ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД

Полезная модель относится к учебно-лабораторному оборудованию по дисциплинам: гидравлика (механика жидкости и газа); техническая гидромеханика; гидрогазодинамика; гидроаэромеханика; гидравлика и аэродинамика; техническая механика жидкости; гидравлика и гидравлические машины; гидравлика и гидропневмоавтоматика; гидравлика, гидрология и гидрометрия; гидравлика, водоснабжение и канализация; гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод; гидравлика и гидропневмосистемы; гидродинамика и основы тепломассообмена; основы тепломассообмена; процессы и аппараты и др.
Данное устройство предназначено для наглядной учебной демонстрации и выявления закономерностей при лабораторных исследованиях:
- второго и третьего свойств гидростатического давления;
- избыточного и вакуумметрического давлений;
- приборов для измерения давления;
- единиц измерения давления;
- закона Паскаля.
Из существующего уровня техники известен стенд ″Гидростатика - ГС″ для измерения избыточного и вакуумметрического давления, определения различными способами силы гидростатического давления в точках покоящейся жидкости и плотности неизвестной жидкости, который выполнен из стола, имеющего горизонтальную установочную поверхность, на которой размещена насосная установка, обеспечивающая движение жидкости по магистрали, механических манометров для определения величины давления жидкости, к заднему краю горизонтальной установочной поверхности прикреплена вертикальная поверхность, на которой расположены пьезометры для визуального наблюдения перепадов давления в сечениях круглых труб, соединенных между собой последовательно, два жидкостных манометра U-образной формы установлены слева от стола для отображения давления регистрируемого манометрами в метрах столба жидкости [1].
Известен комплекс автоматизированный учебно-лабораторный для определения силы гидравлического давления с измерениями и обработкой результатов в программной среде Lab View, принятый в качестве прототипа. Комплекс включает два стола, один из которых имеет горизонтальную и вертикальную поверхности, на первой размещена насосная установка обеспечивающая подачу воды из питательного бака, установленного под горизонтальной поверхностью, в водонапорную магистраль, включающую горизонтальные трубчатые элементы и стеклянный резервуар, механических манометров определяющих давление на свободой поверхности жидкости в стеклянном резервуаре и сумму давлений на свободной поверхности и давления столба жидкости в стеклянном резервуаре, преобразователей давления для контрольного измерения давления в местах подключения манометров, слева от стеклянного резервуара установлен жидкостной манометр с автономным питательным баком для визуального отображения уровня столба жидкости при создании вакуума в стеклянном резервуаре, на вертикальной установочной поверхности размещена система управления и панель для снятия и обработки данных в электронной вычислительной машине, на втором двутумбовом столе размещен персональный компьютер, звуковые колонки и многоярусный блок аналого-цифровых преобразователей с программной средой Lab View [2].
Недостатками приведенных стендов является то, что они не оборудованы элементами позволяющими изучать второе и третье свойства гидростатического давления, закон Паскаля, а также то, что часть функциональных элементов стендов скрыта под их поверхностями, что не позволяет в процессе проведения исследований в полной мере представить весь технологический процесс работы стенда.
Задача полезной модели - объединение в одном универсальном лабораторном стенде ряда базовых лабораторных работ раздела гидростатика курса гидравлика (механика жидкости и газа) и курсам с эквивалентным наименованием, для визуализации законов гидростатики и свойств гидростатического давления, а также повышения наглядности проводимых лабораторных работ, визуальной и технической доступности элементов стенда.
Поставленная задача решается тем, что гидравлический универсальный лабораторный стенд состоит из рамы, столешницы из прозрачного материала, под столешницей на раме смонтирован питательный бак из прозрачного материала, в котором установлен насос, соединяющийся напорным трубопроводом, через обратный клапан, с нижней частью герметичного напорного бака, из прозрачного материала, установленного на столешнице; в нижней части напорного бака вмонтированы сливной трубопровод с нормально закрытым обратным клапаном, сообщающийся с питательным баком, и устройство для демонстрации второго свойства гидростатического давления, состоящее из четырех изогнутых трубок диаметром 3 мм, входные отверстия которых сходятся в одну общую точку из разных направлений, подключенных к пьезометрам, которые вынесены на пьезометрический щит, смонтированный за напорным баком вертикально на столешнице; на двух противоположных боковых стенках напорного бака выполнены отверстия, причем центры нижних отверстий совпадают, к отверстиям присоединены трубопроводы, по центру которых смонтированы тягонапоромеры, закрепленные на вертикальных щитах, установленных на столешнице, предназначенные для измерения избыточного и вакуумметрического давления в точках подключения, а в концах трубопроводов подключены пьезометры, вынесенные на пьезометрический щит, размещенный на столешнице; в крышку напорного бака вмонтирован переходник, к которому подключены шаровой кран, тягонапоромер, измеряющий избыточное и вакуумметрическое давление на свободной поверхности жидкости в напорном баке, и вентиль регулирующий подачу компрессором воздуха, который по гибкому шлангу через систему электромагнитных клапанов, направляется в напорный бак или из него для создания избыточного или вакуумметрического давления на свободной поверхности жидкости в нем; компрессор, система электромагнитных клапанов, а так же пульт управления компрессором, системой электромагнитных клапанов, насосом и нормально закрытым обратным клапаном размещены под столешницей.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен гидравлический универсальный лабораторный стенд, вид спереди; на фиг.2 - гидравлический универсальный лабораторный стенд, вид сверху.
Гидравлический универсальный лабораторный стенд состоит из рамы 1, на которой размещена столешница из прозрачного материала 2. Под столешницей 2 на раме 1 смонтирован питательный бак 3 из прозрачного материала, в котором установлен насос 4, соединяющийся напорным трубопроводом 5, через обратный клапан 6, с нижней частью герметичного напорного бака 7, выполненного из прозрачного материала и установленного на столешнице 2. В нижнюю часть герметичного напорного бака 7 вмонтированы сливной трубопровод 8 с нормально закрытым обратным клапаном 9, который сообщает напорный бак 7 с питательным баком 3, и устройство для демонстрации второго свойства гидростатического давления 10. Устройство 10 состоит из четырех изогнутых трубок 11 диаметром 3 мм, входные отверстия которых сходятся в одну общую точку из разных направлений, подключенных к пьезометрам 12, которые вынесены на пьезометрический щит 13, смонтированный вертикально на столешнице 2. На двух противоположных боковых стенках напорного бака 7 выполнены отверстия, причем центры нижних отверстий совпадают. К отверстиям присоединены трубопроводы 14, 15, 16, 17, по центру которых смонтированы тягонапоромеры 18, 19, 20, 21, закрепленные на вертикальных щитах 22, установленных на столешнице 2, и предназначенные для измерения избыточного и вакуумметрического давления в точках их подключения. В концах трубопроводов 14, 15, 16, 17 подключены пьезометры 23, вынесенные на пьезометрический щит 13. В крышку напорного бака 7 вмонтирован переходник 24, к которому подключены шаровой кран 25, тягонапоромер 26, измеряющий избыточное и вакуумметрическое давление на свободной поверхности жидкости в напорном баке 7, и вентиль 27. Вентиль 27 регулирует подачу компрессором 28 воздуха, который по гибкому шлангу 29 через систему электромагнитных клапанов 30, направляется в напорный бак 7 или из него для создания избыточного или вакуумметрического давления на свободной поверхности жидкости в нем. Под столешницей 2 размещены компрессор 28, система электромагнитных клапанов 30, пульт управления 31 насосом 4, компрессором 28, системой электромагнитных клапанов 30 и нормально закрытым обратным клапаном 9.
Перед проведением лабораторной работы питательный бак 3 наполняют жидкостью. Насосом 4 жидкость нагнетают из питательного бака 3 в напорный бак 7 по напорному трубопроводу 5 через обратный клапан 6, который препятствует обратному движению жидкости в питательный бак 3 при выключении насоса 4, до уровня требуемого условиями проведения лабораторной работы. При наполнении напорного бака 7 жидкость поступает в трубопроводы 14, 15, 16, 17, устройство 10 для демонстрации второго свойства гидростатического давления, а также пьезометры 12 и 23. В процессе нагнетания жидкости в напорный бак 7 вентиль 27 закрыт, а шаровой кран 25 открыт для поддержания на свободной поверхности жидкости в напорном баке 7 атмосферного давления.
При демонстрации второго и третьего свойств гидростатического давления в напорном баке 7 устанавливают требуемый условиями проведения лабораторной работы уровень жидкости. Жидкость, нагнетают в напорный бак 7 насосом 4 или сливают из напорного бака 7 по сливному трубопроводу 8 открыв нормально закрытый обратный клапан 9, при этом шаровой кран 25 открыт, а вентиль 27 закрыт. Согласно закону сообщающихся сосудов, уровни жидкости в пьезометрах 12 и 23, и напорном баке 7 будут равны.
Второе свойство гидростатического давления (гидростатическое давление в любой точке жидкости действует одинаково по всем направлениям) демонстрируют равные показания гидростатического давления пьезометров 12, независимо от направлений входных отверстий изогнутых трубок 11 диаметром 3 мм устройства 10, к которому они подключены.
Третье свойство гидростатического давления (гидростатическое давление в точке зависит только от ее координат в пространстве, т.е. p=f(x, y, z)) демонстрируют показания тягонапоромеров 18, 19, 20, 21, подключенных к трубопроводам 14, 15, 16, 17, отображающие различные значения избыточного гидростатического давления в точках их подключения, зависящие от глубин погружения рассматриваемых точек под уровень жидкости.
При выполнении лабораторной работы по изучению избыточного и вакуумметрического давлений вентиль 27 закрыт, шаровой кран 25 открыт. Жидкость нагнетают в напорный бак 7 насосом 4 или сливают из напорного бака 7 по сливному трубопроводу 8, открыв нормально закрытый обратный клапан 9.
Для демонстрации действия избыточного давления на свободной поверхности жидкости в напорном баке 7, закрывают шаровой кран 25, открывают вентиль 27, включают компрессор 28, который через систему электромагнитных клапанов 30 нагнетает воздух по гибкому шлангу 29 в напорный бак 7. Повышение давления воздуха на свободной поверхности жидкости в напорном баке 7 регистрируют тягонапоромером 26. При достижении заданного условиями проведения лабораторной работы значения избыточного давления закрывают вентиль 27 и выключают компрессор 28. Согласно закону сообщающихся сосудов, уровни жидкости в пьезометрах 12 и 23 равны. Тягонапоромеры 18, 19, 20, 21 регистрируют значения избыточного давления в точках их подключения равного сумме внешнего давления воздуха (на свободной поверхности жидкости) и давления от веса столба жидкости над точками их подключения. Разность уровней свободных поверхностей жидкости в пьезометрах 23 и напорном баке 7 представляет собой величину внешнего давления, в метрах водного столба, действующего на свободной поверхности жидкости в напорном баке 7. Равные показания пьезометров 12 и 23, имеющих различные координаты точек подключения в напорном баке 7 демонстрируют действие закона Паскаля (если жидкость находится в состоянии равновесия, то всякое изменение давления на любой внешней поверхности, возникающее от действия внешних сил, передается без изменения во все точки объема, занимаемого данной жидкостью).
При демонстрации вакуумметрического давления на свободной поверхности жидкости в напорном баке 7, закрывают шаровой кран 25, открывают вентиль 27, включают компрессор 28, который через систему электромагнитных клапанов 30 откачивает воздух из напорного бака 7 по гибкому шлангу 29. Величину вакуума на свободной поверхности жидкости в напорном баке 7 регистрируют тягонапоромером 26. При достижении требуемого условиями проведения лабораторной работы значения вакуумметрического давления вентиль 27 закрывают и компрессор 28 выключают. Снижение уровня жидкости в пьезометрах 12 и 23 относительно уровня жидкости в напорном баке 7 показывает действие вакуумметрического давления на свободной поверхности жидкости в напорном баке 7. Разность уровней свободных поверхностей жидкости в пьезометрах 23 и напорном баке 7 представляет собой величину вакуумметрического давления, в метрах водного столба, действующего на свободной поверхности жидкости в напорном баке 7.
Для создания на свободной поверхности жидкости в напорном баке 7 избыточного или вакуумметрического давления без применения компрессора 28, жидкость нагнетают в напорный бак 7 насосом 4 или сливают по трубопроводу 8 в питательный бак 3 при закрытом шаровом кране 25.
По окончании выполнения лабораторных работ жидкость сливают из напорного бака 7 в питательный бак 3. Для этого открывают шаровой кран 25, подают питание на нормально закрытый электромагнитный клапан 9, установленный на сливном трубопроводе 8, который при открытии обеспечивает слив жидкости под действием силы тяжести.
Источники информации:
1. Стенд ″Гидростатика″ ГС [Электронный ресурс] // ОАО РНПО ″РОСУЧПРИБОР″. - М., 2009. - Режим доступа: http://www.rosuchpribor.ru/russian/Prof2007/mehjidk/gs.html
2. Патент - 2383059 РФ, МПК G09B 23/12. Комплекс автоматизированный Учебно-лабораторный для определения силы гидравлического давления с измерениями и обработкой результатов в программной среде Lab View/ B.C. Ванин, В.А. Данилов, B.C. Бузуев; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ″Орловский государственный технический университет″ (ОрелГТУ). - №2008144418/28; Заяв. 10.11.2008; Опубл. 27.02.2010