НАПРАВЛЯЮЩАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
DIRECTING HEAD FOR FLUID DISTRIBUTION

Область техники
Изобретение относится к направляющим головкам и, более конкретно, к направляющей головке для распределения текучей среды.
Уровень техники
Известно, что текучие среды образуют горизонтальные слои, соответствующие различным значениям их плотности. Примером свойства, влияющего на плотность, является температура. Так, вода в жидком состоянии имеет наибольшую плотность при температуре 4°C. Когда водные массы с различными свойствами, например с различными температурами, образуют слои, имеет место стратификация. Стратификация может быть нарушена вследствие турбулентности, приводящей к перемешиванию слоев воды.
Стратификация имеет большое значение для аккумуляторов энергии, в которых для аккумулирования тепловой энергии может использоваться текучая среда, например вода. Если основным фактором теплопереноса является теплопроводность, значительная доля тепловой энергии воды будет сохраняться в течение длительных периодов времени. Энергия может поступать в аккумулятор данного типа в результате выведения холодной воды из одного уровня аккумулятора и нагревания выведенной воды в теплообменнике с последующим возвратом нагретой воды на уровень аккумулятора, имеющий соответствующую температуру. Чтобы вывести энергию, из аккумулятора забирается горячая вода, которая охлаждается в теплообменнике и возвращается в аккумуляторе на уровень, имеющий соответствующую температуру. При осуществлении операций описанного типа важно сохранять воду с различными температурами при отсутствии смешивания слоев воды, поступившей в аккумулятор, т.е. поддерживать стратификацию ненарушенной. Таким образом, при подаче воды в аккумулятор энергии важно добиться в нем как можно более низкой турбулентности.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на создание направляющей головки, ослабляющей турбулентность в результате перемешивания, например, в аккумуляторе тепловой энергии и тем самым снижающей суммарные потери тепловой энергии. В этом контексте наиболее критическая ситуация связана с распределением текучей среды, в частности жидкости, в объеме стоячей текучей среды, в частности жидкости.
Согласно первому аспекту изобретения эти и другие задачи решены созданием направляющей головки для распределения текучей среды, обладающей скоростью. В направляющей головке образована группа проточных каналов, каждый из которых имеет вход, сконфигурированный для приема текучей среды из трубы, и выход, причем по меньшей мере один канал из группы проточных каналов является центральным проточным каналом, а по меньшей мере первый и второй каналы из группы проточных каналов являются периферийными проточными каналами. При этом выходы периферийных проточных каналов расположены с каждой стороны выхода центрального проточного канала. Вход первого периферийного проточного канала охватывает вход центрального проточного канала, а вход центрального проточного канала охватывает вход второго периферийного проточного канала. При этом вход второго периферийного проточного канала имеет площадь меньшую, чем площадь его выхода, а центральная ось входов, по существу, перпендикулярна центральной плоскости выходов.
Благодаря тому что площадь входа указанного канала сделана меньшей, чем площадь его выхода, текучая среда, поступающая на вход, имеет скорость, превышающую скорость текучей среды, вытекающей через его выход. Проточные каналы согласно изобретению выполнены таким образом, что части текучей среды, обладающие наибольшей скоростью, вытекают через выход центрального проточного канала, а части текучей среды, обладающие меньшей скоростью, вытекают через выходы первого и второго периферийных проточных каналов. Выход первого периферийного проточного канала расположен в направлении вдоль центральной оси входов над выходом центрального проточного канала. Выход второго периферийного проточного канала расположен в том же направлении под выходом центрального проточного канала. В результате поток текучей среды, вытекающей из направляющей головки через ее выходы, может иметь центральную часть, имеющую относительно высокую скорость, и наружные части, имеющие низкую скорость. При этом наружные части окружают центральную часть, благодаря чему поток может создавать низкотурбулентное течение. Преимущество такого выполнения состоит в том, что, когда текучая среда распределяется в объеме стоячей текучей среды, турбулентность, которая возможна на границах раздела текучей среды, вытекающей через выход центрального проточного канала, и текучей среды, вытекающей через выходы первого и второго периферийных проточных каналов, не создает возмущений в объеме стоячей текучей среды.
В одном варианте изобретения направляющая головка может иметь наружную цилиндрическую стенку, расположенную вокруг центральной оси входов, и внутреннюю и наружную цилиндрические разделительные стенки, также расположенные вокруг центральной оси входов. При этом внутренняя цилиндрическая разделительная стенка охвачена по окружности наружной цилиндрической разделительной стенкой, а наружная цилиндрическая разделительная стенка охвачена по окружности наружной цилиндрической стенкой, так что центральный проточный канал образуется между наружной и внутренней разделительными стенками, первый периферийный проточный канал - между наружной стенкой и наружной разделительной стенкой, а второй периферийный проточный канал - внутри внутренней разделительной стенки.
Стенки в форме круговых цилиндров особенно удобны в случае монтирования направляющей головки на трубу круглого сечения. При использовании таких стенок текучая среда может течь через направляющую головку с более высокой скоростью по сравнению с использованием труб, имеющих некруглое сечение той же площади. Другим преимуществом этого варианта является то, что можно использовать круглую в сечении стенку, имеющую меньший диаметр, что повысит экономическую эффективность направляющей головки.
Согласно другому варианту изобретения внутренняя разделительная стенка направляющей головки может иметь протяженность вдоль центральной оси входов большую, чем наружная разделительная стенка, которая имеет протяженность вдоль центральной оси входов большую, чем наружная стенка.
Согласно еще одному варианту в направляющей головке выход первого периферийного проточного канала образован концом наружной стенки и первым фланцем, выступающим из конца наружной разделительной стенки в направлении, по существу, перпендикулярном наружной разделительной стенке; выход центрального проточного канала образован первым фланцем и вторым фланцем, выступающим из конца внутренней разделительной стенки в направлении, по существу, перпендикулярном внутренней разделительной стенке, а выход второго периферийного проточного канала образован вторым фланцем и нижней пластиной, расположенной в направлении вдоль центральной оси входов ниже второго фланца и ориентированной, по существу, перпендикулярно центральной оси входов.
Согласно варианту изобретения площади входов и выходов согласованы со скоростью жидкости при ее поступлении на каждый вход таким образом, что скорость жидкости при ее вытекании через выходы первого и второго периферийных проточных каналов существенно меньше скорости жидкости, вытекающей через выход центрального проточного канала. В одном варианте скорость текучей среды, вытекающей через выходы первого и второго периферийных проточных каналов, равна половине скорости текучей среды, вытекающей через выход центрального проточного канала. Благодаря этому можно обеспечить низкотурбулентное течение текучей среды при ее распределении в объеме стоячей текучей среды.
Согласно еще одному варианту изобретения первый периферийный проточный канал имеет площадь входа меньшую, чем площадь выхода. Как уже упоминалось, центральный проточный канал также может иметь площадь входа меньшую, чем площадь выхода. Эффект от такого соотношения площадей входов и выходов состоит, как было объяснено выше, в том, что скорость текучей среды на выходе будет меньше, чем скорость текучей среды при ее поступлении на вход. Выбирая соответствующие размеры входов и выходов направляющей головки, можно получить желательные скорости текучей среды, вытекающей через соответствующие выходы.
Согласно другому варианту изобретения площадь выхода первого периферийного проточного канала меньше площади выхода второго периферийного проточного канала. Такое выполнение может быть предпочтительным, если скорость текучей среды, текущей по первому периферийному проточному каналу, меньше скорости текучей среды, текущей по второму периферийному проточному каналу, тогда как желательно иметь одинаковые скорости текучих сред на выходах этих каналов.
В направляющей головке может также содержаться по меньшей мере одна дополнительная разделительная стенка, имеющая протяженность вдоль центральной оси входов и сконфигурированная для разделения каждого из группы проточных каналов по меньшей мере на два проточных субканала с, по существу, одинаковыми размерами. При этом первая дополнительная разделительная стенка и вторая дополнительная разделительная стенка направляющей головки расположены взаимно перпендикулярно. Данные стенки служат для достижения более равномерного радиального распределения текучей среды, вытекающей из направляющей головки, предотвращающего возникновение горизонтальных реактивных сил. Согласно варианту изобретения направляющая головка присоединена к телескопической трубе. Такое выполнение может быть предпочтительным, если данная головка применяется, например, в аккумуляторе энергии для распределения текучей среды на нескольких уровнях.
Согласно своему второму аспекту изобретение относится к применению направляющей головки, выполненной в соответствии с первым аспектом изобретения, для распределения текучей среды, обладающей скоростью, в другом объеме, по существу, стоячей текучей среды.
Согласно варианту изобретения текучая среда, которая имеет первую температуру, распределяется в слое объема, по существу, стоячей жидкости, имеющей ту же самую первую температуру.
Изобретение в своем втором аспекте обладает, по существу, теми же преимуществами, что и в первом аспекте.
Все термины, используемые в формуле изобретения, должны интерпретироваться согласно их обычным значениям в соответствующей технической области, если их иные значения не разъяснены подробно в тексте. При отсутствии определенных разъяснений все ссылки на "элемент, устройство, компонент, средство и т.д." должны интерпретироваться как указания на наличие по меньшей мере одного указанного элемента, устройства, компонента, средства и т.д.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты изобретения далее будут описаны более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие варианты изобретения, которые представляются предпочтительными.
На фиг. 1 направляющая головка согласно изобретению показана в перспективном изображении.
На фиг. 2 та же головка показана в сечении плоскостью II-II (см. фиг. 1).
На фиг. 3 направляющая головка по фиг. 1 показана в перспективном изображении, в разрезе вертикальной плоскостью.
На фиг. 4 показана, в перспективном изображении, направляющая головка согласно другому варианту изобретения.
Осуществление изобретения
Когда вода течет в параллельных слоях, низкотурбулентное течение обеспечивается в случае, если перемешивание слоев сведено к минимуму. В аккумуляторе для аккумулирования тепловой энергии используется объем, по существу, стоячей текучей среды. Объем текучей среды состоит из слоев, каждый из которых содержит текучую среду с, по существу, одинаковой температурой. При введении текучей среды в аккумулятор, например, для добавления в него новой энергии важно свести к минимуму перемешивание этих слоев. Низкотурбулентное течение может быть достигнуто при условии направления текучей среды в нужный слой, например в слой, текучая среда которого имеет ту же температуру, что и вводимая текучая среда, таким образом, что часть поступающей текучей среды, вступающая в контакт с объемом ранее введенной текучей среды, имеет низкую, насколько это возможно, скорость. За счет подбора такого профиля течения, который приводит к низкой турбулентности, можно добиться того, чтобы слои текучей среды, имеющие различные температуры, оставались в аккумуляторе энергии в значительной степени не потревоженными. Такое течение может быть обеспечено с помощью направляющей головки согласно изобретению.
На фиг. 1 направляющая головка 100 представлена в перспективном изображении. Она содержит наружную цилиндрическую стенку 110, в качестве которой может служить концевая часть трубы, из которой текучая среда поступает в направляющую головку 100. В другом варианте наружная цилиндрическая стенка является отдельной частью, присоединенной к трубе. Наружная цилиндрическая стенка 110 охватывает наружную цилиндрическую разделительную стенку 120, на конце которой имеется фланец 122, выступающий из нее в радиальном направлении. В одном варианте наружный диаметр фланца 122 такой же, как наружный диаметр наружной цилиндрической стенки 110. Наружная цилиндрическая разделительная стенка 120 охватывает внутреннюю цилиндрическую разделительную стенку 130, на конце которой имеется фланец 132, выступающий из нее в радиальном направлении. В одном варианте наружный диаметр фланца 132 такой же, что и наружный диаметр наружной цилиндрической стенки 110 и наружный диаметр фланца 122. Под вторым фланцем находится нижняя пластина 140. Эта пластина может быть прикреплена ко второму фланцу 132 посредством металлических накладок (не изображены), не создающих помех для текучей среды, текущей через направляющую головку, или посредством каких-то других крепежных средств, хорошо известных специалисту в данной области. Нижнюю пластину 140 можно прикрепить также к другим частям направляющей головки 100. Наружный диаметр нижней пластины 140 может быть равен вышеупомянутым диаметрам. В других вариантах диаметры компонентов направляющей головки 100 могут быть различными.
Углы между фланцами и стенками предпочтительно прямые. Альтернативно, чтобы дополнительно облегчить распределение текучей среды в горизонтальной плоскости, эти углы могут быть острыми.
Таким образом, проточные каналы направляют поток в радиальном направлении, так что текучая среда выходит из направляющей головки, по существу, перпендикулярно направлению текучей среды, поступающей в направляющую головку. Следовательно, текучая среда может входить в направляющую головку в вертикальном направлении, вдоль центральной оси входов, и вытекать из направляющей головки в горизонтальном направлении, по центральной плоскости выходов. Другими словами, проточные каналы могут быть сконфигурированы так, чтобы направлять поток из выходов направляющей головки радиально, например по всем горизонтальным направлениям. Преимущество выведения текучей среды из направляющей головки по всем горизонтальным направлениям состоит в том, что это уменьшает риск перемешивания любых слоев текучей среды, находящейся снаружи направляющей головки, например в аккумуляторе энергии. Другим преимуществом является то, что конструкция не содержит никаких мелких форсунок, решеток или сеток, которые могли бы вызвать падение давления. Кроме того, чтобы уменьшить скорость текучей среды, входящей в объем стоячей среды, не требуется никаких крупных конусов или аналогичных деталей, которые (как и конусы) используют для распределения только часть своей периферии и/или имеют диаметры, превышающие диаметр принимающей их трубы, что усложняет монтаж.
Диаметры направляющей головки 100 зависят от размеров аккумулятора, в котором она должна использоваться. Если аккумулятором является небольшой бак для накапливания горячей воды, эти диаметры могут составлять, например, всего лишь 40 мм, тогда как в крупном аккумуляторе энергии возможны диаметры до 2 м.
Различные части направляющей головки 100 предпочтительно изготовлены из металла одного сорта с целью предотвратить электрохимическую коррозию. Чтобы повысить срок службы направляющей головки, в качестве металла можно выбрать нержавеющую сталь. Альтернативно направляющая головка изготавливается из пластика или керамики.
Первый периферийный проточный канал 150 образован между наружной стенкой 110 и наружной разделительной стенкой 120. Этот канал имеет выход 152, заданный концом 112 наружной стенки и первым фланцем 122. Таким образом, выход 152 расположен по окружности вокруг наружной цилиндрической разделительной стенки 120. Центральный проточный канал 160 образован между наружной разделительной стенкой 120 и внутренней разделительной стенкой 130. Этот канал имеет выход 162, заданный первым фланцем 122 и вторым фланцем 132. Таким образом, выход 162 расположен по окружности вокруг внутренней цилиндрической разделительной стенки 130. Второй периферийный проточный канал 170 образован внутри внутренней разделительной стенки 130. Этот канал имеет выход 172, заданный вторым фланцем 132 и нижней пластиной 140. Таким образом, выход 172 представляет собой открытое круглое пространство, перекрытое лишь упомянутыми крепежными средствами (не изображены) для фиксации нижней пластины 140. Проточные каналы 150, 160, 170 в направляющей головке используются, чтобы направлять поток текучей среды, а также управлять скоростью текучей среды, вытекающей через выходы 152, 162, 172 каналов 150, 160, 170 соответственно.
Направляющая головка 100 может быть также использована для выведения текучей среды, например, с целью забора энергии из аккумулятора энергии. Важным фактором обеспечения эффективного выведения текучей среды является уменьшение падения давления текучей среды при ее выведении через направляющую головку 100 и в трубе. Падение давления является результатом действия сил трения при протекании текучей среды через направляющую головку 100. На падение давления будет влиять трубопроводная сеть, содержащая большое количество фитингов и соединений, сужающихся и расширяющихся участков, поворотов, шероховатых поверхностей и обладающая различными физическими свойствами. Кроме того, выведение воды, имеющей температуру, близкую к 100°C, с помощью насоса при атмосферном давлении может привести к кавитации в насосе и к закипанию текучей среды. В связи с этим направляющей головке 100 желательно придать геометрию, способствующую уменьшению падения давления, чтобы сделать ее подходящей для выведения текучей среды.
Представленный вариант направляющей головки 100 имеет два периферийных проточных канала 150, 170. В других вариантах головки может иметься любое количество периферийных проточных каналов, например 4 или 6.
Фиг. 2, на которой направляющая головка показана в сечении плоскостью II-II, иллюстрирует соотношения между наружной стенкой 110, наружной разделительной стенкой 120 и внутренней разделительной стенкой 130. Наружная стенка 110 и наружная разделительная стенка 120 задают вход 210 первого периферийного проточного канала 150, площадь которого обозначена как 215. Наружная и внутренняя разделительные стенки 120, 130 задают вход 220 центрального проточного канала 160, площадь которого обозначена как 225. Внутренняя разделительная стенка 130 задает вход 230 второго периферийного проточного канала 170, площадь которого обозначена как 235. В этом варианте толщины стенок 110, 120, 130 примерно равны, но в других вариантах они могут отличаться одна от другой. Например, если наружная стенка 110 - это часть трубы, подводящей текучую среду к направляющей головке, данная стенка, как следствие свойств трубы и требований, предъявляемых к трубам, может быть толще разделительных стенок 120, 130.
1
2
3
1
2
3
Фиг. 3, на которой направляющая головка по фиг. 1 показана в перспективном изображении, в разрезе, иллюстрирует соотношения между размерами (площадями) a, а, а выходов направляющей головки 100. Как уже отмечалось, головка 100 может распределять нетурбулентным образом текучую среду, обладающую скоростью, в объеме другой, по существу, стоячей текучей среды. Скорость, с которой текучая среда истекает через выходы 152, 162, 172, зависит от скорости текучей среды, с которой она поступает через соответствующие входы, площадей 215, 225, 235 входов 210, 220, 230 и площадей а, а, а выходов 152, 162, 172.
Скорость текучей среды, поступающей на входы 210, 220, 230 проточных каналов 150, 160, 170, зависит от свойств трубы, подсоединенной к направляющей головке 100. В очень короткой трубе скорость течения текучей среды, по существу, одинакова по всему поперечному сечению трубы. В более длинной трубе профиль скорости течения напоминает конус: часть текучей среды, текущая в осевой зоне трубы, будет иметь наибольшую скорость. Часть текучей среды, текущая ближе к стенкам трубы, будет иметь меньшую скорость, причем чем ближе к стенке течет текучая среда, тем меньше становится ее скорость.
1
2
3
Поскольку, как это пояснено выше, скорость текучей среды в трубе не является постоянной, размеры a, а и а должны быть взаимно согласованы так, чтобы получить низкотурбулентное течение. Известно, в частности, что большие размеры выходной зоны дают меньшую выходную скорость. Любые трубные фитинги и соединения, сходящиеся и расходящиеся участки, повороты трубы или аналогичные конструктивные особенности также влияют на профиль скорости текучей среды. Поэтому желательно согласовать размеры направляющей головки 100 с размерами трубы, к которой она подсоединена. Другими словами, размеры направляющей головки 100 предпочтительно адаптированы к профилю скорости текучей среды, поступающей в направляющую головку 100. Компоненты направляющей головки 100 обеспечивают формирование в этой головке трех проточных каналов 150, 160, 170. Такое выполнение позволяет использовать производительный и экономически эффективный процесс ее изготовления. Конструкция направляющей головки 100 позволяет также легко модифицировать, в процессе ее изготовления, размеры проточных каналов 150, 160, 170. Это существенно упрощает изготовление направляющих головок, пригодных для изменяющихся условий работы и имеющих варьируемые характеристики.
Назначение текучей среды, вытекающей из периферийных проточных каналов 150, 170, состоит в экранировании объема, по существу, стоячей текучей среды от текучей среды, вытекающей из центрального проточного канала 160, до тех пор пока она не замедлится настолько, что при ее вступлении в прямой контакт с объемом, по существу, стоячей текучей среды турбулентность при перемешивании будет малой. Как уже упоминалось, преимущество использования направляющей головки 100 для распределения текучей среды в объеме, по существу, стоячей текучей среды состоит в минимизации любого турбулентного перемешивания между объемом стоячей текучей среды и распределяемой текучей средой. Это достигается допущением турбулентности в зоне контакта между центральной частью распределяемой текучей среды, выходящей через выход 162, и наружными частями этой среды, выходящими через выходы 152 и 172, при сведении к минимуму турбулентности при контакте между наружными частями и объемом стоячей текучей среды. С этой целью направляющая головка 100 распределяет наружные части текучей среды с, по существу, меньшей скоростью, чем скорость центральной части. Чтобы достичь этого, скорость текучей среды, вытекающей из периферийных проточных каналов 150, 170, должна быть достаточно, но ненамного более высокой. Другими словами, скорость текучей среды, вытекающей из периферийных проточных каналов, должна быть, насколько это возможно, близкой к нулевой, но все же достаточной, чтобы экранировать объем, по существу, стоячей текучей среды от текучей среды, вытекающей из центрального проточного канала 160, до тех пор пока она не замедлится настолько, что любое турбулентное перемешивание при ее вступлении в прямой контакт с объемом, по существу, стоячей текучей среды будет сведено к минимуму.
На фиг. 4 показана, в перспективном изображении, направляющая головка согласно варианту изобретения. В этом варианте она содержит две дополнительные разделительные стенки 410, 420. Эти разделительные стенки являются плоскими и проходят от верхней части направляющей головки к нижней пластине 140. Каждый из входов 210, 220, 230 и проточных каналов 150, 160, 170 разделен на 4 равные части. Для установки направляющей головки 100 на трубу предусмотрена пластина 430. Дополнительные разделительные стенки разделяют поток текучей среды на субпотоки, что может быть полезно для достижения более равномерного распределения выходного потока текучей среды из направляющей головки по всем направлениям. В других вариантах количество дополнительных разделительных стенок 410, 420 может быть больше двух.
2
Специалисту будет понятно, что изобретение никоим образом не ограничено описанными предпочтительными вариантами. Наоборот, прилагаемая формула охватывает и многие другие модификации и варианты. Например, площадь а выхода 162 может быть меньше площади 225 соответствующего входа, если желательно продвижение текучей среды, вытекающей через выход 162, на значительное расстояние от направляющей головки 100.
Наличие нескольких периферийных проточных каналов, из которых текучие среды истекают с убывающей скоростью, причем периферийные проточные каналы, ближайшие к центральному проточному каналу, имеют наибольшую скорость, может дополнительно ослабить турбулентное перемешивание. Это представляется желательным, если скорость центрального потока является более высокой.