СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА

Полезная модель относится к лабораторной технике и может быть использована для исследования теплообмена от поверхности горячих материалов при конвейерной транспортировке.
Известно устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи, содержащее ленточный электрический нагреватель, приклеенный к поверхности модели из диэлектрического материала, и термопары, каждая из которых установлена в контакте с внутренней поверхностью электрического нагревателя плоской поверхностью рабочего спая, при этом для исследования испытываемую модель помещают в рабочую часть экспериментального стенда для продувки, а после стабилизации температуры фиксируют ток и напряжение на нагревателе (Авторское свидетельство СССР №1652834 А1, дата приоритета 27.12.1988, дата публикации 30.05.1991, авторы: Халатов А.А. и др., RU).
Недостатком известного аналога является невозможность организации направленного теплового потока, так как поток от испытываемой модели идет во все стороны: вверх, вниз и по бокам.
Известен стенд для моделирования теплообмена транспортируемых конвейерами горячих материалов, содержащий регулирующую заслонку, вентилятор, микроманометр, камеру давления с коллектором, ртутные термометры, галерею, электроизмерительный комплект, конвейер, ограждающие конструкции, теплоизоляцию из пенопласта, теплоотдающую пластину, теплоизоляцию из асбеста, трансформатор, камеру смешивания, термопары, потенциометр (И.В. Калинич. Стенд для моделирования теплообмена транспортируемых конвейерами горячих материалов / Евразийский научный журнал №7, 2016 г. http://journalpro.ru/articles/stend-dlya-modelirovaniya-teploobmena-transportiruemykh-konveyerami-goryachikh-materialov/, дата просмотра 23.09.2019 г.).
Недостатком известного аналога является наличие теплопотерь через боковые стенки ограждающих конструкций и днище модели конвейера, а также плоская форма теплоотдающей пластины.
Известен стенд для моделирования теплообмена транспортируемых конвейерами горячих материалов, принятый в качестве прототипа, содержащий модель галереи с теплоизоляцией ограждающих конструкций, на входе которой установлен узел нагнетания воздуха в галерею, а выход соединен с камерой смешения воздуха. В галерее расположена модель конвейера с исследуемым нагреваемым элементом в виде металлической теплоотдающей пластины, уложенной сверху на асбестовой электроизоляционной подложке. При этом теплоотдающая пластина связана с трансформатором, с возможностью обеспечения ее равномерного нагрева, и с электроизмерительными приборами. Модель конвейера выполнена в виде металлического каркаса с секциями, в каждой из которых расположены термопары для измерения температуры теплоотдающей пластины, связанные с потенциометром. Стенд снабжен системой охлаждения модели конвейера снизу с помощью циркулирующей воды. Ограждающие конструкции модели галереи связаны с трансформаторами для их обогрева, а исследуемый нагреваемый элемент в виде теплоотдающей пластины выполнен с формой поверхности, имитирующей нагретую поверхность материала, в частности, в виде выпуклой пластины цилиндрической формы. Металлический каркас модели конвейера снабжен в основании каждой секции полостью с входным и выходным патрубками для подачи и отвода воды, соединенными с соответствующими системами. Кроме того, стенд содержит ртутные термометры и два потенциометра, которые установлены для измерения соответственно температуры воздуха на входе и выходе из модели конвейера и температуры воды на входе и выходе из соответствующей секции, а также локальных температур исследуемого нагреваемого элемента в каждой секции, температуры ограждающих конструкций и температуры воздуха под моделью конвейера (Патент РФ №169152 U1, дата приоритета 27.10.2016, дата публикации 07.03.2017, авторы: Калинич И.В. и Смольников Г.В., RU, прототип).
Недостатками прототипа являются: во-первых, наличие в стенде среди измерительных приборов ртутных термометров, не дающих возможности автоматической фиксации измеренных значений температуры в ходе эксперимента, а также имеющих большую погрешность по сравнению с термопарами; во-вторых, стенд содержит только одну модель конвейера, что не позволяет моделировать процессы теплообмена транспортируемых горячих материалов для случая, когда осуществляется одновременная работа сразу двух конвейеров в одном производственном помещении.
Технической проблемой является необходимость расширения арсенала технических средств для исследования теплообмена с помощью стенда с расширенными экспериментальными возможностями, обеспечивающего повышение точности фиксируемых экспериментальных данных, используемых для определения коэффициентов теплоотдачи, необходимых для расчета тепловыделений от поверхности транспортируемых нагретых материалов при проектировании систем отопления и вентиляции галерей предприятий.
Для решения технической проблемы предложен стенд для исследования теплообмена, содержащий модель галереи с теплоизоляцией ограждающих конструкций, на входе которой установлен узел нагнетания воздуха в галерею, а выход соединен с камерой смешения воздуха. Галерея содержит модель конвейера, выполненную в виде металлического каркаса с секциями по длине, содержащего сверху металлическую теплоотдающую пластину с выпуклой цилиндрической формой поверхности, имитирующей нагретую поверхность материала, которая уложена на асбестовую теплоэлектроизоляционную прокладку и электрически связана с трансформатором для обеспечения равномерного нагрева и с электроизмерительными приборами. При этом в каждой секции металлического каркаса расположены связанные с потенциометром термопары для измерения температуры теплоотдающей пластины. Стенд также снабжен системой охлаждения модели конвейера снизу с помощью циркулирующей воды, при этом металлический каркас модели конвейера снабжен в основании каждой секции полостью с входным и выходным патрубками для подачи и отвода воды, соединенными с соответствующими системами. Кроме того, стенд содержит термопары, связанные со вторым потенциометром, которые установлены для измерения температуры воздуха под моделью конвейера и для измерения температуры ограждающих конструкций, связанных с предназначенными для их обогрева трансформаторами. Новым является то, что стенд содержит дополнительно установленную в модели галереи модель конвейера, снабженную системой подвода и отвода воды, также стенд содержит термопары, предназначенные для контроля температуры воздуха на входе и выходе из модели галереи и температуры воды на входе и выходе из секций моделей конвейеров. При этом в качестве регистрирующих приборов для этих термопар дополнительно использованы пропорционально-интегрально-дифференцирующие (ПИД) регуляторы, соединенные с компьютером для автоматической передачи на него значений температуры воздуха на входе и выходе из модели галереи и температуры охлаждающей воды.
Согласно полезной модели, термопары для контроля температуры воздуха на входе и выходе из модели галереи связаны с одним ПИД-регулятором, а термопары для контроля температуры охлаждающей воды связаны со вторым ПИД-регулятором.
Указанные отличия позволяют повысить точность измеряемых в процессе исследований значений температуры и упросить процесс их фиксации путем автоматизации эксперимента за счет использования ПИД-регуляторов в качестве регистрирующих для термопар приборов, связанных с компьютером. Кроме того, дополнительная модель конвейера дает возможность расширить экспериментальные возможности стенда с целью моделирования процессов транспортировки горячих материалов для помещений, в которых предусмотрена работа двух конвейеров.
На фиг. 1 представлена функциональная схема стенда для исследования теплообмена; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.
Согласно приведенной на фиг. 1 схеме, в состав стенда для исследования теплообмена входит узел нагнетания воздуха, содержащий регулирующую заслонку 1, вентилятор 2, микроманометр (МКВ-250) 3, камеру статического давления с коллектором 4 и термопарой (ТПК 011 диаметром 0,5 мм) 5, которая связана с ПИД-регулятором (ОВЕН ТРМ251) 6. Узел нагнетания воздуха соединен с помощью патрубка 7 с моделью галереи 8. На входе в модель галереи 8, установлена термопара 5, связанная с ПИД-регулятором (ОВЕН ТРМ251) 6. Внутри модели галереи 8, имеющей прямоугольную форму, расположены две модели конвейеров 9. Модель галереи 8 содержит обогреваемые ограждающие конструкции 10, оборудованные пенопластовой теплоизоляцией 11. Модели конвейеров 9 имеют металлический каркас, разделенный по длине на четыре равные секции. Сверху модели конвейеров имеют металлическую теплоотдающую выпуклую пластину 12 цилиндрической формы, уложенную на асбестовую теплоэлектроизоляционную прокладку 13. При этом, металлическая теплоотдающая выпуклая пластина 12, имитирующая поверхность нагретого материала, электрически связана с силовым трансформатором (РНО-220-40) 14 для равномерного ее нагрева, а ограждающие конструкции 10 электрически связаны с трансформаторами (АОМИ-40-220) 15.
Кроме того, для организации направления теплового потока от поверхности теплоотдающей пластины 12 вверх, стенд снабжен системой охлаждения моделей конвейеров снизу с помощью циркулирующей воды. При этом каждая секция металлического каркаса конвейеров 9 снабжена в основании полостью 16 с входным и выходным патрубками, соединенными соответственно с трубопроводными системами подачи и отвода воды, с установленными в них термопарами (ТПК 011 диаметром 0,5 мм) 17 для контроля температуры воды на входе и выходе из секции, соединенными с ПИД-регулятором (ОВЕН ТРМ138) 18. Система подачи воды содержит регуляторы расхода 19 и термостат 20. Для осуществления контроля локальных температур поверхностей теплоотдающих пластин 12 установлены термопары (ТПК 011 диаметром 0,5 мм) 21, связанные с потенциометром (ЭПП-09 М) 22. Для контроля температуры ограждающих конструкций 10 и температуры воздуха под моделями конвейеров 9 в средней части их соответствующих секций установлены термопары (ТПК 011 диаметром 0,5 мм) 23, связанные с потенциометром (КСП-4) 24. Для контроля электрических параметров теплоотдающие выпуклые пластины 12 соединены с электроизмерительным комплектом (К-505) 25. На выходе из модели галереи 8 стенд содержит соединенную с ней камеру смешения 26, в которой размещена термопара (ТПК 011 диаметром 0,5 мм) 5, соединенная с ПИД-регулятором (ОВЕН ТРМ251) 6. ПИД-регуляторы (ОВЕН ТРМ251) 6 и (ОВЕН ТРМ138) 18 соединены с компьютером 27 для передачи на него зафиксированных значений температуры в ходе экспериментальных исследований.
Полезная модель может быть реализована следующим образом.
Включается центробежный вентилятор 2. Регулирующей заслонкой 1 устанавливается необходимая величина расхода воздуха. Включается подача воды для охлаждения нижней поверхности исследуемых выпуклых пластин 12 и каркаса конвейеров 9, а затем термостат 20 для стабилизации температуры воды. Включается силовой трансформатор 14 для нагрева исследуемых выпуклых пластин 12 и устанавливается необходимая температура их поверхности. Включаются трансформаторы 15 для нагрева ограждающих конструкций 10 модели галереи 8. Устанавливается стационарный режим работы стенда. Режим считается стационарным, если в камере смешения 26 отсутствует изменение температуры, измеряемой термопарой 5, регистрирующим прибором для которой является ПИД-регулятор 6. Во время установления стационарного режима постоянно контролируются температуры поверхностей исследуемых выпуклых пластин 12, поверхности ограждающих конструкций 10 модели галереи 8, а также воды на входе и выходе из секций конвейеров 9 и воздуха под ними в средней части соответствующей секции. Для контроля температуры поверхностей выпуклых исследуемых пластин 12 используются термопары 21, для которых в качестве прибора-регистратора используется потенциометр 22. Температура ограждающих конструкций 10 и воздуха под конвейерами 9 в средней части секций измеряются термопарами 23, регистрирующим прибором для которых является потенциометр 24. Температура воды на входе и выходе из секций конвейеров 9 измеряется термопарами 17, регистрирующим прибором для которых является ПИД-регулятор 18. Температура ограждающих конструкций 10 модели галереи 8 устанавливается равной средней температуре воздуха в галерее; средняя температура воды, проходящей через секцию конвейеров 9, устанавливается равной температуре воздуха под ними в средней части соответствующей секции. Данное регулирование достигается посредством изменения расхода и температуры воды на входе в секцию конвейеров 9 при помощи регулятора 19 и термостата 20. ПИД-регуляторы 6 и 18 предусмотрены для соединения их с компьютером 27 с целью автоматической передачи на него зафиксированных в ходе эксперимента значений температуры, необходимых для регулирования стационарного режима экспериментального стенда, описанного ранее.
После установления стационарного режима с помощью потенциометра 22 регистрируется температура поверхностей исследуемых выпуклых пластин 12, по ПИД-регулятору 6 с помощью компьютера 27 снимаются показания термопар 5 на входе и выходе из модели галереи 8 (в камере давления 4 и в камере смешения 26), измеряется разность давлений до и после коллектора по микроманометру 3.
После этого производится повторение измерений, а стенд переводится на новый
режим.
Для каждого режима по расходу воздуха при минимальной температуре исследуемых выпуклых пластин 12 производится проверка тепловоздушного баланса стенда. Для этого дополнительно измеряются следующие величины: включается потенциометр 24 и фиксируется температура ограждающих конструкций 10 модели галереи 8; снимаются показания по ваттметру электроизмерительного комплекта 25, по ПИД-регулятору 18 с помощью компьютера 27 фиксируются значения термопар 17 на входе и выходе воды для каждой секции конвейера.
Далее происходит обработка результатов эксперимента, в результате которой возможно получить расчетные формулы для определения локальных и средних коэффициентов конвективной теплоотдачи.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств в связи с необходимостью улучшения эксплуатационных качеств стенда для исследования теплообмена путем упрощения фиксации значений температуры, необходимых для контроля стационарного режима работы стенда и дальнейшей обработки результатов экспериментальных исследований; повышения их точности; а также расширения экспериментальных возможностей стенда, позволяющих моделировать теплообмен при транспортировке горячих материалов для двухконвейерных галерей.