Раздающая камера

Раздающая камера

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к раздающим коллекторным системам и может быть использовано в промежуточных теплообменниках.

Известна раздающая камера, содержащая корпус и днище, центральную подводящую трубу, ступень на корпусе, трубную доску и дросселирующую решетку перед ней, установленные в кольцевом канале, образованном подводящей трубой и корпусом [Митенков Ф.М., Головко В.Ф., Ушаков П.А. и др. Проектирование теплообменных аппаратов АЭС. Под общей ред. Ф.М. Митенкова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - С.55-58].

Недостатком известного устройства является то, что в его проточной части используют дополнительный конструктивный элемент - дросселирующую решетку, которая усложняет конструкцию проточной части устройства и не позволяет в полной мере обеспечить необходимое распределение расхода на выходе из раздающей камеры.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому техническому решению является раздающая камера, содержащая корпус и днище, центральную подводящую трубу, ступень на корпусе, трубную доску и систему направляющих устройств, установленную в раздающей камере [Митенков Ф.М., Головко В.Ф., Ушаков П.А. и др. Проектирование теплообменных аппаратов АЭС. Под общей ред. Ф.М. Митенкова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - С.55-58].

Недостатком известного устройства являются то, что в его проточной части используют дополнительный конструктивный элемент - систему направляющих пластин, которая усложняет конструкцию проточной части устройства и не позволяет в полной мере обеспечить необходимое распределение расхода на выходе из раздающей камеры.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно обеспечение необходимого распределения расхода рабочей среды на выходе из раздающей камеры без использования дополнительных конструктивных элементов.

Для исключения указанного недостатка в раздающей камере, ограниченной снаружи корпусом, днищем и решеткой, соединяющей между собой центральную подводящую трубу и боковой отводящий канал через зазор между днищем и торцевой частью центральной подводящей трубы, причем боковой отводящий канал образован корпусом и центральной подводящей трубой, а решетка установлена в боковом отводящем канале, предлагается:

- коэффициент пористости решетки обеспечить в диапазоне от 0,3 до 0,8;

- соотношения размеров раздающей камеры выполнить в соответствии с условиями, учитывающими взаимосвязи, во-первых, высоты раздающей камеры и внутреннего диаметра центральной подводящей трубы; во-вторых, высоты входа в раздающую камеру и внутреннего диаметра центральной подводящей трубы; в-третьих, высоты раздающей камеры, высоты входа в нее и внутреннего диаметра центральной подводящей трубы; в-четвертых, высоты раздающей камеры и высоты входа в нее, радиуса нижней части корпуса, внутреннего и наружного радиусов центральной подводящей трубы; в-пятых, расстояния от днища до ступени на корпусе соответственно с высотой раздающей камеры и с радиусом нижней части корпуса, высотой входа в раздающую камеру, внутренним радиусом центральной подводящей трубы; в-шестых, радиуса нижней части корпуса, внутреннего радиуса центральной подводящей трубы и высоты входа в раздающую камеру;

- размеры проточной части раздающей камеры связать с ее гидродинамическими характеристиками соотношением, учитывающим массовый расход рабочей среды через отверстие решетки, средний массовый расход рабочей среды через нее, полную потерю давления на решетке, плотность рабочей среды, среднюю скорость рабочей среды в центральной подводящей трубе, площадь поперечного сечения падающей на решетку струи рабочей среды, радиус верхней части корпуса, наружный радиус центральной подводящей трубы, текущий радиус решетки и три эмпирических коэффициента.

В частных случаях реализации раздающей камеры предлагается следующее.

Во-первых, при одном сочетании высоты раздающей камеры, расстояния от днища до ступени на корпусе, радиусов верхней и нижней частей корпуса в соотношении, определяющем взаимосвязь размеров проточной части раздающей камеры с ее гидродинамическими характеристиками, площадь поперечного сечения падающей на решетку струи рабочей среды рассчитывать по соотношению, учитывающему число Пи, радиусы верхней и нижней частей корпуса, внутренний радиус центральной подводящей трубы, высоту раздающей камеры и высоту входа в нее.

Во-вторых, при другом сочетании высоты раздающей камеры, расстояния от днища до ступени на корпусе, радиусов верхней и нижней частей корпуса в соотношении, определяющем взаимосвязь размеров проточной части раздающей камеры с ее гидродинамическими характеристиками, площадь поперечного сечения падающей на решетку струи рабочей среды рассчитывать по соотношению, учитывающему число Пи, высоту раздающей камеры и высоту входа в нее, расстояние от днища до ступени на корпусе, радиус нижней части корпуса и внутренний радиус центральной подводящей трубы.

В-третьих, при двух сочетаниях размеров внутреннего радиуса центральной трубы, высоты раздающей камеры и высоты входа в нее и радиуса нижней части корпуса в соотношении, определяющем взаимосвязь размеров проточной части раздающей камеры с ее гидродинамическими характеристиками, использовать эмпирический коэффициент, зависящий от полной потери давления на решетке, плотности рабочей среды, ее средней скорости в центральной подводящей трубе, двух постоянных эмпирических коэффициентов.

В-четвертых, при третьем сочетании размеров внутреннего радиуса центральной трубы, высоты раздающей камеры и высоты входа в нее и радиуса нижней части корпуса, в соотношении, определяющем взаимосвязь размеров проточной части раздающей камеры с ее гидродинамическими характеристиками, использовать один эмпирический коэффициент, зависящий от полной потери давления на решетке, плотности рабочей среды и ее средней скорости в центральной подводящей трубе, постоянный эмпирический коэффициент и эмпирический коэффициент, зависящий от полной потери давления на решетке, плотности рабочей среды и ее средней скорости в центральной подводящей трубе, текущего радиуса решетки, наружного радиуса центральной подводящей трубы и радиуса верхней части корпуса.

Продольное осевое сечение одного из вариантов исполнения раздающей камеры представлено на фигуре, на которой приняты следующие обозначения: 1 - боковой отводящий канал; 2 - днище; 3 - корпус; 4 - отверстие решетки; 5 - раздающая камера; 6 - решетка; 7 - ступень; 8 - центральная подводящая труба.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем.

Раздающая камера 5 ограничена снаружи корпусом 3, днищем 2 и решеткой 6.

Раздающая камера 5 соединяет между собой центральную подводящую трубу 8 и боковой отводящий канал 1 через зазор между днищем 2 и торцевой частью центральной подводящей трубы 8.

Боковой отводящий канал 1 образован корпусом 3 и центральной подводящей трубой 8.

Решетка 6 установлена в боковом отводящем канале 1.

Коэффициент пористости решетки 6 соответствует диапазону от 0,3 до 0,8.

Соотношения размеров раздающей камеры 5 соответствуют условиям:

0,5 ≺ H / d 0 ≤ 2,1   ,                               ( 1 )

0,5 ≺ h / d 0 ≤ 2,6   ,                             ( 2 )

0 ≺ ( H − h ) / d 0 ≤ 0,8   ,                       ( 3 )

2 − 0,2 [ H − 0,5 ( r 1 2 − R ) R − 1 ] − R 0 ≻ 0   ,         ( 4 )

0,5 ( r 1 2 − R 2 ) R − 1 ≺ h 0 ≺ H   ,           ( 5 )

R − 0,9 r + 0 0,19 h ≻ 0   ,               ( 6 )

где H - высота раздающей камеры 5, м; d₀ - внутренний диаметр центральной подводящей трубы 8, м; h - высота входа в раздающую камеру 5, м; R=-0,05r₀-0,01h+0,06[(r₀+0,21h)²+r₁ ²]^0,5 - радиус свободной поверхности струи рабочей среды в нижней части корпуса перед ступенью, м; r₀ - внутренний радиус центральной подводящей трубы 8, м; r₁ - радиус нижней части корпуса 5, м; h₀ - расстояние от днища 2 до ступени 7 на корпусе 3, м.

Размеры проточной части раздающей камеры 8 связаны с ее гидродинамическими характеристиками следующим соотношением

M   M ¯ − 1 − 1,82 + 0,81 q ˜ M − 〈 exp { b 1 [ l b − ( r − R 0 ) ( r 2 − R 0 ) − 1 ] } + [ 1,81 ( q ˜ M − 1 ) ] − 1 − 1 〉 − 1 − … − { exp { 24,7 [ ( r − R 0 ) ( r 2 − R 0 ) − 1 − 0,21 ] } + 5,64 ζ 0,84 − 1 } − 1 − A = 0                     ,         ( 7 )

где M - массовый расход рабочей среды через отверстие 4 решетки 6, кг/с; M ¯ - средний массовый расход рабочей среды через решетку 6, кг/с; q ˜ M = 0,21 ζ − 0,62 F ( r 2 2 − R 0 2 ) − 1 + 0,9 - максимальный относительный массовый расход рабочей среды в отверстиях 4 решетки 6; ζ − 2 Δ P / ( ρ w ¯ 1 2 ) - коэффициент гидравлического сопротивления решетки 6; ΔP - полная потеря давления на решетке 6, Па; ρ - плотность рабочей среды, кг/м³; w ¯ 1 - средняя скорость рабочей среды в центральной подводящей трубе 8, м/с; F - площадь поперечного сечения падающей на решетку 6 струи рабочей среды, м²; r₂ - радиус верхней части корпуса 3,м; R₀ - наружный радиус центральной подводящей трубы 8, м; b₁ - эмпирический коэффициент; l_b - эмпирический коэффициент; r - текущий радиус решетки 6, м; A - эмпирический коэффициент.

Для частных случаев исполнения раздающей камеры 5 характерно следующее.

Во-первых, при соотношении размеров проточной части раздающей камеры 5, отвечающем условию

0,21 ( H − h 0 ) − r 2 − r 1 ≥ 0   ,           ( 8 )

где H - высота раздающей камеры 5, м; h₀ - расстояние от днища 2 до ступени 7 на корпусе 3, м; r₂ - радиус верхней части корпуса 3, м; r₁ - радиус нижней части корпуса 3, м,

площадь поперечного сечения падающей на решетку 6 струи рабочей среды определяют по соотношению:

F = π { r 2 2 − [ R − 0,21 H + − 0,11 ( r 1 2 − R 2 ) R − 1 ] 2 }   ,         ( 9 )

где F - площадь поперечного сечения падающей на решетку 6 струи рабочей среды, м²; π - число Пи; r₂ - радиус верхней части корпуса 3, м; R=-0,05r₀-0,01h+0,06[(r₀+0,21h)²+r₁ ²]^0,5 - радиус свободной поверхности струи рабочей среды в нижней части корпуса 3 перед ступенью 7, м; r₀ - внутренний радиус центральной подводящей трубы 8, м; h - высота входа в раздающую камеру 5, м; r₁ - радиус нижней части корпуса 3, м; H - высота раздающей камеры 5, м.

Во-вторых, при соотношении размеров проточной части раздающей камеры 5, отвечающем условию

0,21 ( H − h 0 ) − r 2 − r 1 ≺ 0   ,           ( 10 )

где Н - высота раздающей камеры 5, м; h₀ - расстояние от днища 2 до ступени 7 на корпусе 3,м; r₂ - радиус верхней части корпуса 3, м; r₁ - радиус нижней части корпуса 3, м,

площадь поперечного сечения падающей на решетку 6 струи рабочей среды определяют по соотношению:

F = π 〈 [ 0,21 ( H − h 0 ) + r 1 ] 2 − { R − 0,21 [ H − 0,5 ( r 1 2 − R 2 ) R − 1 ] } 2 〉   ,           ( 11 )

где F - площадь поперечного сечения падающей на решетку 6 струи рабочей среды, м²; π - число Пи; H - высота раздающей камеры 5, м; h₀ - расстояние от днища 2 до ступени 7 на корпусе 3, м; r₁ - радиус нижней части корпуса 3, м;

R=-0,05r₀-0,01h+0,06[(r₀+0,21h)²+r₁ ²]^0,5 - радиус свободной поверхности струи рабочей среды на нижней части корпуса 3 перед ступенью 7, м; r₀ - внутренний радиус центральной подводящей трубы 8, м; h - высота входа в раздающую камеру 5, м.

В-третьих, при соотношениях размеров проточной части раздающей камеры 5, отвечающих условиям

( 2   R   H − r 1 2 − R 2 ) / [ 2   R ( r 1 − R ) ] − 1 ≻ 4,8   ,         ( 12 )

( 2   R   H − r 1 2 − R 2 ) / [ 2   R ( r 1 − R ) ] − 1 ≺ 3,4   ,         ( 13 )

где R=-0,05r₀-0,01h+0,06[(r₀+0,21h)²+r₁ ²]^0,5 - радиус свободной поверхности струи рабочей среды на нижней части корпуса 3 перед ступенью 7, м; H - высота раздающей камеры 5, м; r₁ - радиус нижней части корпуса 3, м, эмпирические коэффициенты в соотношении (7) равны

b₁=6,5ζ^0,48; l_b=0,86 и A=0,

где b₁ - эмпирический коэффициент; ζ = 2 Δ P / ( ρ w ¯ 1 2 ) - коэффициент гидравлического сопротивления решетки 6; ΔР - полная потеря давления на решетке 6, Па; ρ - плотность рабочей среды, кг/м³; w ¯ 1 - средняя скорость рабочей среды в центральной подводящей трубе 8, м/с; l_b - эмпирический коэффициент; А - эмпирический коэффициент.

В-третьих, при соотношении размеров проточной части раздающей камеры 5, отвечающем условию

3,4 ≤ ( 2   R   H − r 1 2 − R 2 ) / [ 2   R ( r 1 − R ) ] − 1 ≤ 4,8   ,           ( 14 )

где R=-0,05r₀-0,01h+0,06[(r₀+0,21h)²+r₁ ²]^0,5 - радиус свободной поверхности струи рабочей среды в нижней части корпуса 3 перед ступенью 7, м; H - высота раздающей камеры 5, м; r₁ - радиус нижней части корпуса 3, м,

эмпирические коэффициенты в соотношении (7) равны

b 1 = 12,2 ζ 0,55 ;   l b = 0,71   и   A = 〈 exp { 52,4 ζ 0,4 { 0,86 − ( r − R 0 ) ( r 2 − R 0 ) − 1 ] } + 4,7 ζ 0,96 − 1 〉 − 1   ,

где b₁ - эмпирический коэффициент; ζ = 2 Δ P / ( ρ w ¯ 1 2 ) - коэффициент гидравлического сопротивления решетки 6; ΔP - полные потери давления на решетке 6, Па; ρ - плотность рабочей среды, кг/м³; l_b - эмпирический коэффициент; A - эмпирический коэффициент; r - текущий радиус решетки 6, м; R₀ - наружный диаметр центральной подводящей трубы 8, м; r₂ - радиус верхней части корпуса 3, м.

Использованные в соотношениях (1÷14) обозначения конструктивных элементов раздающей камеры 5 представлены на фигуре.

Соотношения по определению гидродинамических неравномерностей на выходе из осесимметричной раздающей камеры 5 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.

При движении плоской полузатопленной струи вдоль части днища 2, расположенной после участка ее стабилизации, кольцевых полузатопленных струй вдоль корпуса (3) и кольцевой затопленной струи в раздающей камере (5) происходит увеличение площади их поперечного сечения, сопровождающееся уменьшением скорости рабочей среды в них. Кольцевая полузатопленная струя после выхода со ступени 7 на корпусе 3 преобразуются в кольцевую затопленную струю.

Угол одностороннего расширения затопленных и полузатопленных струй составляет 12°.

Соотношение (4) соответствует условию попадания внутренней боковой поверхности струи на решетку 6, соотношение (5) определяет взаимное положение решетки 6, ступени 7 на корпусе 3 и места формирования в результате поворота полузатопленной кольцевой струи на нижней части корпуса 3, а соотношение (6) соответствует условию движения плоской полузатопленной струи вдоль средней части днища 2.

Течение рабочей среды в проточной части раздающей камеры 5 осуществляется следующим образом.

Вышедший из центральной подводящей трубы 8 во входную часть раздающей камеры 5 поток рабочей среды преобразуется в круглую затопленную струю, которая результате поворота на днище 2 за пределами участка ее стабилизации преобразуется в плоскую полузатопленную струю во входной части раздающей камеры 5, движущуюся от центра днища 2 на его периферию. Затем плоская полузатопленная струя после поворота на нижней части днища 2 преобразуется в кольцевую полузатопленную струю, которая над ступенью 7 на корпусе 3 преобразуется в свободную затопленную струю. При попадании струи на решетку 6 одна часть потока рабочей среды входит в отверстия 4 решетки 6, расположенные в месте встречи струи, другая часть потока растекается вдоль решетки 6 с изменением расхода по пути. Затем рабочая среда проходит отверстия 4 решетки 6 и выходит из нее.

Использование предложенного технического решения рекомендуется осуществлять при числе Рейнольдса в центральной подводящей трубе Re₁≻2·10⁵ и коэффициенте гидравлического сопротивления решетки 6ζ≻0,3.

Пример конкретного выполнения раздающей камеры

Раздающая камера 6 имеет следующие соотношения размеров: (H-h)/d₀=0,38; h/d₀=1,29; H/d₀=1,67; R₀/d₀=0,53; r₁/d₀=0,67; r₂/d₀=0,71 и h₀/d₀=0,93. Коэффициент пористости решетки 6 (ε) равен 0,24. Отверстия 4 в решетке 6 выполнены кольцевыми рядами. При этом число Рейнольдса в центральной подводящей трубе 8 равно 1,4·10⁶. Коэффициент гидравлического сопротивления решетки 6 ζ=8,8.

Сопоставление результатов расчета по соотношению (7) с опытными данными, полученными для указанной конструкции раздающей камеры 5, показало, что отличие относительного расхода M   M ¯ − 1 в соответствующих отверстиях 4 решетки 6 не превышает ±12%.

Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей устройства при формировании гидродинамической неравномерности на выходе из раздающей камеры 5 и упрощении ее конструкции.

1. Раздающая камера, ограниченная снаружи корпусом, днищем и решеткой, соединяет между собой центральную подводящую трубу и боковой отводящий канал через зазор между днищем и торцевой частью центральной подводящей трубы, причем боковой отводящий канал образован корпусом и центральной подводящей трубой, а решетка установлена в боковом отводящем канале, отличающаяся тем, что коэффициент пористости решетки соответствует диапазону от 0,3 до 0,8, коэффициент гидравлического сопротивления решетки превышает значение 0,3, а соотношения размеров раздающей камеры соответствуют условиям: 0,5 ≺ H / d 0 ≤ 2,1   ,                               ( 1 ) 0,5 ≺ h / d 0 ≤ 2,6   ,                             ( 2 ) 0 ≺ ( H − h ) / d 0 ≤ 0,8   ,                       ( 3 ) R − 0,21 [ H − 0,5 ( r 1 2 − R ) R − 1 ] − R 0 ≻ 0   ,           ( 4 ) 0,5 ( r 1 2 − R 2 ) R − 1 ≺ h 0 ≺ H   ,                     ( 5 ) R − 0,9 r + 0 0,19 h ≻ 0   ,                           ( 6 ) гдеH - высота раздающей камеры, м;d₀ - внутренний диаметр центральной подводящей трубы, м;h - высота входа в раздающую камеру, м;R=-0,05r₀-0,01h+0,06[(r₀+0,21h)²+r₁ ²]^0,5 - радиус свободной поверхности струи рабочей среды на нижней части корпуса перед ступенью, м;r₀ - внутренний радиус центральной подводящей трубы, м,r₁ - радиус нижней части корпуса, м;h₀ - расстояние от днища до ступени на корпусе, м,а размеры проточной части раздающей камеры связаны с ее гидродинамическими характеристиками следующим соотношением M   M ¯ − 1 − 1,82 + 0,81 q ˜ M − 〈 exp { b 1 [ l b − ( r − R 0 ) ( r 2 − R 0 ) − 1 ] } + [ 1,81 ( q ˜ M − 1 ) ] − 1 − 1 〉 − 1 − … … − { exp { 24,7 [ ( r − R 0 ) ( r 2 − R 0 ) − 1 − 0,21 ] } + 5,64 ζ 0,84 − 1 } − 1 − A = 0                     ,         ( 7 ) гдеM - массовый расход рабочей среды через отверстие решетки, кг/с; M ¯ - средний массовый расход рабочей среды через решетку, кг/с; q ˜ M = 0,21 ζ − 0,62 F ( r 2 2 − R 0 2 ) − 1 + 0,9 - максимальный относительный массовый расход рабочей среды в отверстиях решетки; ζ − 2 Δ P / ( ρ w ¯ 1 2 ) - коэффициент гидравлического сопротивления решетки;ΔP - полная потеря давления на решетке, Па;ρ - плотность рабочей среды, кг/м³; w ¯ 1 - средняя скорость рабочей среды в центральной подводящей трубе, м/с;F - площадь поперечного сечения падающей на решетку струи рабочей среды, м²;r₂ - радиус верхней части корпуса, м;R₀ - наружный радиус центральной подводящей трубы, м;b₁ - эмпирический коэффициент;l_b - эмпирический коэффициент;r - текущий радиус решетки, м;A - эмпирический коэффициент.

2. Раздающая камера по п.1, отличающаяся тем, что при соотношении размеров ее проточной части, отвечающему условию 0,21 ( H − h 0 ) − r 2 − r 1 ≥ 0   ,           ( 8 ) гдеH - высота раздающей камеры, м;h₀ - расстояние от днища до ступени на корпусе, м;r₂ - радиус верхней части корпуса, м;r₁ - радиус нижней части корпуса, м,площадь поперечного сечения падающей на решетку струи рабочей среды определяют по соотношению: F = π { r 2 2 − [ R − 0,21 H + − 0,11 ( r 1 2 − R 2 ) R − 1 ] 2 }   ,         ( 9 ) гдеF - площадь поперечного сечения падающей на решетку струи рабочей среды, м²;π - число Пи;r₂ - радиус верхней части корпуса, м;R=-0,05r₀-0,01h+0,06[(r₀+0,21h)²+r₁ ²]^0,5 - радиус свободной поверхности струи рабочей среды в нижней части корпуса перед ступенью, м;r₀ - внутренний радиус центральной подводящей трубы, м;h - высота входа в раздающую камеру, м;r₁ - радиус нижней части корпуса, м;H - высота раздающей камеры, м.

3. Раздающая камера по п.1, отличающаяся тем, что при соотношении размеров ее проточной части, отвечающему условию 0,21 ( H − h 0 ) − r 2 − r 1 ≺ 0   ,           ( 10 ) гдеH - высота раздающей камеры, м;h₀ - расстояние от днища до ступени на корпусе, м;r₂ - радиус верхней части корпуса, м;r₁ - радиус нижней части корпуса, м,площадь поперечного сечения падающей на решетку струи рабочей среды определяют по соотношению: F = π 〈 [ 0,21 ( H − h 0 ) + r 1 ] 2 − { R − 0,21 [ H − 0,5 ( r 1 2 − R 2 ) R − 1 ] } 2 〉   ,           ( 11 ) гдеF - площадь поперечного сечения падающей на решетку струи рабочей среды, м²;π - число Пи;H - высота раздающей камеры, м;h₀ - расстояние от днища до ступени на корпусе, м;r₁ - радиус нижней части корпуса, м;R=-0,05r₀-0,01h+0,06[(r₀+0,21h)²+r₁ ²]^0,5 - радиус свободной поверхности струи рабочей среды на нижней части корпуса перед ступенью, м; r₀ - внутренний радиус центральной подводящей трубы, м;h - высота входа в раздающую камеру, м.

4. Раздающая камера по п.1, отличающаяся тем, что при соотношениях размеров проточной части раздающей камеры, отвечающих условиям ( 2   R   H − r 1 2 − R 2 ) / [ 2   R ( r 1 − R ) ] − 1 ≻ 4,8   ,         ( 12 ) ( 2   R   H − r 1 2 − R 2 ) / [ 2   R ( r 1 − R ) ] − 1 ≺ 3,4   ,         ( 13 ) гдеR=-0,05r₀-0,01h+0,06[(r₀+0,21h)²+r₁ ²]^0,5 - радиус свободной поверхности