Напорная камера

Авторы патента:

Изобретение относится к теплотехнике, напорная камера (4) содержит цилиндрический корпус (3) с днищем (2), цилиндрическую обечайку (9), решетку (6) и цилиндрическую вставку (8). Цилиндрическая обечайка (9) установлена коаксиально корпусу (3) и разделяет его полость на сообщенные между собой центральный отводящий (7) и боковой кольцевой подводящий (1) каналы. Решетка (6) размещена в центральном отводящем канале(7). Цилиндрическая вставка (8) расположена вдоль продольной оси напорной камеры (4) с упором между днищем (2) и решеткой (6). Для напорной камеры (4) при коэффициенте пористости решетки, соответствующему диапазону от 0,02 до 0,7, представлены соотношения, учитывающие, во-первых, взаимосвязь минимального и максимального радиусов перфорированной части решетки (6), высоты напорной камеры (4) и высоты входа в нее, внутреннего радиуса корпуса (3), наружного радиуса цилиндрической обечайки (9) и радиуса цилиндрической вставки (8), во-вторых, взаимосвязь высоты напорной камеры (4) и высоты входа в нее, внутреннего радиуса корпуса (3), наружного радиуса цилиндрической обечайки (9), минимального радиуса перфорированной части решетки (6) и радиуса цилиндрической вставки (8), в-третьих, взаимосвязь высоты входа в напорную камеру (4), внутреннего радиуса корпуса (3), наружного и внутреннего радиусов цилиндрической обечайки (9), в-четвертых, взаимосвязь высоты напорной камеры (4) и высоты входа в нее и, в-пятых, взаимосвязь высоты входа в напорную камеру (4), внутреннего радиуса корпуса (3), наружного радиуса цилиндрической обечайки (9) и радиуса цилиндрической вставки (8). Дано соотношение для выбора размеров проточной части напорной камеры (4), учитывающее массовый расход рабочей среды в отверстии (5) решетки (6), средний массовый расход рабочей среды в отверстиях (5) решетки (6), полные потери напора на прокачку рабочей среды через нее, среднюю плотность рабочей среды, среднюю скорость рабочей среды в отверстиях (5) решетки (6), высоту напорной камеры (4) и высоту ее входной части, наружный радиус цилиндрической обечайки (9), внутренний радиус корпуса (3), минимальный и минимальный радиусы перфорированной части решетки (6), радиус цилиндрической вставки (8), число отверстий (5) в решетке (6), радиус отверстия (5) решетки (6) и ее текущий радиус. Технический результат состоит в обеспечении оптимальной гидродинамики потока на выходе из напорной камеры (4). 1 н. з.п. ф-лы, 1 илл.

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использовано в энергетической, химической и других областях промышленности.

Известна напорная камера, содержащая корпус, внутри которого с зазором установлена обечайка, цилиндрическую кольцевую вставку, верхний торец которой примыкает в нижнему торцу обечайки, а нижний торец установлен с зазором по отношению к днищу, коаксиальные боковой опускной и центральный отводящий каналы, сообщенные между собой напорной камерой, вытеснитель, выполненный в виде цилиндра с крышкой, верхняя часть которого выведена в полость кольцевой вставки, установлена с зазором по отношению к ней и расположена ниже верхней части кольцевой вставки [Патент РФ на изобретение 2025799 «Ядерный реактор»; приоритет от 02.10.1990; зарегистрирован 30.12.1994].

Недостатками известного устройства являются то, что в нем не предусмотрена возможность получения заданного профиля расхода (скорости) на выходе из напорной камеры за счет обеспечения соответствующего соотношения размеров напорной камеры и учета гидравлического сопротивления ее выходной части.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является напорная камера, содержащая корпус, внутри которого с зазором установлена обечайка, коаксиальные боковой опускной и центральный отводящий каналы, сообщенные между собой напорной камерой. Для напорной камеры представлено соотношение по оценке неравномерности распределения скорости на выходе из нее, учитывающее соотношение размеров напорной камеры и гидравлическое сопротивление ее выходной части [Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990. Стр. 144-150.].

Недостатком известного устройства являются то, что характерное для него соотношения, учитывающего взаимосвязь гидродинамических характеристик потока в проточной части напорной камеры и соотношения ее размеров, получено для конструкции напорной камеры, в которой имеет место движение потока рабочей среды в канале между днищем и решеткой с раздачей расхода по пути в направлении от периферии напорной камеры к ее центру, и, соответственно, не может быть использовано для напорных камер с обратным поворотом потока со струйной схемой течения рабочей среды.

Технический результат состоит в создании напорной камеры с заданной гидравлической неравномерностью на выходе из нее.

Для исключения указанного недостатка в напорной камере, содержащей цилиндрический корпус с днищем, цилиндрическую обечайку, установленную коаксиально корпусу и разделяющую его полость на сообщенные между собой центральный отводящий и боковой кольцевой подводящий каналы, решетку, размещенную в центральном отводящем канале, и цилиндрическую вставку, расположенную вдоль продольной оси напорной камеры с упором между днищем и решеткой, предлагается при коэффициенте пористости решетки, соответствующему диапазону от 0,02 до 0,7, и соотношениях размеров напорной камеры, учитывающих, во-первых, взаимосвязь минимального и максимального радиусов перфорированной части решетки, высоты напорной камеры и высоты входа в нее, внутреннего радиуса корпуса, наружного радиуса цилиндрической обечайки и радиуса цилиндрической вставки, во-вторых, взаимосвязь высоты напорной камеры и высоты входа в нее, внутреннего радиуса корпуса, наружного радиуса цилиндрической обечайки, минимального радиуса перфорированной части решетки и радиуса цилиндрической вставки, в-третьих, взаимосвязь высоты входа в напорную камеру, внутреннего радиуса корпуса, наружного и внутреннего радиусов цилиндрической обечайки, в-четвертых, взаимосвязь высоты напорной камеры и высоты входа в нее и, в-пятых, взаимосвязь высоты входа в напорную камеру, внутреннего радиуса корпуса, наружного радиуса цилиндрической обечайки и радиуса цилиндрической вставки, размеры проточной части напорной камеры выбирать с учетом гидродинамических характеристик ее проточной части по соотношению, учитывающему массовый расход рабочей среды в отверстии решетки, средний массовый расход рабочей среды в отверстиях решетки, коэффициент гидравлического сопротивления решетки, полные потери напора на прокачку рабочей среды через решетку, среднюю плотность рабочей среды, среднюю скорость рабочей среды в отверстиях решетки, высоту напорной камеры и высоту ее входной части, наружный радиус цилиндрической обечайки, внутренний радиус корпуса, минимальный и минимальный радиусы перфорированной части решетки, радиус цилиндрической вставки, число отверстий в решетке, радиус отверстия решетки и текущий радиус решетки.

Продольное осевое сечение одного из вариантов исполнения напорной камеры представлено на фигуре, на которой приняты следующие обозначения: 1 - боковой кольцевой подводящий канал; 2 - днище; 3 - корпус; 4 - напорная камера; 5 - отверстие решетки; 6 - решетка; 7 - центральный отводящий канал; 8 - цилиндрическая вставка; 9 - цилиндрическая обечайка.

Напорная камера 4 содержит корпус 3 с днищем 2, решетку 6, цилиндрическую вставку 8 и цилиндрическую обечайку 9.

Цилиндрическая обечайка 9 установлена коаксиально корпусу 3 и разделяет его полость на сообщенные между собой центральный отводящий 7 и боковой кольцевой подводящий 1 каналы.

Решетка 6 размещена в центральном отводящем канале 7.

Цилиндрическая вставка 8 расположена вдоль продольной оси напорной камеры 4 с упором между днищем 2 и решеткой 6.

Коэффициенте пористости решетки 6 соответствует диапазону от 0,02 до 0,7.

Соотношения размеров напорной камеры 4 соответствуют следующим условиям:

где r₂ - максимальный радиус перфорированной части решетки 6, м; H - высота напорной камеры 4, м; - высота, м; r₄ - наружный радиус цилиндрической обечайки 9, м; h - высота входа в напорную камеру 4, м; r₅ - внутренний радиус корпуса 3, м; - радиус струи рабочей среды, м; R₁=r₄-0,21(h-h₁) - радиус струи рабочей среды, м; r₁ - минимальный радиус перфорированной части решетки 6, м; r₃ - внутренний радиус цилиндрической обечайки 9, м; r₆ - радиус цилиндрической вставки 8, м.

Размеры проточной части напорной камеры 4 выбирают с учетом ее гидродинамических характеристик по следующему соотношению:

где M - массовый расход рабочей среды в отверстии 5 решетки 6, кг/с; - средний массовый расход рабочей среды в отверстиях 5 решетки 6, кг/с; - коэффициент гидравлического сопротивления решетки 6; P - полные потери напора на прокачку рабочей среды через решетку 6, Па; - средняя плотность рабочей среды, кг/м³; - средняя скорость рабочей среды в отверстиях 5 решетки 6, м/с;

площадь поперечного сечения струи рабочей среды, м²; Н - высота напорной камеры 4, м; - высота струи рабочей среды во входной части напорной камеры 4, м; r₄ - наружный радиус цилиндрической обечайки 9, м; h - высота входной части напорной камеры 4, м; r₅ -внутренний радиус корпуса 3, м; R₁=r₄ -0,21(h-h₁) - радиус струи рабочей среды, м; r₁ - минимальный радиус перфорированной части решетки 6, м; r₆ - радиус цилиндрической вставки 8, м; n - число отверстий 5 в решетке 6; r₀ - радиус отверстия 5 решетки 6, м; r - текущий радиус решетки 6, м; r₂ - максимальный радиус перфорированной части решетки 6, м.

Использованные в соотношениях (1÷6) обозначения конструктивных элементов напорной камеры 4 представлены на фигуре.

Соотношения по определению гидродинамических неравномерностей на выходе из осесимметричной напорной камеры 4 разработаны с учетом закона сохранения массы в предположении о постоянстве теплофизических свойств рабочей среды и струйном характере ее течения.

При выводе расчетных соотношений приняты следующие предположения.

Движущаяся вдоль днища плоская полузатопленная струя после поворота в центре напорной камеры 4 с цилиндрической вставкой 8 между днищем 2 и решеткой 6 преобразуется в кольцевую полузатопленную струю.

При движении плоской полузатопленной струи вдоль днища 2 после участка стабилизации, кольцевой полузатопленной струи вдоль корпуса 3 и кольцевой полузатопленной струи вдоль поверхности цилиндрической вставки 8 происходит увеличение площади их поперечного сечения, сопровождающееся уменьшением скорости рабочей среды в ней.

Угол одностороннего расширения полузатопленных струй составляет 12°.

При попадании струи на решетку 6 одна часть потока входит в отверстия 5 решетки 6, расположенные в месте встречи струи, другая растекается вдоль решетки 6 с изменением расхода по пути.

Соотношение (1) соответствует условию попадания внутренней боковой поверхности кольцевой полузатопленной струи на решетку 6, соотношение (2) -условию формирования падающей на решетку 6 кольцевой полузатопленной струи, а соотношение (5) - условию обратного поворота кольцевой полузатопленной струи в основном объеме напорной камеры 4.

Течение рабочей среды в проточной части напорной камеры 4 осуществляется следующим образом.

Рабочая среда через боковой кольцевой канал 1 выходит в напорную камеру 4, изменяет в ней направление движения, попадает на решетку 6 и через ее отверстия 5 выходит в цилиндрический отводящий канал 7.

Пример конкретного выполнения напорной камеры

Напорная камера 4 имеет следующие соотношения размеров: H-h=0;

r₁/r₅=0,11; r₂/r₅=0,87; r₃/r₅=0,95; r₄/r₅=0,97; r₆/r₅ =0,10; h/r₅=0,15; H/r₅=0,15.

Коэффициент пористости решетки 6 () равен 0,10. При этом числа Рейнольдса в боковом кольцевом подводящем канале 1 и отверстии 5 решетки 6 равны соответственно 2,11·10⁴ и 1,12·10³, а коэффициент =13,2. В результате сопоставления результатов расчета по соотношению (6) с опытными данными, полученными для напорной камеры 4, отвечающей условиям (1)÷(5), установлено, что отличие расходов М не превышает ±10%.

Напорная камера, содержащая цилиндрический корпус с днищем, цилиндрическую обечайку, установленную коаксиально корпусу и разделяющую его полость на сообщенные между собой центральный отводящий и боковой кольцевой подводящий каналы, решетку, размещенную в центральном отводящем канале, и цилиндрическую вставку 8, расположенную вдоль продольной оси напорной камеры с упором между днищем и решеткой, отличающаяся тем, что при коэффициенте пористости решетки, соответствующему диапазону от 0,02 до 0,7, и соотношениях размеров напорной камеры, соответствующих условиям: