Устройство стендового автоматизированного лабораторного комплекса для изучения процессов теплообмена
DEVICE OF STAND AUTOMATED LABORATORY COMPLEX FOR STUDYING HEAT EXCHANGE PROCESSES

Изобретение относится к специальному оборудованию, предназначенному для демонстрационно-практического обучения студентов вузов и колледжей техническим дисциплинам, а более конкретно, для демонстрационно-практического изучения процессов теплопередачи в пластинчатом теплообменнике между горячим и холодным контуром циркуляции воды.
Известен стенд лабораторный комплекс «Теплотехника жидкости» ТПЖ-010-6ЛР-01 теплотехники и теплотехнического оборудования в вузе. Стенд выполнен из одного стола, имеющего откидную полку для ноутбука, горизонтальную установочную поверхность, под которой расположены два бака с горячей и холодной водой, два циркуляционных насоса, а на вертикальной поверхности, прикрепленной к заднему краю горизонтальной установочной поверхности, расположены теплообменные аппараты и несколько сменных устройств - модулей. Кроме того, на вертикальной поверхности прикреплено два расходомера, позволяющих измерять расход протекающей в трубах жидкости, подаваемой насосом, размещенным под горизонтальной поверхностью. (http://www.gpm-stend.ru/index.php/production/teplotechnika-termodynamika/303-teplotechnika-zhidkosti)
Недостатком такого стенда является то, что не представляется возможным создавать виртуальные модели реальных установок, дающие возможность студентам до работы на реальной установке изучить ее конструкцию и понять реализуемый физический процесс.
Техническая задача состоит в повышении точности и качества обеспечения измерений на стенде всех необходимых параметров. полученных как с помощью измерительных датчиков, так и на виртуальном образе лабораторного стенда и обеспечение их сравнения в автоматическом режиме, а также в обеспечении автоматизации измерений всех необходимых параметров, получения необходимых расчетных заданных функциональных зависимостей и вывода на электронные и бумажные носители информации, используемые в виде отчета.
Техническая задача достигается тем, что устройство стендового автоматизированного лабораторного комплекса для изучения процессов теплообмена, содержащее персональный компьютер к которому подключены монитор, звуковые колонки, клавишный блок управлениям установку для исследования тепловых процессов дополнительно содержит блок аналогово-цифровых преобразователей, подключенный к персональному компьютеру и теплообменник на подставке, снабженной шпильками для крепления наружной трубы с патрубками для подвода воздуха, в наружную труба вставлена внутренняя труба, причем в одну из труб вмонтированы датчики температуры, соединенные с блоком аналогово-цифровых преобразователей.
Технический результат заключается в повышении технического уровня передачи знаний студентам по дисциплине «Теплотехника» преподаваемой в вузе, за счет оснащения стенда современными приборами и устройствами, позволяющими получать высокую точность и надежность работы и, кроме того, позволяющими передавать полученную информацию об исследуемом процессе на компьютер для последующей обработки и получения как аналитических уравнений, так и графических зависимостей. Полезность также заключается в приобщении студентов к современным техническим возможностям в области быстрой и точной обработки экспериментальных исследований
Устройство стендового автоматизированного лабораторного комплекса, охарактеризовано следующими чертежами: на фиг. 1 представлен стол с персональным компьютером (вид спереди), на фиг. 2 представлена установка для исследования тепловых процессов. а) вид спереди, б) вид сбоку, в) вид сверху; на фиг. 3 представлен теплообменник на подставке. а) вид спереди, б) вид сверху; на фиг. 4 представлена схема электрическая принципиальная; на фиг. 5 представлена блок-схема виртуальной установки.
Устройство (фиг. 1) состоит из стола 1 с персональным компьютером содержащим системный, блок 2, персонального компьютера, к которому подключены с помощью кабелей: монитор 3, звуковые колонки 4, устройство многоярусного блока из аналогово-цифровых преобразователей АЦП 5, клавишный блок управления 6, смонтированный на выдвижной панели 7 стола 1.
Установка для исследования тепловых процессов (фиг. 2) содержит вертикальную панель 8, водонагреватель 9 электрический SHAPE 10ST насос 10 для повышения давления серии CL15 GRS, пластинчатый теплообменник 11, расходомер 12 СВ-15Х холодной воды, расходомер 13 СВ-15Г горячей воды, предохранительный клапан 14, воздухоотводчик 15, заливная труба 16, шланги 17 и 18, коллекторы 19 и 20, задвижка 21, кран 22 трехходовой, термодатчики 23. Водонагреватель 9 соединен с воздухоотводчиком 15, который соединен с насосом 10, который соединен с расходомером 13, который соединен с заливной трубой 16, которая соединена с теплообменником 11 и коллектором 19, который соединен с расходомером 12, который соединен с шлангом 17, посредством водопроводной арматуры. Водонагреватель 9 соединен с краном 22, соединенным с коллектором 20, соединенным с задвижкой 21, которая соединена с шлангом 18, посредством водопроводной арматуры.
Теплообменник на подставке (фиг. 3) содержит: шпильку 24, фены 25 и 26 наружная трубу 27 с двумя патрубками, внутреннюю трубу 28. На подставке с помощью шпилек и хомутов установлена наружная труба 27 с двумя патрубками, внутри которой проходит внутренняя труба 28. Для создания воздушного потока используются фены 25 и 26, которые устанавливаются с помощью хомутов, закрепленных на шпильках, и направленные в один из патрубков наружной трубы 27 и в один из выходов внутренней трубы 28.
Схема электрическая принципиальная (фиг. 4) установки состоит из силовой и согласующей части, гальванически развязанных между собой источником питания 29. Силовая часть состоит из выключателя автоматического выключателя 30, электронагревателя 31, насоса 32 повысительного, индикатора 33 включения установки «СЕТЬ», выключателей 34 и 35 с подвеской, соответственно «НАСОС» и «Uпр» вилок 36 и 37 и розеток 38 и 39. Согласующая часть представляет собой источник питания 40 постоянного тока 24 В и плату согласующую 41 с датчиками температуры 42, 43, 44 и 45 и разъемом 46 «ВЫХ». Плата согласующая 41 предназначена для питания датчиков температуры и связи их с устройством сбора данных (например NL USB 6008) через соединительный кабель.
Блок-схема виртуальной установки (фиг. 5) состоит из: блока 47 "преобразователя сигнала", блока 48 "осреднение сигнала", показатели 49, сохранение сигнала 50, осциллограммы 51, задержки времени 52, клавиши стоп 53.
Для измерения температуры и скорости воздушного потока как в наружной, так и во внутренней трубах, применяется цифровой анемометр из комплекта принадлежностей, который устанавливается в одно из специальных отверстий на патрубках наружной трубы 27 и на концах внутренней трубы 28.
Для контроля температуры, скорости воздушного потока в теплообменнике используется анемометр цифровой Testo 405-V1 из комплекта инструмента и принадлежностей, который устанавливают в одно из специальных отверстий на патрубках наружной трубы 27 и на концах внутренней трубы 28. Переустанавливая фены и включая потоки холодного и горячего воздуха в наружной и внутренней трубах, можно получить условия теплопередачи от внутренней трубы 28 к наружной 27 и наоборот при движении холодного и горячего воздуха как в попутном, так и во встречном направлениях.
На вертикальной напели стола закреплены: оборудование, приборы и составные части, образующие два контура циркуляции воды -горячий (контур нагреваемой воды) и холодный.
Работа установки.
Устройство работает следующим образом. Горячий контур замкнутый, с подогревом воды в электронагревателе 9 и принудительной циркуляцией насосом 10. Холодный контур - для проточной холодной воды. Подогретая вода замкнутого горячего контура и холодная вода должны проходить через водяной пластинчатый теплообменник 11, где происходит теплопередача. Процесс теплопередачи контролируют тепловыми датчиками 23.
На панели образуются два контура циркуляции воды. Контур для циркуляции горячей воды является замкнутым. Насос 10 прокачивает эту воду через электронагреватель 9, расходомер 12, пластинчатый теплообменник 11 и вновь через электронагреватель 9. Для предупреждения превышения давления в контуре выше допускаемого электронагревателем 9, на нем установлен предохранительный клапан 14, настроенный на давление 8 бар. Для удаления воздуха при заправке контура водой служит воздухоотводчик 15. Контур заправляется водой через заливную трубу 16.
Контур для циркуляции холодной воды действует от водопроводной сети. Вода из водопровода через шланг 17, расходомер 12 и коллектор 19 проходит через пластинчатый теплообменник 11, где нагревается от контакта с горячей водой. После выхода из пластинчатого теплообменника 11 вода через коллектор 20, задвижку 21 и шланг 18 сливается в канализацию. Задвижка 21 служит для регулирования расхода холодной воды. Переключая краны на коллекторах 19 и 20, можно менять направление потока холодной воды в пластинчатом теплообменнике 11. Теплообменник на подставке (фиг. 3) позволяет продемонстрировать теплообмен между горячим и холодным воздушными потоками через разделяющую их тонкую стенку. Переустанавливая фены 25 и 26 и включая потоки холодного и горячего воздуха в наружной 27 и внутренней трубах 28, можно получить условия теплопередачи от внутренней трубы 28 к наружной 27 и наоборот при движении холодного и горячего воздуха как в попутном, так и во встречном направлениях. Устанавливая анемометр цифровой Testo 405-V1 на пути холодного и горячего воздушных потоков, можно контролировать их скорость и температуру. Фены подключаются к электророзетке переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц установленной в помещении.
Для контроля за процессом теплопередачи служат четыре термодатчика 23, сигналы от которых через кабель сбора данных и аналого-цифровой преобразователь 5 передается на компьютер. Для контроля температуры и скорости воздушного потока в теплообменнике используется анемометр цифровой Testo 405-V1 из комплекта инструмента и принадлежностей (таблица 6), который устанавливают в одно из специальных отверстий на патрубках наружной трубы 27 и на концах внутренней трубы 28. В качестве счетчика расхода жидкости установлен прибор, обеспечивающий на выходе создание электрических импульсов, обеспечивающих согласование с блоком аналогово-цифровых преобразователей программы Lab View.
Стенд, может быть снабжен двумя счетчиками расхода холодной и горячей воды торговой марки «Саяны» ИВКА 407323 ПС с электронным выходным сигналом.
Блок аналогово-цифровых преобразователей программы Lab View размещен на втором столе, со стороны наиболее близкой к первому столу.
Электрооборудование.
Питание электрооборудования осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц.
Электрооборудование включает в себя пусковую, сигнальную и регулирующую аппаратуру, электронагреватель 9 и насос 10 повысительный, а также кабель сбора данных для передачи сигналов от тепловых датчиков к аналого-цифровому преобразователю 5 с возможностью вывода данных на экран компьютера.
Установка имеет сетевой кабель длиной 6 метров с вилкой для подключения к электросети помещения.
Схема электрическая принципиальная и соединений представлена на фиг. 4. Она служит для изучения процессов теплопередачи в пластинчатом теплообменнике между горячим и холодным контуром циркуляции воды При включении автоматического выключателя 30, расположенного на вертикальной панели установки, загорается лампочка индикатора 33 питания «СЕТЬ».
пр
При включении питания термодатчиков 42, 43, 44 и 45 выключателем 35 «U», выключатель начнет светиться.
Поворачивая ручку регулятора электронагревателя 9 в положение максимального нагрева - начнет светиться индикатор на нем в течение времени работы ТЭНа. После нагрева воды до максимальной температуры +75°C происходит автоматическое отключение ТЭНов и индикатор погаснет.
При включении насос для циркуляции воды в контуре горячей воды выключателем 34 «НАСОС» - выключатель начнет светиться.
Наблюдая на расходомере горячей воды, вращение зеркальной звездочки. Если она не вращается, значит, контур заполнен водой не полностью. В этом случае насос 10 необходимо выключить и добавить в контур воды.
Сразу после нагрева и циркуляции воды к контуре, закрутить на месте колпачок воздухоотводчика 15.
В случае попадания в контур воздуха (возможно при несвоевременном закручивании колпачка и остывании воды в контуре) необходимо снова подогреть воду и насосом 10 ее проциркулировать. При этом зеркальная звездочка на расходомере должна вращаться. После этого сразу накрутить колпачок на воздухоотводчик 15.
Инструкция по проведению эксперимента.
Запустить специальную программу на подключенном к установке компьютере.
Параллельно проведению «ручного» эксперимента, включаем ПК, выводим программу Lab View, создаем на мониторе виртуальный эскиз измерительных приборов (тепловых датчиков, подключенных к пластинчатому теплообменнику, виртуально расходомеру жидкости). В соответствии с методикой эксперимента задаем с клавиатуры показания тепловых датчиков в градусах. По окончании эксперимента даем команду на построение графика зависимостей температуры от расхода жидкости. На экран компьютера будет выводиться температура воды в первом и во втором контурах до теплообменника и после него. Виртуальная схема установки, например изучения теплообменных процессов в пластинчатом теплообменнике, представлена на фиг. 3.
Для измерения температуры холодной и горячей воды на входе/выходе из теплообменного аппарата в установке используются хромель-капелевые термопары ТП-1, ТП-2, ТП-3, ТП-4. Термопары подключаются к автоматическому электронному потенциометру лабораторная установка посредством кабеля и АЦП соединяется с ПК и через виртуальную модель производится «считывание» необходимых параметров (фиг. 5).
На экран компьютера будет выводиться температура воды в первом и во втором контурах до теплообменника и после него. Нумерация датчиков температуры на установке соответствует нумерации на экране компьютера.
С помощью стендового автоматизированного лабораторного комплекса для изучения процессов теплопередачи с измерениями и обработкой результатов в программной среде Lab View проводятся и другие лабораторные работы, методика которых изложена в методическом пособии: Семенова Е.В., Киреев Д.В., Третьяк П.В., Корячкин В.П., Ванин B.C. Использование среды графического программирования Lab VIEW для лабораторных стендов. Кафедра «Машины и аппараты пищевых производств». ОрелГТУ, г. Орел, 2007.
При включенном насосе установить необходимый расход холодной воды задвижкой 21. На экран компьютера будет выводиться температура воды в обоих контурах циркуляции на входе в пластинчатый теплообменник и на выходе из него. Нумерация датчиков температуры на панели стола соответствует нумерации на экране компьютера.
По окончании работы необходимо:
- перекрыть подаваемую в контур холодную воду;
- полностью перекрыть задвижку 21;
- отключить специальную программу на компьютере;
пр
- отключить питание термодатчиков выключателем «U»;
- отключить электронагреватель, повернув ручку регулятора в положение «МИНИМУМ»;
- отключить насос выключателем «НАСОС» на панели стола;
- отключить вилку питания установки от розетки.
При необходимости можно слить воду из обоих контуров циркуляции воды и электронагревателя (производить при отключенном электропитании электронагревателя и установки).
Для слива из контура холодной воды направить сливной и подводящий шланги в канализацию и полностью открыть задвижку 21.
Для слива из контура циркуляции горячей воды необходимо
- убедиться, что на двух трехходовых кранах 22 слив перекрыт
- отсоединить электронагреватель от трубопровода;
- установить под кранами емкости приблизительно на 1,5 литра;
- открутить заглушки на кранах;
- начать плавно открывать краны и постепенно сливать воду
После слива воды, закрыть краны 22 и открутить заглушку заливной трубы 16 для сообщения контура с атмосферой. Снова открыть краны 22 и окончательно слить воду из верхней части контура.
Для слива воды из электронагревателя необходимо:
- обложить его подводящий и отводящий патрубки тканью впитывающей воду;
- открутить гайки накидные и отсоединить подводящую арматуру, при этом небольшое количество воды выльется на ткань;
- аккуратно снять электронагреватель с крюков, закрепленных на панели стола, перевернуть его и слить воду в емкость не менее 10 л;
- установить электронагреватель на место;
- завернуть заглушки на трехходовых кранах 22 и трубе заливной 16.
2. Проведение исследования тепловых процессов на теплообменнике на подставке.
Для проведения исследования необходимо:
- установить теплообменник на подставке в любом удобном месте или на столе установки;
- установить с помощью хомутов фен на один из патрубков наружной трубы 27 (см. фиг. 3), второй фен - на один из концов внутренней трубы 28. Включая поток холодного или горячего воздуха, можно получить теплообмен от потока воздуха во внутренней трубе к потоку воздуха в наружной трубе и наоборот, как во встречном, так и попутном направлениях потока.
Для измерения температуры и скорости воздушного потока как в наружной, так и во внутренней трубах, применяется анемометр цифровой Testo 405-V1 из комплекта принадлежностей. (таблица 6), который устанавливается в одно из специальных отверстий на патрубках наружной трубы 28 и на концах внутренней трубы 29. (п. 2)
Средства измерения, инструмент и принадлежности
В качестве измерительных приборов в установке применены
- расходомер СВ-15Х;
- расходомер СВ-15Г;
- анемометр цифровой Testo 405-V1.
Принцип работы расходомера СВ-15Х состоит в измерении числа оборотов крыльчатки, вращающейся под действием потока протекающей воды. Расходомер имеет специальный входной фильтр, после прохождения, через который холодная вода попадает в измерительную камеру с крыльчаткой. Затем вода проходит в выходной патрубок. По количеству оборотов крыльчатки определяется протекающий через расходомер объем холодной воды, который переводится, в кубические метры встроенным внутрь масштабирующим механическим редуктором. Стрелка индикаторного устройства регистрирует все данные расходомера.
Технические характеристики:
- диаметр условного прохода: 15 мм;
3
- номинальный расход: 1,5 м/ч;
- температура измеряемой среды от +5°C до +40°C;
- давление измеряемой среды: не более 1,0 МПа;
- тип счетчика: крыльчатый.
Анемометр цифровой Testo 405-V1 - миниатюрный прибор для измерения скорости и температуры потока с функцией расчета объемного расхода (площадь сечения вводится в память прибора). Конструкцией прибора предусмотрены различные положения зонда и поворотного дисплея, позволяющие одновременно считывать показания и следить за направлением воздушного потока. Датчик скорости защищен поворотным колпачком, который открывают только в процессе измерения. Прибор снабжен держателем для крепления в трубе.
Технические характеристики анемометра цифрового Testo 405-V1 приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Технические характеристики анемометра цифрового Testo 405-V1
Наименование параметра
Значение параметра
Диапазон измерений
0,1…10 м/с
-20…50°C
0…99990 м<sup>3</sup>/ч
Погрешность
±(0,1 м/с ±5% от измеряемого значения)
(0,1…2,00 м/с)
±(0,3 м/с ±5% от измеряемого значения)
(2,01…10 м/с)
±0.5°C (-20…50°C)
Разрешение
0,01 м/с (0,1…10м/с)
0,1°C (-20…50°C)
Рабочая температура
0…50°C
Температура хранения
-20…70°C