RU2630952C1

RU2630952C1 - Jet heat pump

Info

Publication number: RU2630952C1
Application number: RU2016121038A
Authority: RU
Inventors: Валентин Викторович Вазингер; Борис Арсентьевич Габараев; Эдуард Константинович Карасев
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2017-09-14

Abstract

FIELD: engine devices and pumps.

SUBSTANCE: jet heat pump is made with a flowing part that contains a nozzle for active medium including a confuser, a neck and an expanding portion, a confusion chamber with profiled openngs for supplying feedwater, a supersonic diffuser consisting of a confuser, a neck and an expanding section, and a subsonic diffuser. The confusor of the supersonic diffuser is made with a variable cone angle, the angle being chosen from 10° up to 15° at the entrance to the confuser and from 20° up to 35° at the output from the confuser.

EFFECT: increase the pressure of the jet heat pump by reducing hydraulic losses in the supersonic diffuser.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к струйной технике и может быть применено в струйных термонасосах для создания принудительной циркуляции, например, водяного теплоносителя в ядерных реакторах.The invention relates to inkjet technology and can be used in jet heat pumps to create a forced circulation, for example, of a water coolant in nuclear reactors.

Известен струйный термонасос, проточная часть которого содержит сопло для активной среды, включающее конфузор, горловину и расширяющийся участок, выполненную в виде конфузора камеру смешения с профилированными отверстиями для подачи питательной воды, сверхзвуковой диффузор, состоящий из конфузора, горловины и расширяющегося участка, и дозвуковой диффузор (Ф.М. Митенков, Э.Г. Новинский, В.М. Бутов «Главные циркуляционные насосы АЭС», Энергоатомиздат, 1989, стр. 329-331, рис. 8.9).Known jet heat pump, the flowing part of which contains a nozzle for the active medium, including a confuser, a neck and an expanding section made in the form of a confuser mixing chamber with profiled openings for supplying feed water, a supersonic diffuser consisting of a confuser, a neck and an expanding section, and a subsonic diffuser (F.M. Mitenkov, E.G. Novinsky, V.M. Butov “Main circulation pumps of nuclear power plants”, Energoatomizdat, 1989, pp. 329-331, Fig. 8.9).

Недостатком известного струйного термонасоса является его невысокий КПД. Это объясняется тем, что из-за постоянной величины угла конусности конфузора сверхзвукового диффузора происходит смена режима скачков уплотнения потока на волны разрежения потока, где поток ускоряется, что приводит к повышению гидравлических потерь в сверхзвуковом диффузоре. Кроме этого, невысокий КПД связан с потерей напора термонасоса из-за неустойчивости потока воды при прохождении через прямой скачок уплотнения на участке, образованном горловиной и расширяющимся участком сверхзвукового диффузора и дозвуковым диффузором.A disadvantage of the known jet heat pump is its low efficiency. This is explained by the fact that, due to the constant angle of conicity of the supersonic diffuser confuser, the mode of flow compression jumps changes to flow rarefaction waves, where the flow is accelerated, which leads to an increase in hydraulic losses in the supersonic diffuser. In addition, the low efficiency is associated with the loss of pressure of the heat pump due to the instability of the water flow when passing through a direct shock wave in the area formed by the neck and the expanding area of the supersonic diffuser and subsonic diffuser.

Задачей настоящего изобретения является создание струйного термонасоса, имеющего увеличенный КПД по сравнению с известным струйным термонасосом.An object of the present invention is to provide an inkjet heat pump having an increased efficiency in comparison with a known inkjet heat pump.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение напора струйного термонасоса путем уменьшения гидравлических потерь в сверхзвуковом диффузоре. Кроме этого, техническим результатом является повышение устойчивости потока воды на участке, образованном горловиной и расширяющимся участком сверхзвукового диффузора и дозвуковым диффузором. Кроме этого, техническим результатом является обеспечение термодинамического равновесия между водяной и паровой фазами активной среды.The technical result of the present invention is to increase the pressure of the jet heat pump by reducing hydraulic losses in a supersonic diffuser. In addition, the technical result is to increase the stability of the water flow in the area formed by the neck and the expanding area of the supersonic diffuser and subsonic diffuser. In addition, the technical result is to ensure thermodynamic equilibrium between the water and vapor phases of the active medium.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном струйном термонасосе, проточная часть которого содержит сопло для активной среды, включающее конфузор, горловину и расширяющийся участок, выполненную в виде конфузора камеру смешения с профилированными отверстиями для подачи питательной воды, сверхзвуковой диффузор, состоящий из конфузора, горловины и расширяющегося участка, и дозвуковой диффузор, согласно заявленному изобретению конфузор сверхзвукового диффузора выполнен с переменным углом конусности, при этом величина угла выбрана от 10° до 15° на входе в конфузор и от 20° до 35° на выходе из конфузора.The specified technical result is achieved by the fact that in the known jet heat pump, the flowing part of which contains a nozzle for the active medium, including a confuser, a neck and an expanding section made in the form of a confuser, a mixing chamber with profiled holes for supplying feed water, a supersonic diffuser consisting of a confuser, the neck and the expanding section, and the subsonic diffuser, according to the claimed invention, the confuser of the supersonic diffuser is made with a variable taper angle, while at selected angles from 10 ° to 15 ° at the inlet to the converging tube and from 20 ° to 35 ° at the exit of the converging tube.

Кроме этого, проточная часть дополнительно содержит конфузор и горловину, которые расположены между расширяющимся участком сверхзвукового диффузора и дозвуковым диффузором.In addition, the flow part further comprises a confuser and a neck, which are located between the expanding section of the supersonic diffuser and the subsonic diffuser.

Кроме этого, горловина сопла для активной среды выполнена с длиной, выбранной в пределах от 3 до 4 диаметров горловины сопла для активной среды.In addition, the nozzle neck for the active medium is made with a length selected from 3 to 4 diameters of the nozzle neck for the active medium.

Выполнение конфузора сверхзвукового диффузора с переменным углом конусности с указанными диапазонами его величины на входе и выходе из конфузора позволяет уменьшить гидравлические потери в сверхзвуковом диффузоре и увеличить тем самым напор струйного термонасоса. Наличие конфузора и горловины перед входом в дозвуковой диффузор позволяет уменьшить турбулентность потока за скачком и повысить коэффициент восстановления давления в потоке, т.е. повысить КПД струйного термонасоса. Кроме этого, увеличение длины горловины сопла для активной среды до указанного диапазона позволит увеличить время прохождения активной среды по горловине и тем самым выравнять температуры жидкой и паровой фаз.The implementation of the confuser of a supersonic diffuser with a variable taper angle with the indicated ranges of its size at the inlet and outlet of the confuser allows to reduce hydraulic losses in the supersonic diffuser and thereby increase the pressure of the jet heat pump. The presence of a confuser and a neck in front of the subsonic diffuser allows reducing the turbulence of the flow behind the shock and increasing the pressure recovery coefficient in the flow, i.e. increase the efficiency of the jet heat pump. In addition, increasing the length of the nozzle neck for the active medium to the specified range will increase the time the active medium travels through the neck and thereby equalize the temperature of the liquid and vapor phases.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема струйного термонасоса.The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a jet heat pump.

Струйный термонасос содержит входной участок 1 с дроссельной решеткой 2, последовательно соединенный с соплом для активной среды, состоящим из конфузора 3, горловины 4 и расширяющегося участка 5. Камера 6 подвода питательной воды соединена посредством сопел 7, выполненных в виде профилированных отверстий, с камерой смешения 8, которая выполнена в виде конфузора и соединена через пусковую камеру 9 со сверхзвуковым диффузором. Сверхзвуковой диффузор имеет конфузор 10, горловину 11 и расширяющийся участок 12, последовательно соединенный с конфузором 13, горловиной 14 и дозвуковым диффузором 15. Пусковая камера 9 через вентиль 16 соединена с емкостью пониженного давления (на чертеже не показано), например, с конденсатором турбины. Выход дозвукового диффузора 15 также соединен через вентиль 17 с емкостью пониженного давления. На выходе из струйного термонасоса установлен обратный клапан 18. Горловина сопла 4 выполнена с длиной в пределах от 3 до 4 диаметров горловины сопла 4, например, при диаметре горловины, равном 10 мм, длина горловины составит от 30 до 40 мм. При меньшей длине горячая среда будет перегрета, а при большей будет гидравлическая потеря на трение потока о стенку горловины.. Конфузор 10 выполнен с переменным углом конусности, например, с криволинейной наружной поверхностью (на чертеже не показано) или в виде нескольких конических поверхностей, например, двух: первый из которых имеет входной угол в пределах от 10° до 15°, а второй - от 20° до 35°, например, первый угол равен 10°, а второй угол равен 30°. При монотонном переходе от камеры смешения 8 к сверхзвуковому диффузору, а именно, при выполнении первого конуса с углом меньше 10° после скачка уплотнения образуются волны разрежения, что приведет к снижению напора термонасоса. При выполнении первого конуса с углом больше 15° возможен срыв режима сверхзвукового течения пароводяной среды. При выполнении второго конуса с углом больше 35° возможен также срыв режима сверхзвукового течения пароводяной среды, а при выполнении второго конуса с углом меньше 20° после скачка уплотнения образуются волны разрежения, что приведет к снижению напора термонасоса. Проточная часть струйного термонасоса образована соплом для активной среды, камерой смешения 8, сверхзвуковым диффузором, конфузором 13, горловиной 14 и дозвуковым диффузором 15.The jet heat pump contains an inlet section 1 with a throttle grill 2 connected in series with an active medium nozzle consisting of a confuser 3, a neck 4 and an expanding section 5. The feed water supply chamber 6 is connected by means of nozzles 7 made in the form of profiled openings to a mixing chamber 8, which is made in the form of a confuser and connected through a launch chamber 9 with a supersonic diffuser. The supersonic diffuser has a confuser 10, a neck 11 and an expanding section 12 connected in series with the confuser 13, a neck 14 and a subsonic diffuser 15. The launch chamber 9 is connected via a valve 16 to a reduced pressure tank (not shown), for example, to a turbine condenser. The output of the subsonic diffuser 15 is also connected through the valve 17 with a reduced pressure tank. A check valve 18 is installed at the outlet of the jet heat pump. The nozzle neck 4 is made with a length ranging from 3 to 4 diameters of the nozzle neck 4, for example, with a neck diameter of 10 mm, the neck length will be 30 to 40 mm. With a shorter length, the hot medium will overheat, and with a larger one there will be hydraulic loss due to friction of the flow against the neck wall. The confuser 10 is made with a variable taper angle, for example, with a curved outer surface (not shown in the drawing) or in the form of several conical surfaces, for example , two: the first of which has an input angle in the range from 10 ° to 15 °, and the second - from 20 ° to 35 °, for example, the first angle is 10 °, and the second angle is 30 °. During a monotonic transition from the mixing chamber 8 to a supersonic diffuser, namely, when the first cone with an angle of less than 10 ° is executed after the shock wave, rarefaction waves are formed, which will lead to a decrease in the pressure of the heat pump. When performing the first cone with an angle greater than 15 °, a failure of the supersonic flow regime of the steam-water medium is possible. When the second cone with an angle of more than 35 ° is executed, the supersonic flow of the steam-water medium can also be disrupted, and when the second cone with an angle of less than 20 ° is executed, rarefaction waves are formed after the shock wave, which will reduce the pressure of the heat pump. The flow part of the jet heat pump is formed by a nozzle for the active medium, a mixing chamber 8, a supersonic diffuser, a confuser 13, a neck 14 and a subsonic diffuser 15.

Струйный термонасос работает следующим образом.The jet heat pump operates as follows.

Запуск термонасоса, т.е. установление в проточной части сверхзвукового режима течения пароводяной смеси, осуществляется кратковременным открытием вентилей 16 и 17, соединяющих проточную часть термонасоса с емкостью пониженного давления (на чертеже не показана). Выход термонасоса закрыт обратным клапаном 18. Часть активной (горячей воды) и пассивной (питательной воды) сред сбрасывается в емкость пониженного давления, в проточной части термонасоса падает давление и устанавливается сверхзвуковой режим течения. Вентили 16 и 17 закрываются, под напором потока открывается обратный клапан 18, и термонасос начинает работать. Горячая вода с параметрами, близкими к параметрам на линии насыщения, поступает во входной участок 1 с дроссельной решеткой 2. Проходя дроссельную решетку 2, вода частично вскипает, образуя центры парообразования. Затем поток горячей воды поступает в сопло для активной среды: конфузор 3, горловину 4 и расширяющийся участок 5. На выходе потока горячей воды из конфузора 3 давление падает, и вода частично испаряется, вследствие чего поток приобретает более высокую скорость, но в пределах дозвуковой скорости. При этом горячая вода имеет температуру, характеризующую ее перегрев по сравнению с термодинамическим равновесным состоянием пара. Далее пароводяная среда попадает в горловину 4 сопла. На выходе из горловины 4 сопла пароводяная среда приобретает скорость, равную скорости звука (для двухфазной среды скорость звука составляет порядка 70 м/сек). За время прохождения по горловине 4 сопла пароводяная смесь подходит близко к термодинамическому равновесию и, соответственно, к образованию двух отдельных фаз: горячей воды и пара. Температура воды приближается к температуре насыщения при равновесном состоянии, что способствует увеличению скорости потока. Массовый расход пароводяной смеси становится более стабильным, давление падает и за горловиной 4 сопла пароводяная смесь переходит через скорость звука, поступает в расширяющийся участок 5, имея сверхзвуковую скорость. После выхода из сопла для активной среды пароводяная смесь со сверхзвуковой скоростью поступает в камеру смешения 8, в которую через сопла 7 из камеры подвода питательной воды 6 подается питательная вода с температурой ниже температуры насыщения активной среды. В камере смешения 8 происходит смешение активной и пассивной сред и конденсация части паровой фазы активной среды, смесь образует единый поток с массовым паросодержанием, меньшим, чем у активной среды на входе в камеру смешения 8. Скорость потока смеси, давление и паросодержание устанавливаются в соответствии с гидродинамическими и термодинамическими законами сохранения количества движения и законами сохранения масс. Для обеспечения смешения потоков и обменных процессов конденсации части паровой фазы необходимо обеспечить время, определяемое временем пробега длины камеры смешения 8. При этом смесь должна оставаться двухфазной со сверхзвуковой скоростью движения. После завершения процесса смешения поток поступает в конфузор 10 сверхзвукового диффузора. Геометрия сверхзвукового диффузора выбрана таким образом, чтобы торможение потока в нем происходила серией косых скачков и не было повторного процесса расширения потока, что вызывает потери работоспособности потока, увеличение энтропии и снижение КПД термонасоса в целом. Углы сужения также не должны превышать значений, при которых может возникнуть прямой скачек уплотнения, и произойдет срыв режима работы термонасоса. На выходе из конфузора 10 поток приобретает более высокое давление с меньшим паросодержание и с меньшей скоростью движения, чем на входе в него, но остается сверхзвуковым. Далее поток поступает в горловину 11 и в расширяющийся участок 12. В расширяющемся участке 12 поток движется со сверхзвуковой скоростью, а навстречу ему в потоке, состоящем из воды (жидкое состояние), движется волна сжатия, в результате их встречи в соответствии с законами гидродинамики устанавливается прямой (или мостообразный) скачок уплотнения, где возникает скачковый переход от сверхзвуковой в дозвуковую форму движения, и среда за скачком становится однофазной. Далее однофазная среда поступает в конфузор 13, где турбулентность потока уменьшается, и однофазная среда поступает в горловину 14 и в дозвуковой диффузор 15. Вследствие увеличения коэффициента восстановления давления в потоке в конфузоре 13 КПД термонасоса повышается.Starting the heat pump, i.e. the establishment in the flow part of the supersonic flow regime of the steam-water mixture is carried out by briefly opening the valves 16 and 17 connecting the flow part of the heat pump with a reduced pressure tank (not shown in the drawing). The output of the heat pump is closed by a non-return valve 18. A part of the active (hot water) and passive (feed water) media is discharged into the reduced pressure tank, the pressure drops in the flow part of the heat pump and a supersonic flow regime is established. The valves 16 and 17 are closed, under the pressure of the flow opens the check valve 18, and the heat pump starts to work. Hot water with parameters close to those on the saturation line enters the inlet section 1 with a throttle grate 2. Passing the throttle grate 2, the water partially boils, forming vaporization centers. Then the hot water stream enters the nozzle for the active medium: confuser 3, neck 4 and the expanding section 5. At the outlet of the hot water stream from confuser 3, the pressure drops and the water partially evaporates, as a result of which the flow acquires a higher speed, but within the subsonic speed . In this case, hot water has a temperature characterizing its overheating in comparison with the thermodynamic equilibrium state of steam. Next, the steam-water medium enters the throat 4 of the nozzle. At the outlet of the nozzle neck 4, the steam-water medium acquires a velocity equal to the speed of sound (for a two-phase medium, the speed of sound is about 70 m / s). During the passage through the throat of the nozzle 4, the steam-water mixture approaches close to thermodynamic equilibrium and, accordingly, to the formation of two separate phases: hot water and steam. The water temperature approaches the saturation temperature at the equilibrium state, which contributes to an increase in the flow rate. The mass flow rate of the steam-water mixture becomes more stable, the pressure drops and beyond the throat 4 of the nozzle, the steam-water mixture passes through the speed of sound, enters the expanding section 5, having a supersonic speed. After exiting the nozzle for the active medium, the steam-water mixture with supersonic speed enters the mixing chamber 8, into which feed water with a temperature below the saturation temperature of the active medium is supplied through the nozzles 7 from the feed water supply chamber 6. In the mixing chamber 8, the active and passive media are mixed and part of the vapor phase of the active medium is condensed, the mixture forms a single stream with a mass vapor content lower than that of the active medium at the inlet of the mixing chamber 8. The mixture flow rate, pressure, and vapor content are set in accordance with hydrodynamic and thermodynamic laws of conservation of momentum and laws of conservation of mass. To ensure mixing of the flows and exchange processes of condensation of a part of the vapor phase, it is necessary to provide a time determined by the travel time of the length of the mixing chamber 8. In this case, the mixture must remain two-phase with a supersonic speed. After completion of the mixing process, the flow enters the confuser 10 of the supersonic diffuser. The geometry of the supersonic diffuser is chosen so that the flow is decelerated by a series of oblique jumps and there is no repeated process of expansion of the flow, which causes a loss in flow operability, an increase in entropy, and a decrease in the efficiency of the heat pump as a whole. The narrowing angles should also not exceed values at which a direct shock of the seal can occur, and the operation of the heat pump will fail. At the exit of the confuser 10, the flow acquires a higher pressure with a lower vapor content and with a lower speed of movement than at the entrance to it, but remains supersonic. Further, the flow enters the neck 11 and the expanding section 12. In the expanding section 12, the flow moves at a supersonic speed, and a compression wave moves towards it in the flow consisting of water (liquid state), as a result of their meeting, in accordance with the laws of hydrodynamics, it is established a direct (or bridge-like) shock wave, where a sudden transition from a supersonic to a subsonic form of motion occurs, and the medium behind the shock becomes single-phase. Next, the single-phase medium enters the confuser 13, where the turbulence of the flow decreases, and the single-phase medium enters the neck 14 and the subsonic diffuser 15. As a result of the increase in the pressure recovery coefficient in the stream in the confuser 13, the efficiency of the heat pump increases.

Claims

1. The jet heat pump, the flowing part of which contains a nozzle for the active medium, including a confuser, a neck and an expanding section, a mixing chamber made with a shaped confuser and shaped holes for supplying feed water, a supersonic diffuser consisting of a confuser, a neck and an expanding section, and a subsonic diffuser, characterized in that the confuser of the supersonic diffuser is made with a variable taper angle, while the angle is selected from 10 ° to 15 ° at the entrance to the confuser and from 20 ° to 35 ° at the exit of the conf ora.

2. The heat pump according to claim 1, characterized in that the flowing part further comprises a confuser and a neck, which are located between the expanding section of the supersonic diffuser and the subsonic diffuser.

3. The heat pump according to claim 1, characterized in that the nozzle neck for the active medium is made with a length selected from 3 to 4 diameters of the nozzle neck for the active medium.