ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА
LABORATORY APPARATUS FOR INVESTIGATION OF HEAT AND MASS TRANSFER PROCESSES

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для исследования процессов, связанных с интенсивным тепломассопереносом в нагреваемом слое жидкости в термосифонах энергонасыщенного авиационного оборудования.
Известна лабораторная установка для изучения тепломассообмена при испарении воды в поток воздуха [RU 64413 U1, МПК G09B 23/16 (2006.01), опубл. 27.06.2007], содержащая корпус в виде трубки, электронагреватель, ваттметр, смесители потока, термопары. Корпус выполнен изогнутым, в вертикальной нижней части установлен электронагреватель. В наклонной верхней части корпуса смонтирован удлиненный опытный участок в виде стеклянной трубки, обернутой с внешней стороны влажной материей. Опытный участок фиксируется в корпусе игольчатыми опорами, имеющими на концах резиновые шарики для предотвращения скольжения. Для удаления излишков воды используется тканевая лента. Смесители потока воздуха выполнены в виде шайб с отверстиями в центре.
С помощью этой установки невозможно исследование процессов испарения или кипения, которые сопровождаются кризисом теплообмена и формированием сухих пятен.
Наиболее близким, принятым за прототип, является лабораторная установка по теплопередаче [RU 2359193 С2, МПК F28D 20/00 (2006.01), опубл. 20.06.2009], содержащая корпус, электронагреватель, патрубки для выхода нагретого воздуха. Вертикальный цилиндрический корпус выполнен из латуни и содержит внутреннюю и наружные трубы, помещенные одна в одну. Внутренняя труба открыта с обеих сторон и содержит установленные в нижней части электронагреватель, присоединенный к находящимся снаружи ваттметру, и ЛАТРу. В верхней и нижней части установлены нижний и верхний смесители воздуха, нижний и верхний патрубки для ввода термопар. Наружная труба открыта в верхней части для входа воздуха, в нижней части имеет коническую форму с выходным патрубком для ввода термопары. Снаружи наружной трубы смонтирован сосуд со льдом и патрубком для слива воды.
Недостатком этой лабораторной установки является сложность ее конструкции, а также невозможность исследования процессов испарения или кипения, которые сопровождаются кризисом теплообмена и формированием сухих пятен.
Задачей изобретения является создание простой конструкции лабораторной установки для исследования процесса испарения и кипения.
Поставленная задача решена за счет того, что лабораторная установка для изучения процессов тепломассопереноса, также как в прототипе, содержит корпус из латуни, внутри которого расположен электронагреватель, термопары.
Согласно изобретению рабочий участок представляет собой прямоугольный корпус, на дно которого поочередно установлены теплоизоляционный материал, электронагреватель в виде плоского нагревательного элемента, подключенный к источнику питания, металлическая пластина и подложка, на которую налита низкокипящая жидкость. На верхней стороне металлической пластины выполнены выемки, в каждой из которых установлена термопара. Симметрично этим термопарам выполнены выемки на нижней стороне металлической пластины, в которых также установлены термопары. Термопара для измерения температуры жидкости погружена в нее. Все термопары через аналого-цифровой преобразователь соединены с персональным компьютером. В верхней части корпуса выполнено отверстие для щупа в виде стальной иглы, закрепленной снаружи на прецизионном устройстве, подключенном к персональному компьютеру. Источник света, диффузор, щит с отверстием, двояковыпуклая коллимирующая линза, прямоугольный корпус, двояковыпуклая конденсирующая линза и видеокамера последовательно расположены на оптической столешнице так, что они размещены на одной оси, проходящей через слой жидкости, налитой на подложку рабочего участка.
Предложенная лабораторная установка позволяет исследовать процессы испарения и кипения. С помощью щупа, закрепленного на прецизионной установке, измеряют толщину слоя жидкости в условиях тепломассообмена с паровой фазой. Посредством видеокамеры, источника света, диффузора, щита с отверстием, двояковыпуклых коллимирующей и конденсирующей линз получают теневое изображение, на котором видны деформационные и волновые процессы на границе раздела двух фаз (жидкой и паровой).
На фиг. 1 представлена принципиальная схема лабораторной установки для изучения процессов тепломассопереноса.
На фиг. 2 представлен общий вид рабочего участка лабораторной установки.
На фиг. 3 представлен видеокадр теневого изображения волнового и деформационного процессов слоя жидкости при ее испарении в паровую фазу.
Лабораторная установка для изучения процессов тепломассопереноса содержит рабочий участок 1 (фиг. 1), который представляет собой прямоугольный корпус 2, выполненный из латуни. На дно корпуса 2 поочередно установлены теплоизоляционный материал 3 (фиг. 2), например минеральная вата, плоский нагревательный элемент 4, металлическая пластина из нержавеющей стали 5 и подложка 6, на которую налита низкокипящая жидкость, например спиртовой раствор. На верхней стороне металлической пластины 5 выполнено три выемки, в каждой из которых установлена термопара 7, симметрично которым выполнены выемки на нижней стороне металлической пластины 5, в которых также установлены термопары 7. Термопара 8 погружена в жидкость, налитую на подложку 6. Плоский нагревательный элемент 4 подключен к источнику питания 9 (ИП) (фиг. 1). Термопары 7 и 8 через аналого-цифровой преобразователь 10 (АЦП) соединены с персональным компьютером 11 (ПК). В верхней части корпуса 2 выполнено отверстие 12 для щупа в виде стальной иглы, закрепленной на прецизионном устройстве 13, подключенном к персональному компьютеру 11 (ПК).
Источник света 14, диффузор 15, щит 16 с отверстием, двояковыпуклая коллимирующая линза 17, корпус 2, двояковыпуклая конденсирующая линза 18 и видеокамера 19 последовательно расположены на одной оси, проходящей через слой жидкости, налитой на подложку 6 рабочего участка.
Прецизионное устройство 13 представляет собой механизм, способный перемещать закрепленный на нем предмет в трех плоскостях. Подложка 6 может быть изготовлена из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например медь, латунь, алюминий.
Лабораторную установку для изучения процессов тепломассопереноса собирают на оптической столешнице, что обеспечивает необходимую точность в настройке оптического оборудования.
При выполнении необходимых исследований на подложке 6 рабочего участка 1 формируют горизонтальный слой жидкости, толщину которого варьируют в зависимости от режимных параметров эксперимента (не более 5 мм). Со стороны подложки 6 с помощью плоского нагревательного элемента 4 равномерно нагревают жидкость, контролируя его мощность посредством источника питания 9 (ИП). При нагреве жидкости происходит ее испарение, и в верхней части рабочего участка 1 образуется паровая фаза. Температуру плоского нагревательного элемента 4 и жидкости измеряют с помощью термопар 7 и 8, сигналы с которых передают через аналогово-цифровой преобразователь 10 (АЦП) на персональный компьютер 11 (ПК). Для измерения и контроля толщины слоя жидкости используют щуп, закрепленный на прецизионном устройстве 13. Положение щупа контролируют посредством прецизионного устройства 13.
Пучок лучей от источника света 14 последовательно проходит через диффузор 15, отверстие в непрозрачном щите 16, двояковыпуклую коллимирующую линзу 17, где, преломляясь, становится параллельным и проходит через слой жидкости. Далее лучи направляются к двояковыпуклой конденсирующей линзе 18, с помощью которой пучок света фокусируется и теневое изображение проецируется на сенсоре цифровой видеокамеры 19. Таким образом, получают теневое изображение волновых и деформационных процессов, происходящих при испарении слоя жидкости в паровую фазу (фиг. 3). По такому теневому изображению судят о геометрических изменениях слоя жидкости в процессе испарения и кипения. Прямые измерения температуры позволяют вычислить коэффициент теплоотдачи подложки.