УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

Решение относится к конструкции устройств контроля параметров высокотемпературных жидких металлов и может быть использовано, например, в исследовательских стендах со свинец-висмутовым или свинцовым теплоносителем, в реакторных установках с жидкометаллическим охлаждением, в цветной металлургии.
Известно устройство для измерения направления и величины скорости потока жидкости и расплава, содержащее обтекаемое тело в виде шара, прикрепленное к одному концу изогнутой в виде рычага 90° вращающейся штанги, другой конец которой соединен с первичным преобразователем, выполненным в виде мотор-редуктора, и блок управления. Недостатком этого устройства является сильное возмущение вращающимся на штанге обтекаемым телом поля локальных скоростей потока (патент RU 2267789 кл. G01F 1/05, 2004).
Известно устройство для измерения локальной скорости жидкого металла, содержащее корпус, в котором установлен измерительный зонд с датчиком полного напора в виде трубки Пито, сообщенный с блоком регистрации давления, и механизм перемещения измерительного зонда (Г.Г.Брановер, Турбулентные магнитогидродинамические течения в трубах, Рига, 1967 г., с 134-135) - прототип.
Недостатком данного технического решения является невозможность измерения локальной скорости жидкого металла, имеющего температуру кристаллизации и плавления существенно выше температуры атмосферного воздуха, например эвтектики свинец-висмут с температурой плавления 125°С и свинца с температурой плавления 327°С, так как в конструкции данного устройства не предусмотрен обогрев заполняемых жидким металлом полостей, а также применены уплотнения, не рассчитанные на высокие температуры.
Известно устройство для регистрации локальной скорости жидкого металла, содержащее корпус, в котором установлен измерительный зонд с датчиком полного напора в виде трубки Пито, сообщенный с блоком регистрации давления и механизм перемещения измерительного зонда, датчик измерительного зонда выполнен в виде изогнутой капиллярной трубки, открытый конец которой расположен параллельно оси потока, а другой конец установлен в обтекателе, внутренняя полость которого сообщена с полостью капиллярной радиальной трубы измерительного зонда, установленной в направляющих, расположенных вне потока жидкого металла; на участке корпуса, охватывающем радиальную трубу установлен металлический сильфон, допускающий перемещение измерительного зонда; блок регистрации давления выполнен в виде емкости, оборудованной электроконтактными сигнализаторами уровня жидкого металла и штуцерами газовой системы (патент RU 68702 кл. G01P 5/02 от 2007.27.11) - прототип.
Недостатком данного технического решения является невозможность измерения локальной скорости жидкого металла в кольцевом зазоре между стенкой корпуса и расположенной внутри корпуса теплоотводящей или теплоподводящей поверхностью.
Решаемая задача - совершенствование устройства для измерения локальной скорости. Технический результат - возможность измерения локальной скорости жидкого металла в кольцевом зазоре между стенкой корпуса и расположенной внутри корпуса теплоотводящей или теплоподводящей поверхностью.
Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения локальной скорости жидкого металла, содержащем корпус, в котором установлен измерительный зонд с датчиком полного напора в виде капиллярной трубки, нижний открытый конец которой расположен параллельно оси потока жидкого металла, а верхний сообщен с блоком регистрации давления в виде емкости, оборудованной электроконтактными сигнализаторами уровня жидкого металла и штуцерами газовой системы, сильфонный механизм перемещения измерительного зонда, измерительный зонд выполнен в виде протяженной капиллярной трубки, расположенной по всей высоте корпуса, к тяге механизма перемещения измерительного зонда подсоединен его нижний открытый конец, под которым в корпус вмонтирован канал отбора жидкого металла, сообщенный с блоком регистрации давления, сильфон механизма перемещения измерительного зонда расположен в заглушенном с наружной стороны патрубке, сообщенном с полостью корпуса.
Возможность измерения устройством локальных скоростей жидких металлов в кольцевом зазоре или зазоре другой геометрии обеспечивается возможностью перемещения датчика измерительного зонда - открытого конца капиллярной трубки в поперечном сечении в зазоре от стенки корпуса вплоть до поверхности теплообмена с жидким металлом, включая пристенную область корпуса и пристенную область теплообмена за счет радиального перемещения тяги сильфонного механизма.
На фиг. представлена схема предлагаемого устройства для измерения локальной скорости жидкого металла.
В корпусе 1 установлен перемещаемый в потоке жидкого металла 2 измерительный зонд 3, сообщенный каналом 4 с блоком 5 регистрации давления. Устройство имеет сильфонный механизм 6 радиального перемещения измерительного зонда 3, который выполнен в виде протяженной капиллярной трубки 7, внутренним диаметром 1,0 мм, толщиной стенки 0,25 мм. Ось открытого конца капиллярной трубки 7 располагается параллельно оси потока жидкого металла 2, а другой конец через герметичное уплотнение выведен из полости с жидким металлом и подключен к каналу 4. Открытый конец капиллярной трубки 7 подсоединен к тяге 8 сильфонного механизма 6, подсоединенной к сильфону 9 с направляющей 10, расположенной вне сильфонного потока 2. Внутренние полости с высокотемпературным жидким металлом корпуса 1 устройства отделены от окружающей среды патрубком 11 и сильфоном 9, обеспечивающим радиальное перемещение тяги 8. Блок 5 регистрации давления выполнен в виде емкости 12 со свободным уровнем 13 жидкости металла, оборудованной электроконтактными сигнализаторами 14 уровня жидкого металла и штуцерами 15 газовой системы и обобщенной с полостью капиллярной трубки 7 посредством канала 4, выполненного в виде стальной трубы, частично, в виде гибкого металлического гофрированного шланга, подключенного к нижней части емкости 12.
Статическое давление жидкого металла в сечении открытого конца капиллярной трубки 7 определяется использованием канала статического отбора 16 и блока регистрации статического давления 17. Сильфон механизма 6 перемещения измерительного зонда 3 расположен в замкнутом с наружной стороны патрубке 11 сообщенном с полостью корпуса 1.
Для одновременного определения с полем скоростей температурного поля в потоке жидкого металла может использоваться термозонд 18.
Элементы устройства в составе контура имеют внешний спиральный электрообогрев и теплоизоляцию (условно не показаны).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Устройство устанавливается в теплообменный элемент циркуляционного контура жидкого металла. Все соответствующие элементы устройства в составе контура разогреваются до температуры, превышающей температуру кристаллизации жидкого металла. Заполнение устройства жидким металлом производится совместно с контуром, к которому подключен теплообменный элемент с устройством. Жидким металлом заполняются внутренние полости корпуса 1, измерительного зонда 3, канала 4 и, частично, емкости 12 блока 5 регистрации давления, в которой устанавливается свободный уровень 13 жидкого металла, фиксируемый электроконтактным сигнализатором уровня 14.
После начала циркуляции по контуру полный напор потока жидкого металла 2 через полость капиллярной трубки 7, канала 4 поднимает уровень 13 жидкого металла в емкости 12 блока 5 регистрации давления жидкого металла. Противодавление газа, подаваемое через штуцер 15 подвода газа уравновешивает давление жидкого металла при положении его уровня 13 в районе электроконтактных сигнализаторов уровня 14, что контролируется по положениям сигнализаторов 14.
Полный напор потока жидкого металла 2 в открытом конце капиллярной трубки 7 определяется разностью высотных отметок открытого конца капиллярной трубки 7 и свободного уровня 13 жидкого металла и давлением газа в емкости 12 блока 5 регистрации давления жидкого металла.
При необходимости, величина статического давления в сечении открытого конца капилляра 7 определяется аналогично величине полного напора, с использованием канала 16 и блока регистрации статического давления 17.
Величины локального полного и статического давлений жидкого металла позволяет судить о величине локальной скорости в фиксированной точке поперечного сечения потока жидкого металла.
При необходимости произвести замер локальной скорости потока жидкого металла 2 в нескольких точках поперечного сечения потока в проточной части корпуса 1, включая пристенные области, капиллярная трубка 7 в составе измерительного зонда металла за счет работы механизма в перемещение зонда.
При необходимости одновременного определения полей скоростей и температур потока 2 жидкого металла, производится измерение поля температур в поперечном сечении потока с использованием термозонда.
Возможно измерение локальной скорости потока жидкого металла 2 при вертикальном, наклонном и горизонтальном положении оси капиллярной трубки 7 в пространстве, при условии сохранения вертикального положения устройства 5 регистрации давления жидкого металла.
Применение предлагаемого технического решения позволяет производить измерение локальных скоростей в потоке жидкого металла в поперечном сечении кольцевой щели, включая измерение локальной скорости в пристенной области потока жидкого металла, не смачивающего стенки канала, ограничивающие поток жидкого металла. Это позволяет определить экспериментально параметры потока (скорости и температуры) жидкого металла и обоснованно производить инженерные расчеты теплообменного оборудования и гидравлические расчеты элементов циркуляционных контуров и систем с жидкометаллическими теплоносителями на основе свинца.