ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ
LABORATORY APPARATUS FOR THERMODYNAMICS

Изобретение относится к установкам для проведения учебных занятий по разделу «Влажный воздух» дисциплин «Техническая термодинамика» и «Теплотехника».
Известен смеситель потока воздуха в учебной установке, изготовленный в виде дисков с отверстиями в центре, причем между дисками напротив отверстий установлены диски меньшего диаметра (Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С.Теплопередача. Учебник для вузов. - М.: «Энергия», 1975, раздел 6-2, стр.170).
Недостатком известного смесителя потока является протяженность его вдоль потока, что может привести к изменению температуры потока за счет теплообмена, а также малая эффективность перемешивания потока перед измерением температуры, что приводит к уменьшению точности определения температуры потока и к увеличению погрешности опытов.
Известна лабораторная установка по термодинамике, принятая в качестве прототипа, содержащая теплоизолированный корпус в виде вертикально установленной трубы с клапаном в выходном сечении корпуса, установленный в нижней части корпуса электронагреватель, соединенный с автотрансформатором и ваттметром, увлажнитель воздуха, расположенный в средней части корпуса, смесители потока, установленные над электронагревателем и над увлажнителем, и термопары, установленные в нижней и верхней частях корпуса над смесителями потока, причем смесители потока выполнены в виде сегментных пластин, которые закреплены противоположно по ходу потока (патент РФ №2126175 С1, дата подачи 18.12.1996, дата публикации 10.02.1999, авторы Енютина Т.А., Иванов А.В., Шалаев И.М., RU, прототип).
Недостатком прототипа является низкая эффективность работы установки в связи с малой площадью контакта между электронагревателем и потоком воздуха, поступающим снизу в установку и обтекающим поверхность электронагревателя. При этом слои воздуха движутся параллельно снизу вверх, практически не перемешиваясь, а смесители потока, представляющие собой сегменты, закрепленные противоположно по ходу потока, не обеспечивают в достаточной степени перемешивание слоев воздуха в связи с поступательным характером их перемещения, что приводит к недостаточной точности измерения температуры воздуха.
Задачей изобретения является повышение точности измерения температуры потока воздуха и создание эффективной лабораторной установки по термодинамике для изучения процессов нагревания и увлажнения воздуха.
Для решения поставленной задачи в лабораторной установке по термодинамике, содержащей теплоизолированный корпус в виде вертикально установленной трубы с клапаном в выходном сечении корпуса, установленный в нижней части корпуса электронагреватель, соединенный с автотрансформатором и ваттметром, увлажнитель воздуха, расположенный в средней части корпуса, смесители потока, установленные над электронагревателем и над увлажнителем, и термопары, установленные в нижней и верхней частях корпуса над смесителями потока, согласно изобретению смеситель потока образован двумя дисками, расположенными друг над другом и разрезанными на спиралеобразные полосы с возможностью разворачивания их в спираль в противоположные стороны при повышении температуры, при этом диски выполнены из материала с памятью формы, в качестве которого применен никелид титана, и жестко прикреплены к стенкам корпуса.
Выполнение смесителей потока в виде двух плоских дисков из материала с памятью формы - никелида титана (нитинола), разрезанных на спиралеобразные полосы и прикрепленных жестко к стенкам корпуса, способствует эффективному перемешиванию потока воздуха, что позволяет увеличить точность измерения температуры потока воздуха. Поднимающийся нагретый воздух проходит через нижнюю спиралеобразную полосу, развернутую вниз под действием температуры, и приобретает поступательно-вращательное движение, а затем проходит через верхнюю спиралеобразную полосу, развернутую вверх, что приводит к дополнительному закручиванию и перемешиванию потока воздуха.
На фиг.1 схематично изображена заявляемая лабораторная установка по термодинамике, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 изображен смеситель в рабочем положении.
Лабораторная установка по термодинамике содержит следующие элементы: корпус 1, электронагреватель 2, автотрансформатор 3, ваттметр 4, увлажнитель 5, емкость для воды 6 с краном 7, сосуд для сбора воды 8, смесители потока 9 и 10, установленные соответственно над электронагревателем 2 и над увлажнителем 5, тепловую изоляцию 11, сосуд с водой 12, клапан 13 со стрелкой 14 и шкалу 15. Установка снабжена также тремя термопарами, подсоединенными к потенциометру. Термопара 1 служит для измерения температуры нагретого воздуха и установлена над смесителем 9. Термопары II и III измеряют соответственно температуру увлажненного воздуха при использовании сухого и мокрого термометра и установлены над смесителем 10, при этом для термопары III предназначен сосуд с водой 12.
Корпус 1 выполнен из трубы круглого сечения и установлен вертикально на опорах 16. Электронагреватель 2 установлен в нижней части корпуса 1 вдоль его оси и представляет собой стержень из изоляционного материала, на который намотана нихромовая проволока. Мощность нагревателя регулируется автотрансформатором 3 и измеряется ваттметром 4. Увлажнитель 5 изготовлен в виде рамки, обтянутой хлопчатобумажной тканью и установлен в средней части корпуса. Вода поступает из сосуда 6 по гибкой трубке, расход воды регулируется краном 7. Избыток влаги стекает в емкость 8.
На внешней поверхности корпуса нанесена тепловая изоляция 11 из минеральной ваты для того, чтобы предотвратить потери теплоты в окружающую среду. Одновременно это дает возможность повысить точность измерения температуры и обеспечивает условия адиабатного увлажнения воздуха.
Каждый из смесителей 9 или 10 выполнен в виде двух плоских дисков из материала с памятью формы никелида титана (нитинола), разрезанных на спиралеобразные полосы, которые при повышении температуры разворачиваются в противоположные стороны. При этом смесители 9 и 10 жестко прикреплены к стенкам корпуса. В выходном сечении трубы установлены клапан 13 со стрелкой 14 и шкалой 15, предназначенные для измерения расхода потока.
Установка работает следующим образом. Открывают кран 7, и вода из сосуда 6 поступает в верхнюю часть рамки, увлажняя ткань. Излишки влаги стекают по гибким трубам в емкость 8. Затем включают электронагреватель 2 и с помощью автотрансформатора 3 устанавливают определенную величину мощности. Нагревающиеся слои воздуха перемещаются вверх. При поступлении снизу нагретого потока с температурой выше 25°С спиралеобразные полосы смесителя 9 начинают разворачиваться (фиг.3). Поднимающийся воздух проходит через нижнюю спиралеобразную полосу, развернутую вниз, и приобретает поступательно-вращательное движение, а затем проходит через верхнюю спиралеобразную полосу, развернутую вверх, что приводит к дополнительному закручиванию и перемешиванию потока воздуха. С помощью термопары 1 производится измерение температуры потока нагретого воздуха. Далее поток обтекает ткань увлажнителя 5 и проходит через смеситель 10, который также разворачивается, как и смеситель 9 (фиг.3). Термопары II и III позволяют найти параметры увлажненного воздуха. Выходящий из корпуса 1 поток приподнимает клапан 13, и стрелка 14 на шкале 15 показывает величину расхода. После завершения опыта смесители потока 9 и 10, выполненные из материала с памятью формы, охлаждаются, и спираль вновь возвращается в исходное состояние диска.
Применение указанных смесителей потока позволяет увеличить точность измерения температуры потока воздуха.
Опытная лабораторная установка по термодинамике со смесителями потока, выполненными в виде двух плоских дисков, разрезанных на спиралеобразные полосы из материала с памятью формы - никелида титана (нитинола) и прикрепленных жестко к стенкам корпуса, изготовлена на кафедре «Инженерные системы зданий и сооружений» инженерно-строительного института Сибирского федерального университета. Опыт показал, что использование данных смесителей потоков привело к уменьшению погрешности измерения температуры и повышению точности измерения на 1,2-1,4%.