Диссертация (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях), страница 9

В корпусе имеется ряд отверстий, имеющихопределенные функциональные назначения (рис.2.4):1.Смотровые окна – 2 шт.2.Патрубок подвода спирали индукционного нагревателя.3.Механизм перемещения рабочего образца.4.Патрубок с предохранительным клапаном.5.Патрубок с манометром и стравливающим вентилем.6.Патрубкивходаивыходаохлаждающейспирали,оснащенные вентилями.7.Патрубок для заполнения емкости корпуса жидкостями игазами с вентилем.708.Переливной патрубок с вентилем.9.Патрубок со сливным вентилем.10.Патрубок вывода термопар.Рис.2.3. Схема функциональных отверстий экспериментального стендаВ ходе изготовления стенда было предпринято несколько рискованныхшагов, которые полностью себя оправдали.Во-первых, одним из сложнейших узлов стенда является системагерметизацияштокаприегопоступательномперемещениивнутриэкспериментальной камеры из положения 1 в положение 2 (Рис.2.3) иобратно.71Рис.2.4. Уплотнение Вильсона: а) классическая схема уплотненияВильсона.

1-прокладки из фторопласта; 2-металлические шайбы; 3-втулка; 4нажимная гайка; 5-шток. b) вид снизу (внутренняя часть фланца). c) видсверху (наружная часть фланца).Для герметизации мы воспользовались так называемым уплотнениемВильсона (рис.2.4). Идея заключалась в уплотнении штока специальнымисальниками – фторопластовыми и металлическими шайбами. Схемаследующая: гнездо уплотнения вставляются две прокладки из фторопласта сшайбой между ними. Верхнюю прокладку смазывают вакуумной смазкой,накладывают на нее вторую шайбу и затягивают нажимной гайкой.

При этоммыстремились,чтобыгерметизирующийэлементневоспринималпередаваемых усилий, а направляющие и опоры были бы по возможностирасположены вне вакуумной камеры (рис.2.4-с). Данное уплотнение суспехом применяется в вакуумных технологиях, и были большие опасения,справится ли оно с избыточными давлениями (до 10атм) внутри камеры. К72счастью, наши опасения не оправдались, и данный способ герметизациипозволяет успешно проводить перемещение рабочего образца через шток вусловиях высоких давлений.Рис.2.5. Ввод катушки индуктора: а) крепление индуктора к катушкечерез фланец накидными гайками, b) ответный фланец (фронтальный вид), c)соединение фланцев (вид сбоку).Во-вторых, необходимо было продумать систему ввода катушки ВЧиндуктора (рис.2.5). При этом необходимо было предусмотреть отсутствиеэлектрического контакта медной катушки с корпусом установки содновременным сохранением герметичности стенда при высоких давлениях.Также надо было обеспечить циркуляцию охлаждающей жидкости внутрикатушки индуктора через СВЧ генератор.

Для удобства создания вводакатушки и обеспечения «разборности» соединения, нам пришлось приваритьккорпусусосудацилиндрическуютрубуменьшегодиаметра,оканчивающуюся фланцем. К этому фланцу с помощью 12 болтов цеплялсяответный фланец, в котором находились крепления индукционной катушки.73Электрическая изоляция достигалась путем размещения между фланцем имедной трубкой фторопластовых шайб.Рис.2.6. Перемешивающее устройство: а) общий вид устройства. b)рабочая часть мешалки, погруженная в объем жидкости, c) двигательмешалки, расположенная над зеркалом жидкости.Кроме того, возникла сложность с перемешиванием жидкости внутригерметичного стенда.

Необходимо было придумать такое устройство,которое могло функционировать в условиях высоких давлений (до 10атм), вовлажной атмосфере. Использование в качестве исследуемой жидкостиспиртов повышало требования к химической стойкости перемешивающегоустройства, так как при высоких температурах спирт растворяет резины инекоторые пластмассы. В частности, из-за условий по химическойустойчивости, нам пришлось отказаться от использования погружнойнагнетательной помпы выполненной из пластика, которая практическиполностью растворилась в изопропиловом спирте. В итоге установка быласнабжена очень простым, но надежным перемешивающим устройством.

Оно74представляло собой моторчик на 9В, к которому с помощью 30см медной осицеплялся пропеллер (рис.2.6). Таким образом, в объеме жидкости находилсятолько пропеллер и часть медной оси. Сам мотор цеплялся к диафрагме внежидкой среды с помощью так называемой «холодной сварки».Рис.2.7. Герметичный разъём: а) внутренняя часть, b) внешняя часть, c)посадка термопарных проводов в разъем, d) монтаж внешних проводов.Вывод термопарных и питающих проводов осуществлялся черезгерметичный разъем, который был установлен в верхний фланец (рис.2.8).Так как это место является естественным разрывом цепи, а снаружи фланцацеплялисьмедныепровода,тобылонеобходимоконтролироватьтемпературу этого разъема.

Для этого была изготовлена миниатюрнаятермопара,котораяизмеряланепосредственнотемпературуразъема«изнутри» установки. Таким образом, контролировалась температура«холодного» спая термопар и вносилась определенная поправка в измерения.75Для защиты от влаги на термопарные провода заводились в герметичныйпластиковый корпус, а гнездо герморазъема обматывалось фумлентой.При проведении опытов в интервале температур от 25 до 120°Сзмеевик теплообменникаприсоединяется с помощью гибких шлангов кциркуляционному термостату Loip LT-200. В качестве рабочей жидкостииспользуется очищенная вода.При проведении опытов в температурном диапазоне от 25 до -80°С,напримернаспиртахифторуглеродах,змеевиктеплообменникаприсоединяется к циркуляционному криостату Loip FT-311(мощностью4000Вт) специальным теплоизолированными шлангами.

В этом случае, вкачестве охлаждающей жидкости используются спирты или водо-спиртовыесмеси.Стенд рассчитан на проведение экспериментов с крио жидкостями,такими как жидкий азот или жидкий аргон. В этом случае охлаждающаяспираль присоединяется к сосуду Дьюара СД-40. Циркуляция обеспечиваетсядвижением жидкого азота под воздействием внешнего давления.Экспериментальный стенд может эксплуатироваться при температуреокружающего воздуха от -30 до +40°С и относительной влажности до 100%при 25°С. Основные технические характеристики экспериментального стендаприведены в таблице 2.1.Наименование параметраНапряжение питания, ВЗначение220 +/- 5%Частота внешней электрической сети, Гц.50 +/- 1Потребляемая мощность, ВтМасса, кгГабаритные размеры, ммМаксимальное давление, атмДиапазон рабочих температур , °С15 000801500х900х90010от-200 до + 200Таблица 2.1.

Основные технические характеристики стенда76Стенд оснащен вводно-распределительным щитком, к которомуподводится переменное электрическое однофазное напряжение 220В,мощностьюнеменеераспределительногораспределительное15КВт.устройстваПринципиальнаяприведенаустройствонаоснащеносхемарис.2.9.вводноВводно-стандартнымиисертифицированными входным автоматом фирмы ЕКФ на 63А и УЗО ЕКФ стоком отсечки 30 мА, а также блоком розеток 4шт, подключенным черезавтоматЕКФ16А.Всеподводящиеираспределительныекабелитрехжильные (N-ноль, A-фаза и PE-земляной). По способу защиты человекаот поражения электрическим током установка стенда соответствует классу 01по ГОСТ 12.2.007.0-75.Рис.2.8. Схема вводно-распределительного устройства77В 2016 году экспериментальный стенд для исследования теплообменаприфазовыхпереходах«Режимы охлаждениявысокотемпературныхповерхностей» был включен в уникальный перечень теплофизическойстендовой базы каталога РОСАТОМа.2.2.

Описание рабочих участковБольшого внимания заслуживает описание самого ответственногоэлемента установки - рабочего участка. Рабочие участки представляют собойметаллические шары диаметром от 30 до 50мм. В качестве материалаиспользуются никель, медь, нержавеющая сталь Aisi-316. В настоящее времяидет изготовления новых шаров из дюралюминия.Изготовлениекропотливаяработа,хорошегорабочеготребующаянаучастканекоторых–оченьстадияхсложная,ювелирногомастерства. Опишем далее основные этапы изготовления рабочих участков:1.

Закупка прутков необходимого металла2. Вытачивание шаров3. Изготовление отверстий4. Изготовление трубки державки5. Монтаж ТП кабелей в шар6. Сварка/пайка ТП к поверхности шара7. Монтаж трубки державки8. Изготовление разъемов на концах термопар9. Проверка на герметичность10. Градуировка ТПОстановимся более подробно на некоторых этапах создания опытных шаров.Изготовление отверстий – сложная процедура. Диаметр шара достаточнобольшой (до 50мм), что делает практически невозможным сверлениеотверстий с помощью, например, супердрели.