Стенд для испытаний на качку и статический крен гидравлических контуров с естественной циркуляцией

Заявленное техническое решение относится к области динамических и теплогидравлических испытаний и может быть использовано для оценки динамических воздействий на теплогидравлические процессы и параметры, их характеризующие в контурах с естественной циркуляцией теплоносителя (температура, расход, паросодержание, степень перемешивания, пульсации, опрокидывание/застой циркуляции и т.д.).
Известно устройство, описанное в патенте РФ № 45816. Основное его предназначение - экспериментальное исследование теплообменных процессов в судовых теплообменных аппаратах и утилизационных котлах.
Данное устройство имеет разборный теплообменник типа «труба в трубе», моделирующий газотрубный утилизационный котел. Интенсификация теплообмена достигается установкой трубы с интенсифицированной внутренней поверхностью, а также механизма, создающего пульсацию давления в потоке воздуха. Режимы работы теплообменника устанавливаются изменением температуры и расхода воздуха, подаваемого термовоздуходувкой.
Основным недостаткам указанного устройства является отсутствие замкнутого контура движения теплоносителей при прохождении через теплообменник. Из-за этого снижается экономичность использования данного устройства, а также не учитываются процессы переноса теплоты между участками.
В качестве прототипа выбрано устройство, описанное в статье Кузеро В.Б., Перевезенцев В.В. Структурные характеристики двухфазных газожидкостных потоков в условиях действия периодических поперечных сил // Вопросы атомной науки и техники. серия: ядерно-реакторные константы. 2016. №3. С. 132-142. Показанный там экспериментальный стенд представляет собой адиабатический контур циркуляции, в состав которого входит тяговый участок, выполненный из оргстекла, опускной и подводящий участки, бак-сепаратор. В состав экспериментальной установки также входит технологическое оборудование, обеспечивающие требуемые параметры двухфазного потока и характеристики установки. Основным технологическим оборудованием является компрессорная установка с баллоном-ресивером и устройство подачи воздуха в канал. Объемный расход воздуха определялся с помощью ротаметра. Стенд позволяет изменять угол наклона тягового участка, благодаря конструкции бака-сепаратора и сильфонному соединению тягового и подводящего участков, и создавать циклические отклонения тягового участка от вертикальной оси, имитируя действие качки, с помощью двигателя постоянного тока, присоединенного к каналу через понижающий редуктор и кривошипно-шатунный механизм.
К недостаткам данного устройства относится отсутствие участков подвода и отвода теплоты, а также замена двухфазного потока на двухкомпонентный поток (вода + газ), что снижает точность моделирования процесса естественной циркуляции, которая возникает вследствие уменьшения плотности теплоносителя при его подогреве (либо вследствие кипения, либо ввиду термического расширения). Кроме того, нет описания способа отслеживания и задания колебаний.
Задача заявляемого решения - создание испытательного стенда для моделирования колебаний применительно к контурам с естественной циркуляцией (с наличием обогреваемого и охлаждаемого участков), сочетающего в себе простоту, надежность и обеспечение им требуемых параметров колебательного движения, а также их четкое односвязное соответствие положению испытуемого объекта в пространстве, вместе с параметрами, описывающими происходящие в испытуемом объекте явления в любой момент времени измерения.
Технический результат - обеспечение надежности передачи колебательного движения от заявленного устройства на теплогидравлическую модель, повышение точности в задании и отслеживании этих колебаний, а также в моделировании процессов естественной циркуляции.
Технический результат достигается при использовании заявленного стенда, предназначенного для выработки угловых колебаний, изменяющихся по гармоническому закону, имитируя действие качки с помощью кривошипно-шатунного механизма, содержащего контур циркуляции, состоящий из напорного и опускного участков, отличающегося наличием мотор-редуктора, состоящего из асинхронного двигателя, оснащенного преобразователем частоты, для регулирования числа оборотов, и червячного редуктора, оснащенного энкодером угла поворота, кривошипно-шатунный механизм с возможностью регулирования, преобразующим вращательное движение двигателя в колебание теплогидравлической модели контура естественной циркуляции, состоящей из обогреваемого электрическим током подъемного участка и охлаждаемого с помощью теплообменника опускного участка, которые расположены на разной высоте относительно друг друга, для отслеживания колебаний оснащенной 3-х осевым акселерометром (датчик положения и ускорения), а также для отслеживания скорости и пульсаций расхода естественной циркуляции оснащенной датчиком избыточного давления в нижней точке, а также необходимым комплектом термопар.
На фиг.1 изображен общий вид устройства, где приняты следующие обозначения:
1 - приёмный бак,
2 - охлаждаемый (опускной) участок,
3 - холодильник типа «труба в трубе»,
4 - обогреваемый (подъемный) участок,
5 - нагреватель, выполненный в виде нагревательной спирали, навитой на участок,
6 - мотор-редуктор червячный,
7 - кривошип регулируемый,
8 - тяга (шатун) регулируемая,
9 - шарниры шаровые,
10 - опорные подшипники,
11 - энкодер углов поворота вала,
12 - подвижная верхняя ось,
13 - A - 3-х осевой акселерометр,
14 - P - датчик избыточного давления.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Для создания естественной циркуляции, после заполнения бака 1 до необходимого уровня, к обогреваемому участку 4 подводится электрическая мощность (либо за счет нагревателя 5, выполненного в виде нагревательной спирали, навитой на участок, либо за счет непосредственной подачи разности потенциалов на клеммы, расположенные на границе участка), а от охлаждаемого участка 2 отводится теплота с помощью холодильника 3, выполненному по типу «труба в трубе», в зазоре которого циркулирует охлаждающая (проточная) вода. При выходе стенда на установившийся режим в нем возникает естественная циркуляция либо вследствие кипения, либо ввиду термического расширения жидкости. Конструкция стенда подразумевает испытание и исследование естественной циркуляции при воздействии колебаний. Для этих целей он установлен на подвижную верхнюю ось 12 через подшипники 10.
Колебания модели инициируются кинематической передачей стенда, при преобразовании вращательного движения мотор-редуктора червячного 6 с возможностью изменения частоты вращения при использовании преобразователя частоты (встроенного в систему управления стендом) в возвратно-поступательное движение с помощью кривошипно-шатунного механизма (состоящего из регулируемого кривошипа 7, а также тяги (шатуна) 8). Возможная несоосность нивелируется применением шаровых шарниров 9. Информация о положении модели в пространстве может быть получена при применении двух независимых каналов. Первый способ - при непосредственном считывании угла поворота на энкодере 11, установленном на приводе. Также этим способом возможно получать обратную связь для системы управления приводом стенда, а также вести подсчет количества и периода колебаний. Второй способ - применение 3-х осевого акселерометра (13) А, расположенного в нижней точке стенда. Для исследования процессов, происходящих в контуре естественной циркуляции он оснащен необходимым комплектом измерительной аппаратуры: термопарами (для измерения температур в характерных областях) и датчиком избыточного давления (14) P в нижней точке (для отслеживания скорости и пульсаций расхода).
Таким образом, при использовании заявленного устройства появляется возможность исследования естественной циркуляции как при кипении, так и при термическом расширении теплоносителя, при воздействии на систему угловых колебаний. Два независимых канала измерения в используемом стенде позволяют получать прецизионные данные о положении объекта в пространстве.