Способ гидравлической оптимизации проточной части пучка параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области гидродинамики и может быть использовано для гидравлической оптимизации пучков параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией. Способ гидравлической оптимизации параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией включает следующие операции. Определение исходного взаимного положения элементов пучка относительно друг друга. Заполнение жидкостью расположенной вверху входной трубы и рабочей емкости, образованной внешними боковыми поверхностями элементов пучка, внутренними поверхностями корпуса и днища. Определение площади проходного сечения и гидравлического диаметра каналов пучка, измерение температуры потока. Быстрое откидывание днища вниз от нижней торцевой части корпуса для обеспечения прокачки жидкости во входной трубе и каналах пучка, образованных элементами пучка и корпусом. Определение окончательного стационарного взаимного положения элементов пучка после слива жидкости из входной трубы и каналов пучка. Измерение времени слива жидкости из входной трубы и каналов пучка. Первичную обработку измеренных параметров. Определение числа Рейнольдса в каналах пучка. Определение окончательного стационарного взаимного положения элементов пучка после слива жидкости из входной трубы и каналов пучка. Устройство для гидравлической оптимизации проточной части параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией содержит входную трубу, корпус, верхний и нижний дистанционаторы, элементы пучка, выступы, днище, поворотный узел и фиксатор. Элементы пучка расположены внутри корпуса соосно с ним. Днище размещено с касанием нижней торцевой части корпуса. Верхние и нижние выступы на торцевых частях элементов пучка установлены соответственно с упором в верхний и нижний дистанционаторы. Боковые поверхности элементов пучка установлены с зазором относительно смежных элементов пучка и корпуса с возможностью свободного вращения вокруг продольных осей. Входная труба, корпус и элементы пучка ориентированы вертикально. Технический результат - сокращение времени экспериментального определения взаимного положения параллельных друг другу элементов пучка с переменной по длине конфигурацией для обеспечения минимального гидравлического сопротивления его проточной части. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области гидродинамики и может быть использовано для гидравлической оптимизации пучков параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией.

Известен способ определения гидравлического сопротивления пучка проточной части продольного пучка витых труб, рассмотренный в книге [Б.В. Дзюбенко, Л.-В. Аштманс, М.Д. Сегаль. Моделирование стационарных и переходных теплогидравлических процессов в каналах сложной формы. Вильнюс, Pradai, 1994 г. Стр. 82-87]. Способ включает прокачку воздуха через проточную часть пучка витых труб, ограниченного по длине внешним корпусом, измерение поля скорости на выходе из пучка с помощью трубки полного напора, давления на входе в экспериментального участка, давления воздуха перед критической шайбой расходомерного устройства, температуры стенок витых труб в различных сечениях по длине пучка, перепадов давлений на различных участках пучка, первичную обработку измеренных параметров и определение гидравлического сопротивления пучка стержней и числа Рейнольдса в его проточной части.

Недостаток известного способа состоит в том, что при определении взаимного положения элементов пучка, характеризующегося минимальным гидравлическим сопротивлением проточной части, неоднократно изменяют и фиксируют положение элементов пучка и для каждого из вариантов конструкции измеряют и обрабатывают гидродинамические параметры. При этом остается вероятность того, что выбранная конструкция пучка не будет оптимальной.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ определения гидравлического сопротивления пучка проточной части продольного пучка витых труб, рассмотренный в тезисах доклада [Б.Н. Габрианович, В.Н. Дельнов. Исследование перемешивания теплоносителя и гидравлического сопротивления пучков стержней овального поперечного сечения с продольной осевой закруткой / Сборник тезисов докладов отраслевой конференции «Гидродинамика и безопасность АЭС». Обнинск, 28-30 сентября 1999 г. Стр. 150-152]. Способ включает последовательную прокачку воздуха через входную трубу, каналы входной решетки, ограниченного корпусом пучка стержней овального поперечного сечения с продольной осевой закруткой и выходной решетки, определение площади проходного сечения пучка стержней, измерение перепада статического давления по длине пучка, полного давления и перепада давления на расходомерном устройстве, температуры воздушного потока, первичную обработку измеренных параметров и определение коэффициентов гидравлического сопротивления пучка стержней и числа Рейнольдса в его проточной части.

Недостаток известного способа состоит в том, что при определении взаимного положения элементов пучка, характеризующегося минимальным гидравлическим сопротивлением проточной части, неоднократно изменяют и фиксируют положение элементов пучка и для каждого из вариантов конструкции измеряют и обрабатывают гидродинамические параметры. При этом остается вероятность того, что выбранная конструкция пучка не будет оптимальной.

Для исключения указанного недостатка в способе гидравлической оптимизации проточной части параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией, включающем прокачку жидкости через каналы пучка, образованные внутренней поверхностью корпуса и наружными поверхностями элементов пучка, определение площади проходного сечения и гидравлического диаметра каналов пучка, измерение температуры жидкости, первичную обработку измеренных параметров, определение числа Рейнольдса в каналах пучка, определение исходного взаимного положения элементов пучка относительно друг друга и первичную обработку измеренных параметров, предлагается:

- последовательно заполнять жидкостью расположенную вверху входную трубу и рабочую емкость, образованную внешними боковыми поверхностями элементов пучка, внутренними поверхностями корпуса и днища;

- быстро откинуть днище вниз от нижней торцевой части корпуса, обеспечивая движение вниз жидкости во входной трубе и каналах пучка;

- измерять время слива жидкости из входной трубы и каналов пучка;

- определять конечное стационарное взаимное положение элементов пучка после слива жидкости из входной трубы и каналов пучка.

В частных случаях реализации способа предлагается:

- во-первых, экспериментально определять минимальный уровень жидкости во входной трубе, соответствующий скоростному напору жидкости в каналах рабочей емкости, приводящий при открытии днища к повороту, по меньшей мере, одного элемента пучка вокруг его продольной оси;

- во-вторых, конечное взаимные положение элементов пучка определять по взаимному положению их торцевых частей;

- по исходному объему жидкости во входной трубе и рабочей емкости, температуре жидкости и времени слива ее из входной трубы и каналов пучка, площади проходного сечения и гидравлическому диаметру каналов пучка определять сначала плотность и динамическую вязкость жидкости, затем среднюю скорость жидкости и число Рейнольдса в каналах пучка.

Способ гидравлической оптимизации параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией включает следующие операции.

Определение исходного взаимного положения элементов пучка относительно друг друга.

Заполнение жидкостью расположенной вверху входной трубы и рабочей емкости, образованной внешними боковыми поверхностями элементов пучка, внутренними поверхностями корпуса и днища.

Определение площади проходного сечения и гидравлического диаметра каналов пучка, измерение температуры потока.

Быстрое откидывание днища вниз от нижней торцевой части корпуса для обеспечения прокачки жидкости во входной трубе и каналах пучка, образованных элементами пучка и корпусом.

Определение окончательного стационарного взаимного положения элементов пучка после слива жидкости из входной трубы и каналов пучка.

Измерение времени слива жидкости из входной трубы и каналов пучка.

Первичную обработку измеренных параметров.

Определение числа Рейнольдса в каналах пучка.

Определение окончательного стационарного взаимного положения элементов пучка после слива жидкости из входной трубы и каналов пучка.

Частные случаи реализации способа.

- Во-первых, предварительно экспериментально определить минимальный уровень жидкости во входной трубе, приводящий при открытии днища к повороту по меньшей мере одного элемента вокруг его продольной оси. Это позволяет обеспечить работоспособность устройства и с достаточной точностью определить оптимальное взаимное положение элементов пучка относительно друг друга.

- Во-вторых, конечное взаимное положение элементов пучка определяют по взаимному положению их торцевых частей. В дальнейшем это позволит определить и характеристики каналов пучка по его высоте.

- В-третьих, по исходному объему жидкости во входной трубе и рабочей емкости, температуре жидкости и времени слива ее из входной трубы и каналов пучка, площади проходного сечения и гидравлическому диаметру каналов пучка определяют сначала плотность и динамическую вязкость жидкости, затем среднюю скорость жидкости и число Рейнольса в каналах пучка. Эти действия позволяют определить условий, которым соответствуют зафиксированные взаимные положения элементов пучка.

Рассмотренный способ гидравлической оптимизации проточной части пучка параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией показал свою работоспособность. В результате определена конструкция пучка с минимальным гидравлическим сопротивлением проточной части.

Способ гидравлической оптимизации параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией осуществляют с использованием устройства, принцип действия которого рассмотрен далее.

Известно устройство для определения гидравлического сопротивления пучка проточной части продольного пучка витых труб, рассмотренное в книге [Б.В. Дзюбенко, Л.-В. Аштманс, М.Д. Сегаль. Моделирование стационарных и переходных теплогидравлических процессов в каналах сложной формы. Вильнюс, Pradai, 1994 г. Стр. 82-87]. Устройство включает корпус с пучком витых труб, отборы статического давления, расходомерное устройство с отбором о входным ограниченного по длине внешним корпусом, измерение поля скорости на выходе из пучка с помощью трубки полного напора, давления на входе в экспериментального участка, давления воздуха перед критической шайбой расходомерного устройства, температуры стенок витых труб в различных сечениях по длине пучка, перепадов давлений на различных участках пучка, первичную обработку измеренных параметров и определение коэффициентов гидравлического сопротивления и числа Рейнольдса.

Недостаток известного устройства состоит в том, что при определении взаимного положения элементов пучка, характеризующегося минимальным гидравлическим сопротивлением проточной части, неоднократно изменяют и фиксируют положение элементов пучка и для каждого из вариантов конструкции измеряют и обрабатывают гидродинамические параметры. При этом остается вероятность того, что выбранная конструкция пучка не будет оптимальной.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство по определению гидравлического сопротивления пучка проточной части продольного пучка витых труб, рассмотренное в работе [Б.Н. Габрианович, В.Н. Дельнов. Исследование перемешивания теплоносителя и гидравлического сопротивления пучков стержней овального поперечного сечения с продольной осевой закруткой / Сборник тезисов докладов отраслевой конференции «Гидродинамика и безопасность АЭС». Обнинск, 28-30 сентября 1999 г. Стр. 150-152].

Устройство включает расходомерное устройство с отборами давления, входную трубу, корпус, входную решетку, расположенный внутри корпуса пучок стержней овального поперечного сечения с продольной осевой закруткой и выступами в торцевых частях, выходную решетку и отборы статического давления по длине корпуса, расположенное перед входной трубой.

Недостаток известного устройства состоит в том, что при определении взаимного положения элементов пучка, характеризующегося минимальным гидравлическим сопротивлением проточной части, неоднократно изменяют и фиксируют положение элементов пучка и для каждого из вариантов конструкции измеряют и обрабатывают гидродинамические параметры. При этом остается вероятность того, что выбранная конструкция пучка не будет оптимальной.

Для исключения указанного недостатка в устройстве для гидравлической оптимизации проточной части пучка параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией, состоящем из корпуса, закрепленных на его верхней и нижней торцевых частях входного и выходного дистанционаторов, элементов пучка, расположенных в полости корпуса соосно с ним, и выступов на торцевых частях элементов пучка, установленных вдоль их продольных осей и упирающихся во входной и выходной дистанционаторы, предлагается:

- устройство дополнительно снабдить днищем, установленным с возможностями перекрытия нижних частей каналов пучка, фиксации в горизонтальном положении и быстрого принятия вертикального положения, фиксатором и поворотным узлом, части которого укреплены соответственно на корпусе и днище;

- каждый элемент пучка установить с зазорами относительно смежных элементов или корпуса для обеспечения свободного вращения вокруг своей продольной оси;

- входную трубу, корпус и элементы пучка ориентированы вертикально.

В частных случаях реализации устройства предлагается:

- элементы пучка выполнить из материала с плотностью соответствующей плотности жидкости;

- под корпусом с зазором установить сборную емкость;

- верхний и нижний дистанционаторы выполнить в виде прямых пластин;

- верхний и нижний дистанционаторы выполнить в виде сеток, центры узлов которых соответствуют положениям свободных концов выступов;

- верхний и нижний дистанционаторы выполнить в виде решеток, центры отверстий которых соответствуют центрам каналов пучка;

- выступ выполнить в виде конуса, основание которого расположено на торцевой части элемента пучка.

Сущность устройства состоит в следующем.

Сущность устройства поясняется на фигурах чертежей, где на фиг. 1 представлено поперечное сечение пучка элементов, на фиг. 2. - продольное осевое сечение экспериментальной установки.

На фигурах чертежей приняты следующие позиционные обозначения: 1 - верхний дистанционатор; 2 - входная труба; 3 - выступ; 4 - днище; 5 - канал пучка; 6 - корпус; 7 -нижний дистанционатор; 8 - поворотный узел; 9 - сборная емкость; 10 - фиксатор; 11 -элемент пучка.

Устройство для гидравлической оптимизации проточной части параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией содержит входную трубу 2, корпус 6, верхний 1 и нижний 7 дистанционаторы, элементы пучка 11, выступы 3, днище 4, поворотный узел 8 и фиксатор 10.

Верхний 1 и нижний 7 дистанционаторы закреплены соответственно на верхней и нижней частях корпуса 6.

Частные случаи исполнения верхнего 1 и нижнего 7 дистанционаторов:

- во-первых, дистанционаторы выполнены из прямых пластин, что позволяет исключить излишнее перекрытие проходного сечения на входе в каналы пучка 5 и выходе их них.

- во-вторых, дистанционаторы выполнены в виде сеток, центры узлов которых соответствуют положениям свободных концов выступов 3, что позволяет исключить излишнее перекрытие проходного сечения на входе в каналы пучка 5 и выходе их них.

- в-третьих, дистанционаторы выполнены в виде решеток, центры отверстий которых соответствуют центрам каналов пучка 5.

Элементы пучка 11 расположены в полости корпуса 6 соосно с ним.

В частном случае элемент пучка 11 выполнен из материала с плотностью соответствующей плотности жидкости, что позволяет минимизировать трение выступов 3 элементов пучка 11 с верхним 1 и нижним 7 дистанционаторами и обеспечивает более свободный поворот элементов пучка 11 вокруг их продольной оси.

Выступы 3 выполнены на торцевых частях элементов пучка 11 и установлены вдоль их продольной оси с упором в верхний 1 и нижний 7 дистанционаторы.

В частном случае выступ 3 выполнен в виде конуса, основание которого расположено на торцевой части элемента пучка 11, что минимизирует площадь контакта выступа 3 с соответствующим дистанционатором и обеспечивает более свободный поворот элементов пучка 11.

Днище 4 установлено с возможностями перекрытия нижних частей каналов пучка, фиксации в горизонтальном положении и быстрого принятия вертикального положения.

Части поворотного узла 8 укреплены соответственно на корпусе 6 и днище 4.

Каждый элемент пучка 11 установлен с зазорами относительно смежных элементов пучка 11 или корпуса 6. Это позволяет обеспечить свободное вращение элементов пучка 11 вокруг их продольных осей.

Входная труба 2, корпус 6 и элементы пучка 11 ориентированы вертикально.

В исходной положении устройства, т.е. перед заполнением его жидкостью, рабочую емкость образуют корпус 6, элементы пучка 11 и днище 4.

В частном случае реализации устройства под корпусом 6 с зазором установлена сборная емкость 9, что позволяет исключить разлив жидкости на выходе из каналов пучка 5 и собрать всю вытекающую из каналов пучка 5 жидкость после откидывания днища 4 от нижней торцевой части корпуса 6, например, для определения ее массы.

Устройство работает следующим образом.

Днище 4 с помощью поворотного узла 8 располагают в горизонтальном положении до контакта с нижней частью корпуса 6 и фиксируют его положение с помощью фиксатора 10.

Входную трубу 4 и рабочую емкость заполняют жидкостью.

Резко снимают фиксатор 10 и посредством поворотного узла 8 откидывают днище 4 от нижней торцевой части корпуса 6.

Жидкость последовательно истекает из входной трубы 2 и каналов пучка 5 и попадает в сборную емкость 9.

В эксперименте при движении жидкости в каналах пучка 5 происходит поворот элементов пучка 11 вокруг их продольных осей, после слива жидкости из входной трубы 2 и рабочей емкости элементы пучка 11 принимают стационарное положение.

Стационарное положение элементов пучка 11 соответствует конструкции пучка элементов с минимальным гидравлическим сопротивлением.

Пример конкретного исполнения устройства.

Корпус 6 шестигранного проходного сечения из прозрачного материала имеет длину 500 мм, внутренний диаметр 40 мм и толщину 10 мм, минимальное расстояние от центра проходного сечения корпуса до его стенки составляет 18 мм. На входной и выходной частях корпуса 6 укреплены фланцы.

Элементы пучка 11 выполнены из полиэтилена высокого давления.

Во входную трубу 2 и рабочую емкость заливают воду.

24 элемента пучка 11 установлены по треугольной компоновке с зазором относительно корпуса и других смежных элементов пучка 11. Поперечное сечение элементов пучка 11 имеет эллиптический профиль. Отношение шага закрутки элементов пучка 11 к диаметру их описанной окружности составляет 18. В смежных рядах элементы пучка 11 имеют различное направление продольной осевой закрутки. Диаметр описанной окружности элементов пучка 11 составляет 5 мм.

Выступы 3 выполнены в виде конусов, диаметр основания которых составляет 2 мм.

Фиксатор 10 изготовлен в виде П-образной детали, зазор между ее параллельными пластинами незначительно превышает расстояние между наружными поверхностями нижнего фланца и днища 4.

Сборная емкость 9 выполнена в виде круглой обечайки с днищем, внутренний диаметр составляет 80 мм и высота 300 мм.

Верхний 1 и нижний 7 дистанционаторы сделаны из прямых пластин, закрепленных во фланце и контактирующих со свободными концами установленных в ряд выступов 3.

Рассмотренное устройство для гидравлической оптимизации проточной части пучка параллельных друг другу элементов 11 с переменной по длине конфигурацией показало свою работоспособность. В результате была определена конструкция пучка с минимальным гидравлическим сопротивлением его проточной части.

Технический результат - сокращение времени экспериментального определения взаимного положения параллельных друг другу элементов пучка с переменной по длине конфигурацией для обеспечения минимального гидравлического сопротивления его проточной части

1. Способ гидравлической оптимизации проточной части параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией, включающий прокачку жидкости через каналы пучка, образованные внутренней поверхностью корпуса и наружными поверхностями элементов пучка, определение площади проходного сечения и гидравлического диаметра каналов пучка, измерение температуры потока, первичную обработку измеренных параметров, определение числа Рейнольдса в каналах пучка и определение исходного взаимного положения элементов пучка относительно друг друга, отличающийся тем, что последовательно заполняют жидкостью расположенную вверху входную трубу и рабочую емкость, образованную внешними боковыми поверхностями элементов, внутренними поверхностями корпуса и днища, быстро откидывают днище вниз от нижней торцевой части корпуса, обеспечивая движение вниз жидкости во входной трубе и каналах пучка, измеряют время слива жидкости из входной трубы и каналов пучка и определяют окончательное стационарное взаимное положение элементов пучка после слива жидкости из входной трубы каналов пучка.

2. Способ гидравлической оптимизации по п. 1, отличающийся тем, что предварительно экспериментально определяют минимальный уровень жидкости во входной трубе, приводящий при открытии днища к повороту по меньшей мере одного элемента пучка вокруг его продольной оси.

3. Способ гидравлической оптимизации по п. 1, отличающийся тем, что конечное взаимное положение элементов пучка определяют по взаимному положению их торцевых частей.

4. Способ гидравлической оптимизации по п. 1, отличающийся тем, что по исходному объему жидкости во входной трубе и рабочей емкости, температуре жидкости и времени слива ее из входной трубы и каналов пучка, площади проходного сечения и гидравлическому диаметру каналов пучка определяют сначала плотность и динамическую вязкость жидкости, затем среднюю скорость жидкости и число Рейнольса в каналах пучка.

5. Устройство для гидравлической оптимизации проточной части пучка параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией, состоящее из корпуса, закрепленных на его верхней и нижней торцевых частях входного и выходного дистанционаторов, элементов пучка, расположенных в полости корпуса соосно с ним, и выступов на торцевых частях элементов пучка, установленных вдоль их продольных осей и упирающихся во входной и выходной дистанционаторы, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено днищем, установленным с возможностями перекрытия нижних частей каналов пучка, фиксации в горизонтальном положении и быстрого принятия вертикального положения, фиксатором и поворотным узлом, части которого укреплены соответственно на корпусе и днище, причем каждый элемент пучка установлен с зазорами относительно смежных элементов или корпуса для обеспечения свободного вращения вокруг своей продольной оси, а входная труба, корпус и элементы пучка ориентированы вертикально.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что элементы пучка выполнены из материала с плотностью, соответствующей плотности жидкости.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что под корпусом с зазором установлена сборная емкость.

8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что верхний и нижний дистанционаторы выполнены в виде прямых пластин.

9. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что верхний и нижний дистанционаторы выполнены в виде сеток, центры узлов которых контактируют со свободными концами выступов.

10. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что верхний и нижний дистанционаторы выполнены в виде решеток, центры отверстий которых соответствуют центрам каналов пучка.

11. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что выступ выполнен в виде конуса, основание которого расположено на торцевой части элемента пучка.