НАПОРНАЯ КАМЕРА
PRESSURE CHAMBER

Изобретение 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].
Недостатком известного устройства является 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 является то, что характерное для него соотношение, учитывающее 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, и решетку, размещенную в центральном отводящем канале, предлагается при коэффициенте пористости решетки, соответствующем диапазону от 0,05 до 0,7, при соотношениях размеров напорной камеры, учитывающих, во-первых, взаимосвязь максимального радиуса перфорированной части решетки, высоты напорной камеры, наружного радиуса цилиндрической обечайки, высоты входа в напорную камеру и внутреннего радиуса корпуса, во-вторых, взаимосвязь высоты напорной камеры, наружного радиуса цилиндрической обечайки, высоты входа в напорную камеру и внутреннего радиуса корпуса, в-третьих, взаимосвязь высоты входа в напорную камеру, внутреннего и наружного радиусов цилиндрической обечайки и внутреннего радиуса корпуса, в-четвертых, взаимосвязь высоты напорной камеры и высоты входа в нее и, в-пятых, высоты входа в напорную камеру, наружного радиуса цилиндрической обечайки и внутреннего радиуса корпуса, 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, полные потери напора на прокачку рабочей среды через решетку, среднюю плотность рабочей среды, среднюю скорость рабочей среды в отверстиях решетки, высоту напорной камеры, наружный радиус цилиндрической обечайки, высоту входной части напорной камеры, внутренний радиус корпуса, число отверстий в решетке, радиус отверстия решетки, текущий радиус решетки и максимальный радиус перфорированной части 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 обечайка.
Напорная камера содержит цилиндрический корпус 3 с днищем 2, цилиндрическую обечайку 8 и решетку 6.
Цилиндрическая обечайка 8 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.
Коэффициент пористости решетки 6 соответствует диапазону от 0,05 до 0,7. Соотношения размеров напорной камеры 4 соответствуют следующим условиям:
1
3
4
2
где r - максимальный радиус перфорированной части решетки 6, м; H - высота напорной камеры 4, м; r - наружный радиус цилиндрической обечайки 8, м; h - высота входа в напорную камеру 4, м; r - внутренний радиус корпуса 3, м; r - внутренний радиус цилиндрической обечайки 8, м.
Размеры проточной части напорной камеры 4 выбирают с учетом гидродинамических характеристик ее проточной части по следующему соотношению
<mrow><mover accent="true"><mi>M</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>ζ</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mrow><mover accent="true"><mrow><mi>p</mi><mi>w</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>p</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>w</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>0</mn></msub></mrow>
3
где М - массовый расход рабочей среды в отверстии 5 решетки 6, кг/с;
- средний массовый расход рабочей среды в отверстии 5 решетки 6, кг/с;
- коэффициент гидравлического сопротивления решетки; ΔP - полные потери напора на прокачку рабочей среды через решетку 6, Па;
- средняя плотность рабочей среды, кг/м;
- средняя скорость рабочей среды в отверстиях 5 решетки 6, м/с;
<mrow><mover accent="true"><mi>f</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0,21</mn><mi>H</mi><mo>+</mo><mn>1,31</mn><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mn>0,27</mn><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub><mo>−</mo><mn>0,06</mn><mi>h</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mtext>  </mtext><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mrow><mtext>nr</mtext></mrow><mtext>0</mtext><mtext>2</mtext></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
- относительная площадь поперечного сечения струи; H - высота напорной камеры (4), м;
<mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>2,58</mn><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mn>0,55</mn><mi>h</mi><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>4,52</mn><msubsup><mi>r</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><mn>1,92</mn><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub><mi>h</mi><mo>+</mo><mn>2,13</mn><msubsup><mi>r</mi><mn>4</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><mn>0,2</mn><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>0,5</mn></mrow></msup></mrow>
3
4
0
1
- высота струи рабочей среды во входной части напорной камеры 4, м; r - наружный радиус цилиндрической обечайки 8, м; h - высота входной части напорной камеры 4, м; r - внутренний радиус корпуса 3, м; n - число отверстий 5 в решетке 6; r - радиус отверстия 5 решетки 6, м; r - текущий радиус решетки 6, м; r - 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 2 плоская полузатопленная струя после поворота в центре напорной камеры 4 преобразуется в круглую затопленную струю.
При движении плоской полузатопленной струи вдоль днища 2 после участка стабилизации, кольцевой полузатопленной струи вдоль корпуса 3 и круглой затопленной струи в основном объеме напорной камеры 4 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 круглой затопленной струи на решетку 6, соотношение (2) - условию формирования падающей на решетку 6 круглой затопленной струи, а соотношение (5) - условию преобразования кольцевой полузатопленной струи в круглую затопленную струю в основном объеме напорной камеры 4 в результате обратного потока.
Течение рабочей среды в проточной части напорной камеры 4 осуществляется следующим образом.
Рабочая среда через боковой кольцевой подводящий 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
1
4
2
4
3
4
4
4
4
3
Напорная камера 4 имеет следующие соотношения размеров: H-h=0; r/r=0,87; r/r=0,95; r/r=0,97; h/r=0,15; H/r=0,15. Коэффициент пористости решетки 6 (ε) равен 0,10. При этом числа Рейнольдса в боковом кольцевом подводящем канале 1 и отверстии 5 решетки 6 равны соответственно 2,11·10 и 1,12·10, а коэффициент ζ=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%.