранных количеств среды выполнен, например, в виде насосов 4 с соотношением суммарной площади S₄ их входных сечений и суммарной площади S₅ их выходных сечений в пределах 1,1(S₄+S₅)/S₄2,5. Суммарный объем V₇ подающих жидкостно-газовую среду каналов 10 выбран по отношению к рабочему объему V₈ контейнера 1 в пределах 1,001(V₇+V₈)/V₈2. Соотношение минимальных площадей S₆отверстий в узлах управления, например узлах 11, количеством подачи обработанной жидкостно-газовой среды в контейнер их максимальных площадей S₇ отверстий выбрано в пределах 1,00001(S₆+S₇)/S₇2. Максимальная суммарная площадь S8 сечений выходных отверстий узлов 11 подачи жидкостно-газовой среды в контейнер выбрана с возможностью ее регулирования по отношению к площади S₉ рабочей поверхности контейнера 1 в пределах 1,0000001(S₈+S₉)/S₉1,5, а соотношение максимального расстояния L1 между центрами отверстий подачи и максимальным размером L₂контейнера выбрано в пределах 1(L₁+L₂)/L₂2. В случае отверстий сложной геометрической формы в качестве указанных центров отверстий выбирают, например, центры масс соответствующих им площадей, ограниченных периметрами отверстий (геометрические центры отверстий). Под максимальным размером L₂ контейнера 1 понимается максимальное расстояние между наиболее удаленными точками рабочей поверхности контейнера, определяющей конфигурацию находящейся в нем жидкостно-газовой среды.

Оптимальный выбор значений вышеуказанных параметров, характеризующих важнейшие конструктивные особенности узлов предложенного устройства в заявленных пределах, обеспечивает наиболее эффективное управление жидкостно-газовой средой, подаваемой в контейнер 1.

Нижние и верхние значения заявленных пределов были получены на основе статистической обработки результатов экспериментальных исследований, анализа и обобщения их и известных из опубликованных источников данных, исходя из условия достижения указанного технического результата. Для доказательства достижения технического результата в дополнение к вышеизложенному и в качестве дополнительных сведений, подтверждающих возможность осуществления изобретения, в таблице приведены статистически обработанные и аналитически обобщенные параметры примеров практического выполнения способа и устройства.

При сопоставлении прототипа и примеров в качестве параметра, характеризующего достигаемый технический результат, использовался параметр D, определяющий соотношение КПД преобразования электрической энергии в энергию, передаваемую турбулентной средой пользователю при осуществлении заявленных объектов, по сравнению с прототипом в адекватных условиях их реализации. Как следует из таблицы, в оптимальном варианте (пример 3) достигалось наиболее высокое значение указанного выше результата: D=1,4. Нижний (пример 1) и верхние (пример 2) значения заявленных пределов были получены, как уже отмечалось, на основе статистической обработки результатов экспериментальных исследований, анализа и обобщения их и известных опубликованных источников данных исходя из условия приближения параметра D к 1. При этом при выходе за нижние (пример 4) и верхних (пример 5) значения заявленных пределов, как следует из таблицы, выше указанный технический результат не достигается (D<1). Пример 6 таблицы отражает произвольный вариант осуществления заявленных объектов при нахождении параметров, характеризующих их существенные признаки, внутри пределов, отраженных в формуле изобретения (D=1,3).

Кроме указанного выше технического результата практическое осуществление заявленных объектов позволяет существенно расширить возможности их эксплуатации, повысить безопасность использования и существенно усилить потребительский, например, лечебный и/или оздоровительный эффект.

Формула изобретения

1. Способ формирования турбулентной жидкостно-газовой среды в контейнере, включающий отбор из контейнера и подачу в него дозируемых количеств среды с возможностью изменения их энергосостояния и насыщения их газами и формирование в контейнере жидкостно-газовой среды с механически перемещаемыми в ней ее струями, отличающийся тем, что из исходной среды, объем которой поддерживают в контейнере в пределах V₁ в единицу времени, непрерывно или периодически отбирают по n₁ каналам отбора, число которых выбирают в пределах 1 n₁ 100, ее рабочие количества V₂ в пределах 1 (V₁ + V₂) / V₁ 2 и направляют их в n₂ механизмов изменения энергосостояния с их общим числом в пределах 1 n₂ 10, в которых суммарную первоначальную энергию E₁ единицы массы каждого из объемов перемещаемой среды изменяют до значения E₂ в пределах 0,1 E₁/E₂ 100, затем направляют обработанные количества среды с измененным их энергосодержанием по n₃ каналам подачи, количество которых выбирают в пределах 1 n₃ 100, к части n₄ каналов подачи, где n₄ выбирают в пределах 1 (n₄ + n₃) / n₃ 2, подводят газовые потоки с их суммарным объемом V₃ в единицу времени, которые смешивают с энергетически насыщенными объемами V₄ среды, подаваемыми в этих каналах в единицу времени в пределах 1 (V₃ + V₄) / V₄ 1000, затем образованные жидкостно-газовые потоки непрерывно или периодически подают, поддерживая соотношение минимальных значений t₁ и максимальных значений t₂ периодов подачи в пределах 1 (t₁ + t₂) /t₂ 2, в контейнер в виде струй, регулируя соотношение минимальных величин A₁ и максимальных величин A₂ углов между результирующими векторами перемещения количеств жидкостно-газовой среды в любой из произвольно выбранных подаваемых в контейнер пар струй в пределах 1 (A₁ + A₂) / A₂ 2, и барботируют среду в контейнере, пропуская через каждый из элементарных объемов V₅ среды в контейнере объемы V₆ газов в единицу времени в пределах 1 (V₅ + V₆) / V₅ 2, причем элементарность объема определяют его размерами, которые позволяют в рамках допустимых значений погрешности измерений считать однородным процесс барботирования этого объема.

2. Устройство для формирования турбулентной жидкостно-газовой среды в контейнере, содержащее контейнер с жидкостно-газовой средой, каналы отбора среды из контейнера, соединенные через механизмы энергоподвода к отбираемым количествам среды с каналами их подачи в исходный контейнер, к которым подключены каналы подвода газовой среды, а также узлы управления подаваемыми в контейнер количествами обработанной жидкостно-газовой среды, отличающееся тем, что соотношение между максимальной суммарной площадью S₁ поперечных сечений каналов отбора и максимальной суммарной площадью S₂ поперечных сечений каналов подачи обработанных количеств жидкостно-газовой среды выбрано в пределах 0,1 (S₁ + S₂) / S₂ 25, а соотношение максимальной суммарной площади S₃ поперечных сечений каналов подвода газовой среды к каналам подачи и площади S₂ выбрано в пределах 1 (S₃ + S₂) / S₂ 12, механизм энергонасыщения отобранных количеств среды выполнен, например, в виде насосов с соотношением суммарной площади S₄ их входных сечений и суммарной площади S₅ их выходных сечений в пределах 1,1 (S₅ + S₄ / S₄ 2,5, суммарный объем V₇ подающих жидкостно-газовую среду каналов выбран по отношению к рабочему объему V₈ контейнера в пределах 1,001 (V₇ + V₈) / V₈ 2, соотношение минимальных площадей S₆ отверстий в узлах управления количеством подачи обработанной жидкостно-газовой среды в контейнер и их максимальных площадей S₇ отверстий выбрано в пределах 1,00001 (S₆ + S₇) / S₇ 2, максимальная суммарная площадь S₈ сечений выходных отверстий подачи жидкостно-газовой среды в контейнер выбрана с возможностью ее регулирования по отношению к площади S₉ рабочей поверхности контейнера в пределах 1,0000001 (S₈ + S₉) / S₉ 1,5 и соотношение максимального расстояния L₁ между центрами отверстий подачи и максимальным размером L₂ контейнера выбрано в пределах 1 (L₁ + L₂) / L₂ 2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4