Способ гидравлической оптимизации проточной части пучка параллельных друг другу элементов с переменной по длине конфигурацией и устройство для его осуществления
METHOD FOR HYDRAULIC OPTIMIZATION OF FLOW PART OF BUNDLE OF PARALLEL ELEMENTS WITH VARIABLE LENGTH CONFIGURATION AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

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