УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО СВОБОДНО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЦИЛИНДРА ОГРАНИЧЕННОЙ ДЛИНЫ

Полезная модель относится к области экспериментального исследования естественного конвективного теплообмена и может быть использована в лабораторных установках, с помощью которых можно моделировать проточные части энергетических установок в условиях наброса тепловой нагрузки.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является лабораторная установка для изучения свободно-конвективного теплообмена горизонтального цилиндра ограниченной длины (Е.П.Барулин, А.С.Кувшинова и др. Лабораторный практикум по тепловым процессам. Учебное пособие. ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет»), Установка состоит из толстостенной трубы, электронагревателя, питающегося от сети переменного тока, и закрепленного на керамических вставках, при этом торцы трубы с целью уменьшения утечки теплоты закрыты теплоизоляционными пробками, а на наружной поверхности трубы закреплены термопары.
Недостатками известной установки, позволяющей исследовать процесс теплоотдачи только при стационарной естественной конвекции, являются:
1. Большая инерционность процесса теплообмена.
2. Влияние магнитного поля переменного тока на температуру.
3. Ручная регистрация и обработка данных.
Современные энергетические установки имеют большое количество трубопроводов различной длины и конфигурации. Работа установок и их элементов протекает в сложных термогазодинамических условиях, обусловленных наличием таких возмущающих факторов, как температурная неоднородность и тепловая нестационарность.
Как правило, элементы установок участвуют в сопряженном теплообмене. Естественная нестационарная теплоотдача в условиях изменения во времени температуры стенки цилиндра части приводит к значительным изменениям структуры конвекции, связанным с высокой нелинейностью процессов и применение принципа суперпозиции становится малоприемлемым. Отсутствие учета нестационарности в ряде случаев приводит к существенным ошибкам при проектировании технических устройств, выборе режимов их оптимального функционирования и разработке систем контроля и автоматического регулирования. Знание методов расчета локальных коэффициентов теплообмена естественной конвекции в нестационарных условиях играют значительную роль в повышении эффективности работы аппаратов.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности экспериментального исследования процесса теплоотдачи при нестационарном свободно-конвективном теплообмене горизонтального цилиндра ограниченной длины.
Технический результат достигается тем, что в установке для изучения нестационарного свободно-конвективного теплообмена горизонтального цилиндра ограниченной длины, содержащей термопары, закрепленные на наружной поверхности горизонтального цилиндра, источник питания, коммутационное устройство, пост управления, согласно предлагаемой полезной модели, горизонтальный цилиндр выполнен в виде тонкостенного цилиндра, установленного на штативах, выполненных из электропроводящего материала и соединенных при помощи коммутационного устройства с постом управления и источником питания, выполненного в виде источника питания постоянного тока, при этом в полости горизонтального цилиндра установлено балластное цилиндрическое тело, выполненное из диэлектрического материала, а термопары закреплены на участке, ограниченном полуокружностью наружной поверхности горизонтального цилиндра. Кроме этого, термопары выполнены в виде малоинерционных термопар с постоянной времени, составляющей 0,06 с, а пост управления содержит систему съема и регистрации данных, включающей в себя последовательно соединенные персональный компьютер с установленным пакетом прикладных программ, плату расширения, соединительную панель, клеммную колодку, к которой подключены термопары.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемой установки для изучения нестационарного свободно-конвективного теплообмена горизонтального цилиндра ограниченной длины, на фиг.2 - схема заделки термопар, а на фиг.3 -схема съема и регистрации данных.
На чертежах цифрами обозначены:
1 - горизонтальный тонкостенный цилиндр ограниченной длины,
2 - термопары малоинерционные, бескорольковые хромель-копелевые,
3 - источник питания постоянного тока,
4 - коммутационное устройство
5 - пост управления.
6 - штатив,
7 - балластное цилиндрическое тело,
8 - персональный компьютер,
9 - плата расширения,
10 - соединительная панель,
11 - клеммная колодка.
Установка для изучения нестационарного свободно-конвективного теплообмена горизонтального цилиндра 1 ограниченной длины содержит термопары 2, закрепленные на наружной поверхности горизонтального цилиндра 1, источник 3 питания, коммутационное устройство 4, пост 5 управления.
Предлагаемая установка отличается тем, что горизонтальный цилиндр 1 выполнен в виде тонкостенного цилиндра, установленного на штативах 6, выполненных из электропроводящего материала и соединенных при помощи коммутационного устройства 4 с постом 5 управления и источником 3 питания. Горизонтальный цилиндр 1 выполнен методом лазерной сварки в виде тонкостенного, толщиной 0,1 мм, цилиндра из нержавеющей стали Х18Н10Т диаметром 22,5 мм и длиной 337,5 мм, равной 15-ти диаметрам цилиндра. Источник 3 питания выполнен в виде источника питания постоянного тока. В полости горизонтального цилиндра 1 установлено балластное цилиндрическое тело 7, выполненное из диэлектрического материала. Измерения температуры проводятся непосредственно на поверхности нагрева. Для этого термопары 2 закреплены на участке, ограниченном полуокружностью наружной поверхности горизонтального цилиндра 1, и выполнены в виде малоинерционных термопар с постоянной времени, составляющей 0,06 с. Пост 5 управления содержит систему съема и регистрации данных, включающей в себя последовательно соединенные персональный компьютер 8 с установленным пакетом прикладных программ, плату 9 расширения, соединительную панель 10, клеммную колодку 11, к которой подключены термопары 2.
Установка для изучения нестационарного свободно-конвективного теплообмена горизонтального цилиндра ограниченной длины работает следующим образом.
Горизонтальный цилиндр 1 располагают на штативах 6, установленных с обоих концов цилиндра, которые являются проводниками для подачи электрического постоянного тока. Тепловые нестационарные условия реализуются посредством подачи и отключения электрического тока через опытный участок. Нагрев выполняется путем подачи постоянного тока и в течение очень короткого времени. Для исключения сопряженной конвекции внутри горизонтального цилиндра 1 устанавливают балластное цилиндрическое тело 7 диаметром, равным 22,5 мм. В качестве балластного тела использована древесина, выточенная из осины. Источником 3 питания постоянного тока для нагрева служат два автомобильных аккумулятора, имеющие параметры 12 В и 50 А/ч, включенные последовательно. Источник 3 питания коммутируется с горизонтальным цилиндром 1 при помощи коммутационного устройства 4 и поста 5 управления.
Для измерения температуры на поверхности стального горизонтального цилиндра 1 используют малоинерционные бескорольковые хромель-копелевые термопары 2 диаметром 0,02 мм. Контактная пара термоэлектродов выполнена методом конденсаторной сварки. Схема заделки термопар на опытном сечении представлена на фиг.2. Семь термопар препарированы к полуповерхности цилиндрического опытного участка через центральный угол φ=30° начиная от передней критической точки.
В нестационарных условиях важными являются динамические характеристики термопар. Постоянная времени термопар 2 составляет 0,06 с, что примерно на два порядка ниже продолжительности времени исследуемых тепловых процессов. Теплофизические экспериментальные исследования связаны с необходимостью большого объема измерений различных физических величин, увеличением объема, точности и сложности математической обработки экспериментальных данных. Использование автоматизированных измерительно-информационных систем позволяет в значительной мере преодолеть трудности. Такие системы сокращают сроки получения результатов, обработки материалов эксперимента и повышают качество полученных результатов. В предлагаемой установке для изучения нестационарного свободно-конвективного теплообмена горизонтального цилиндра ограниченной длины использовано оборудование фирмы National Instruments (NI), с программным пакетом Lab View. На фиг.3 представлена схема съема информации от термопар 2 на персональный компьютер 8, на котором регистрировались данные по температуре в реальном масштабе времени.
Снятие данных реализовано следующим образом. Аналоговая информация с термопар 2 через клеммную колодку 11 вводится в соединительную панель 10 марки BNC 2120 производства NI. По шине сигнал передается в плату 9 расширения марки PCI-6040E, которая установлена в слоте персонального компьютера 8. В персональном компьютере 8 устанавливаются универсальные драйвера DAQmx. Информация обрабатывается, регистрируется и выводится в графическом виде на монитор в среде программного обеспечения виртуальных приборов Lab VIEW. Знание методов расчета локальных коэффициентов теплообмена естественной конвекции в нестационарных условиях играют значительную роль в повышении эффективности работы аппаратов.
Использование заявляемой полезной модели позволит учитывать нестационарность при проектировании технических устройств, выборе режимов их оптимального функционирования и разработке систем контроля и автоматического регулирования.