Установка для исследования импульсного режима движения жидкости
INSTALLATION FOR INVESTIGATION OF PULSED FLUID MOTION REGIME

Изобретение относится к области гидродинамики при использовании технического решения для изучения гидравлического удара, а также к области теплоэнергетики, где может быть использовано для изучения влияния импульсного движения теплоносителя на процессы теплопередачи в системах теплоснабжения и системах жидкостного охлаждения.
Известна конструкция системы жидкостного охлаждения полупроводниковых приборов, включающая циркуляционный контур, в котором установлены насосы, теплообменник и ионообменный фильтр, включенный параллельно насосам, охладитель, подпиточную емкость, расположенную выше любого участка циркуляционного контура и подключенную к всасывающей линии насосов, измерительные приборы, пульсатор, гидроаккумулятор, обратный клапан, подающий и обратный вентили, параллельно пульсатору, включенному последовательно в циркулярный контур через подающий и обратный вентили, подключен охладитель, в подающем трубопроводе которого установлен обратный клапан, а в его обратном трубопроводе перед обратным вентилем - гидроаккумулятор (См. Пат. на изобретение 2548239 Российская Федерация, МПК F25B 23/04. Система жидкостного охлаждения полупроводниковых приборов. Заявл. 09.10.2013; опубл. 24.04.2015, Бюл. №11).
Из недостатков данной конструкции системы жидкостного охлаждения применительно к технической задаче настоящего изобретения следует отметить отсутствие возможности сопоставления эффективности работы охладителя полупроводникового прибора при циркуляции через него теплоносителя в стационарном и импульсном режимах.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является схема экспериментальной установки для испытания охладителей полупроводниковых приборов (См. Левцев, А.П. Импульсная циркуляция охлаждаемой среды для систем традиционного жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых приборов / А.П. Левцев [и др] // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: Сб. науч. тр. Междунар. конф. / Редкол.: Сенин П.В. [и др.]; отв. за вып. А.В. Столяров. - Саранск, 2014. - С. 3-10).
Установка содержит греющий и нагреваемый контуры, греющий контур включает гидравлически соединенные источник теплоты, насос и теплообменник, нагреваемый контур включает гидравлически соединенные, последовательно по ходу движения нагреваемого теплоносителя, калорифер, второй насос, обратный клапан, охладитель и регулировочный вентиль, причем между охладителем и регулировочным вентилем к нагреваемому контуру подключен гидравлический аккумулятор, между вторым насосом и обратным клапаном к нагреваемому контуру через вентиль переключения режимов подключен ударный узел, выход которого связан с входом калорифера, при этом охладитель и теплообменник соединены между собой с возможностью осуществления термического контакта, а на входе и выходе теплообменника и охладителя установлены соответственно датчики температуры.
Названная конструкция выбрана за прототип.
Среди недостатков прототипа можно отметить:
- в греющем контуре не предусмотрена компенсация температурного изменения объема греющего теплоносителя, что сказывается на разгерметизации этого контура и характеризует относительно низкую надежность известного технического решения;
- отсутствие технической возможности для измерения фактического расхода нагреваемого теплоносителя методом слива в мерную емкость, что необходимо для оценки погрешности механических и электронных средств измерения расхода в импульсном режиме циркуляции теплоносителя;
- в приведенном схемном решении замена охладителя для проведения серии сопоставительных экспериментов осложнена необходимостью слива значительной части нагреваемого теплоносителя из нагреваемого контура, что требует дополнительных затрат времени и материальных средств.
Технической задачей изобретения является создание установки для исследования импульсного режима движения жидкости, которая при повышении надежности и расширении унификации технического решения позволит:
- изучать гидравлический удар и особенности импульсного движения жидкости в области гидродинамики;
- исследовать влияние импульсного движения теплоносителя на процесс теплопередачи в области теплоэнергетики;
- проводить сравнительные тепловые испытания в стационарном и импульсном режиме циркуляции теплоносителя для различных систем жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых приборов.
Технический результат достигается за счет того, что установка для исследования импульсного режима движения жидкости, включающая греющий и нагреваемый контуры, греющий контур включает гидравлически соединенные источник теплоты, насос и теплообменник, нагреваемый контур включает гидравлически соединенные, последовательно по ходу движения нагреваемого теплоносителя, калорифер, второй насос, обратный клапан, охладитель и регулировочный вентиль, причем между охладителем и регулировочным вентилем к нагреваемому контуру подключен гидравлический аккумулятор, между вторым насосом и обратным клапаном к нагреваемому контуру через вентиль переключения режимов подключен ударный узел, выход которого связан с входом калорифера, при этом охладитель и теплообменник соединены между собой с возможностью осуществления термического контакта, а на входе и выходе теплообменника и охладителя установлены соответственно датчики температуры, дополнительно содержит два измерителя расхода, четыре крана, два дополнительных обратных клапана, второй регулировочный вентиль, второй гидравлический аккумулятор и три датчика давления, причем первый измеритель расхода включен в греющий контур, к которому через первый кран подключен второй гидравлический аккумулятор, второй измеритель расхода установлен в нагреваемом контуре перед первым регулировочным вентилем, второй кран установлен в нагреваемый контур между первым обратным клапаном и охладителем, третий кран установлен на входе первого гидравлического аккумулятора, четвертый кран установлен в нагреваемый контур между вторым измерителем расхода и первым регулировочным вентилем, второй обратный клапан установлен в нагреваемый контур на выходе охладителя, выход третьего обратного клапана подключен к входу первого регулировочного вентиля, вход второго регулировочного вентиля подключен к входу четвертого крана, два датчика давления установлены на входе и выходе ударного узла, а третий датчик давления установлен на входе второго измерителя расхода.
Предлагаемое схемное решение установки для исследования импульсного режима движения жидкости представлено на чертеже, который прилагается к тексту настоящей заявки.
Установка для исследования импульсного режима движения жидкости, содержит греющий 1 и нагреваемый 2 контуры, греющий контур 1 включает гидравлически соединенные источник теплоты 3, насос 4 и теплообменник 5, нагреваемый контур 2 включает гидравлически соединенные последовательно по ходу движения нагреваемого теплоносителя калорифер 6, второй насос 7, обратный клапан 8, охладитель 9 и регулировочный вентиль 10, причем между охладителем 9 и регулировочным вентилем 10 к нагреваемому контуру 2 подключен гидравлический аккумулятор 11, между вторым насосом 7 и обратным клапаном 8 к нагреваемому контуру 2 через вентиль переключения режимов 12 подключен ударный узел 13, выход которого связан с входом калорифера 6, при этом охладитель 9 и теплообменник 5 соединены между собой с возможностью осуществления термического контакта, а на входе и выходе теплообменника 5 и охладителя 9 установлены соответственно датчики температуры 14, 15, 16, 17, первый измеритель расхода 18 включен в греющий контур 1, к которому через первый кран 20 подключен второй гидравлический аккумулятор 27, второй измеритель расхода 19 установлен в нагреваемом контуре 2 перед первым регулировочным вентилем 10, второй кран 21 установлен в нагреваемый контур 2 между первым обратным клапаном 8 и охладителем 9, третий кран 22 установлен на входе первого гидравлического аккумулятора 11, четвертый кран 23 установлен в нагреваемый контур 2 между вторым измерителем расхода 19 и первым регулировочным вентилем 11, второй обратный клапан 24 установлен в нагреваемый контур 2 на выходе охладителя 9, выход третьего обратного клапана 25 подключен к входу первого регулировочного вентиля 11, вход второго регулировочного вентиля 26 подключен к входу четвертого крана 23, два датчика давления 28, 29 установлены на входе и выходе ударного узла 13, а третий датчик давления 30 установлен на входе второго измерителя расхода 19.
Установка для исследования импульсного режима движения жидкости функционирует в одном из двух режимов: стационарном и импульсном. Для обеспечения работы технического решения в любом режиме необходимо произвести предварительное заполнение греющего контура 1 через первый кран 20 (при временном снятии второго гидравлического аккумулятора 27 или без его снятия, если первый кран 20 выполнен трехходовым) и нагреваемого контура 2 через третий обратный клапан 25 соответствующими видами теплоносителей - греющим и нагреваемым. В качестве таковых может быть использована вода или любая другая диэлектрическая и/или незамерзающая жидкость.
Работа экспериментальной установки в стационарном режиме осуществляется следующим образом. Включается насос 4, на источнике теплоты 3 обеспечивается подогрев греющего теплоносителя, который начинает циркулировать через теплообменник 5 и нагревать его. Таким образом, теплообменник 5 является для охладителя 9 источником тепловыделения. Рекомендуется, чтобы мощность источника теплоты 3 была больше тепловой мощности испытуемого охладителя 9. Температурное расширение греющего теплоносителя компенсируется вторым гидравлическим аккумулятором 27, подключенного к греющему контуру 1 через первый кран 20, который также может быть использован и для слива греющего теплоносителя из греющего контура 1 (при снятии гидравлического аккумулятора 27 или без его снятия, если первый дополнительный кран 20 выполнен трехходовым). Оценка расхода греющего теплоносителя через теплообменник 5 осуществляется посредством первого измерителя расхода 18, а перепад температур на нем фиксируется при помощи первого 14 и второго 15 датчиков температуры, установленных на входе и выходе теплообменника 5. Мощность нагрева теплообменника 5 регулируется степенью подогрева греющего теплоносителя на источнике теплоты 3 путем изменения расходной характеристики насоса 4 или путем введения в греющий контур 1 дополнительных гидравлических сопротивлений (на чертеже не указаны).
Включается второй насос 7, который начинает осуществлять циркуляцию нагреваемого теплоносителя по нагреваемому контуру 2 в следующей последовательности: второй насос 7, обратный клапан 8, второй кран 21 (который должен быть открыт), охладитель 9, второй обратный клапан 24, второй измеритель расхода 19, четвертый кран 23, первый регулировочный вентиль 10, калорифер 6, второй насос 7. При этом вентиль переключения режимов 12 закрыт. Оценка расхода нагреваемого теплоносителя через охладитель 9 осуществляется посредством второго измерителя расхода 19, а перепад температур на нем фиксируется при помощи третьего 16 и четвертого 17 датчиков температуры, установленных на входе и выходе охладителя 9. Изменение расхода нагреваемого теплоносителя в нагреваемом контуре 2 осуществляется при помощи первого регулировочного вентиля 10 или путем изменения расходной характеристики второго насоса 7. Компенсация температурного расширения нагреваемого теплоносителя будет осуществляться при помощи первого гидравлического аккумулятора 11, подключенного к нагреваемому контуру 2 через третий кран 22.
Переход во второй (импульсный) режим осуществляется из стационарного путем открытия вентиля переключения режимов 12 и прикрытием первого регулирующего вентиля 10. В результате этого нагреваемый теплоноситель, избирая путь наименьшего гидравлического сопротивления, начнет поступать через открытый ударный узел 13, автоматически запуская его в работу, и калорифер 6 к входу второго насоса 7. При определенной скорости истечения ударный узел 13 автоматически закроется и возникнет волна гидравлического удара, которая обеспечит импульсный впрыск некоторого количества нагреваемого теплоносителя через обратный клапан 8, второй кран 21, охладитель 9 и второй обратный клапан 24 в первый гидравлический аккумулятор 11 (в этом случае третий кран 22 должен быть открыт). Из первого гидравлического аккумулятора 11 нагреваемый теплоноситель через третий кран 22, второй измеритель расхода 19, четвертый кран 23, первый регулировочный вентиль 10, охладившись в калорифере 6, поступит к входу второго насоса 7.
После того, как положительная волна гидравлического удара в нагреваемом контуре 2 будет исчерпана, наступит фаза отрицательной волны гидравлического удара, влияние которой распространится к входу ударного узла 13, в результате чего его проходное сечение автоматически откроется. Нагреваемый теплоноситель, вновь избирая путь наименьшего сопротивления, будет циркулировать через открытый ударный узел 13 и способствовать его закрытию. Когда ударный узел 13 опять закроется, то процесс импульсной циркуляции нагреваемого теплоносителя через охладитель 9 повторится в описанной выше последовательности.
Пульсации давления нагреваемого теплоносителя фиксируются при помощи первого датчика давления 28, установленного на входе ударного узла 13, второго датчика давления 29, установленного за ударным узлом 13 и третьего датчика давления 30, установленного перед вторым измерителем расхода 19.
Выход второго регулировочного вентиля 26 используется для слива нагреваемого теплоносителя в мерную емкость (на чертеже не указана) для последующего сопоставления фактического расхода нагреваемого теплоносителя в нагреваемом контуре со значением его расхода по показаниям второго измерителя расхода 19. При этом должна осуществляться подпитка нагреваемого контура 2 через третий обратный клапан 25.
Второй обратный клапан 24 и второй кран 21, при его закрытии, позволят избежать опорожнения нагреваемого контура 2 при замене охладителя 9.
При помощи третьего крана 22 гидравлический аккумулятор 11 может быть выключен из нагреваемого контура 2 для исследования пульсаций нагреваемого теплоносителя в случае имитации отсутствия гасителя гидравлического удара.
Использование данного технического решения позволит:
- в области гидродинамики изучать явление гидравлического удара, возможные способы его создания и применения; исследовать принцип работы гидравлического тарана; анализировать движение жидкости в стационарном и импульсном режиме ее движения с возможностью визуализации значений давлений греющего и нагреваемого теплоносителей на отдельных участках контуров их циркуляции;
- в области теплоэнергетики проводить сравнительную оценку влияния импульсного движения теплоносителя на процесс теплопередачи в сопоставлении со стационарным режимом его движения; получать информацию для построения расходно-мощностных характеристик различных конструкций охладителей;
- уменьшить, а в некоторых случаях полностью исключить потери теплоносителя в нагреваемом контуре при сравнительных тепловых и гидравлических испытаниях различных конструкций охладителей для систем жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых приборов;
- использовать эргономичную возможность присоединения различных конструкций охладителей к нагреваемому контуру для последующего их исследования;
- расширить его унификацию путем использования настоящего технического решения в различных областях техники для учебных и промышленных целей;
- повысить точность проведения научного эксперимента, что достигается путем использования возможности слива нагреваемого теплоносителя в мерную емкость из нагреваемого контура в импульсном и стационарном режимах его циркуляции;
- повысить надежность технического решения за счет устранения разгерметизации греющего контура при температурном изменении объема греющего теплоносителя.