ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ
THERMODYNAMICS LABORATORY DEVICES

Изобретение относится к установкам для проведения учебных занятий по разделу «Влажный воздух» дисциплин «Техническая термодинамика» и «Теплотехника».
Известна учебная установка для проведения лабораторных работ по технической термодинамике, содержащая циркуляционный контур, включающий компрессор и объединенные U-образным кожухом элементы: испаритель, дроссельное устройство, конденсатор и измерительные устройства, причем испаритель расположен на входе в нисходящий канал, а конденсатор - на входе в восходящий канал, при этом движение воздуха в кожухе происходит за счет свободной конвекции (патент РФ №2058048 С1, дата приоритета 03.03.1992, дата публикации 10.04.1996, авторы Федюкович А.К., Видин Ю.В. и др., RU).
Недостатком известной установки является ограниченное использование для изучения процессов во влажном воздухе в связи с отсутствием устройства для увлажнения воздуха.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является 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, выполненные в виде сегментных пластин и установленные над электронагревателем и над увлажнителем, и термопары, установленные в нижней и верхней частях корпуса над смесителями 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 неэффективным процессом нагревания воздуха. Это обусловлено малой площадью контакта между электронагревателем и потоком воздуха, поступающим снизу в установку и обтекающим поверхность электронагревателя. Слои воздуха при этом движутся параллельно снизу вверх, практически не перемешиваясь, с чем и связана низкая эффективность процесса нагревания воздуха.
Задачей изобретения является повышение эффективности процесса нагревания воздуха и тем самым создание эффективной лабораторной установки по термодинамике для изучения процессов нагревания и увлажнения воздуха.
Для решения поставленной задачи в лабораторной установке по термодинамике, содержащей корпус с тепловой изоляцией, установленный в нижней части корпуса электронагреватель, соединенный с автотрансформатором и ваттметром, увлажнитель, 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, нижняя торцевая часть корпуса снабжена двумя тангенциально установленными патрубками круглого сечения с входным отверстием для обеспечения закручивания потока, а в качестве смесителей потока в корпусе применены диски с отверстием и патрубком в центре, над которым установлен колпачок, закрытый сверху и имеющий боковые окна для выхода воздуха.
Лабораторная установка по термодинамике представлена на фигурах:
фиг.1 - общий вид установки;
фиг.2 - вид установки снизу, вид А;
фиг.3 - узел I смесителя воздуха.
Лабораторная установка по термодинамике содержит стеклянный корпус 1, установленный вертикально. В нижней части корпуса установлен электронагреватель 2 с автотрансформатором 3 и ваттметром 4. В средней части корпуса установлен увлажнитель 5, соединенный трубками со стоком 6 и краном 7 с емкостью для воды 8. В корпусе над электронагревателем 2 и над увлажнителем 5 установлены смесители потока, выполненные в виде дисков 9, 10 с отверстиями и патрубками в центре, над которыми установлены колпачки 9а и 10а, закрытые сверху и имеющие боковые окна для выхода воздуха, позволяющие равномерно и эффективно перемешивать воздушный поток перед измерением температуры. Снаружи на корпус 1 нанесена тепловая изоляция 11. Термопара I, установленная в нижней части корпуса над смесителем потока 9, служит для измерения температуры нагретого воздуха, а термопары II и III, установленные в верхней части корпуса над смесителем потока 10, измеряют соответственно температуру увлажненного воздуха при использовании сухого и мокрого термометра. Нижняя торцевая часть корпуса 1 снабжена двумя тангенциально установленными патрубками 12 круглого сечения с входным отверстием для создания тангенциального входа потока воздуха в установку, обеспечивающими закручивания потока и его поступательно-вращательное движение, при котором возрастает эффективность теплообмена между потоком и поверхностью электронагревателя.
Электронагреватель 2 установлен по оси корпуса 1 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. Вода поступает из емкости для воды 8 по гибкой трубке, расход воды регулируется краном 7, избыток влаги стекает через сток 6. Измерение скорости потока воздуха на выходе из установки производится электронным анемометром (условно не показан).
На внешней поверхности корпуса 1 нанесена тепловая изоляция 11 из минеральной ваты, чтобы предотвратить потери теплоты в окружающую среду. Одновременно это дает возможность повысить точность измерения температуры и обеспечивает условия адиабатного увлажнения воздуха.
Лабораторная установка по термодинамике работает следующим образом:
Открывают кран 7, и вода из емкости для воды 8 поступает в верхнюю часть увлажнителя 5, увлажняя ткань. Излишки влаги стекают по гибкой трубке в сток 6. Затем включают электронагреватель 2, и с помощью автотрансформатора 3 устанавливают определенную величину мощности. Патрубки 12, расположенные в нижнем торце корпуса, обеспечивают тангенциальный вход потока воздуха в установку и его закручивание. В результате поток воздуха приобретает поступательно-вращательное движение. При этом возрастает эффективность теплообмена между потоком и поверхностью электронагревателя. Нагревающиеся слои воздуха перемещаются вверх и дополнительно перемешиваются с помощью смесителей потока 9, 10. Температура воздуха после смесителя потока 9 измеряется термопарой I. Термопары II и III позволяют определить параметры увлажненного воздуха после смесителя потока 10.
Технико-экономические показатели заявляемой лабораторной установки:
В инженерно-строительном институте на кафедре выполнен опытный образец данной установки. Установка характеризуется повышенной эффективностью процесса нагревания воздуха за счет повышения площади контакта между электронагревателем и потоком воздуха, поступающего снизу в установку и обтекающего поверхность электронагревателя. Это обеспечивается за счет выполнения нижней торцевой части корпуса в виде тангенциально расположенных патрубков для создания тангенциального входа потока воздуха в установку, что обеспечивает эффективное закручивание потока, увеличивает время нахождения потока воздуха вблизи поверхности электронагревателя и, тем самым, способствует улучшению теплоотдачи и более эффективной работе всей установки. При этом возрастает эффективность теплообмена между потоком и поверхностью электронагревателя. К тому же, эффективные смесители потока, установленные в корпусе, способствуют слоям воздуха дополнительно перемешиваться перед измерением температуры.
Таким образом, преимущество заявленной лабораторной установки по сравнению с прототипом заключается в более эффективной работе установки за счет создания поступательно-вращательного перемещения потока, обусловленного двумя тангенциальными патрубками, за счет повышенной эффективности процесса нагрева воздуха вследствие увеличения площади контакта между электронагревателем и потоком воздуха, поступающим снизу в установку и обтекающим поверхность электронагревателя, а также, за счет более эффективного перемешивания потока перед измерением температурных параметров.