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».
Известна лабораторная установка по термодинамике, 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).
Недостатком известной лабораторной установки является низкая ее эффективность, обусловленная, во-первых, ограниченной областью исследований, связанных с процессами увлажнения и нагревания воздуха, и невозможностью осуществления процесса охлаждения воздуха, во-вторых, низкой эффективностью нагревания воздуха, так как 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.
Известна лабораторная установка для изучения процессов охлаждения и осушки влажного воздуха, принятая в качестве прототипа, содержащая опытный участок, выполненный в виде стеклянной трубки, установленной вертикально в кювете, заполненной водой со льдом, по высоте стеклянной трубки выполнены два суживающихся сечения для смешения потока, увлажнение воздуха перед установкой осуществляется паром из реторты, установленной на электронагревателе, движение воздуха осуществляется сверху вниз (патент РФ №2243025 С2, дата подачи 06.02.2003, дата публикации 20.08.2004, авторы Енютина Т.А. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа является невозможность отвода воды (конденсата), что вызывает определенные неудобства при выполнении лабораторной работы. Кроме того, на установке нельзя провести процесс нагревания воздуха.
Задачей изобретения является создание установки повышенной эффективности для комплексного изучения процессов охлаждения, осушки и нагревания влажного воздуха с отводом конденсата пара, содержащегося в воздухе.
Для решения поставленной задачи в лабораторной установке по термодинамике, содержащей опытный участок в виде стеклянной трубки, установленной вертикально в кювете, заполненной водой со льдом, колбу с водой, электронагреватель, смесители потока и термопары, согласно изобретению, опытный участок выполнен в виде U-образной стеклянной трубки, снабженной тремя смесителями потока и имеющей два участка, в первом участке в верхней части трубки установлен смеситель потока, изготовленный в виде диска с отверстием в средней части, за которым смонтированы термопары для измерения температур сухого и «мокрого» термометров, а ниже установлена кювета, заполненная смесью воды и льда, второй участок снабжен расположенным в нижней части трубки вторым смесителем потока в виде диска с отверстием в средней части, сухой и «мокрой» термопарами, расположенными над упомянутым смесителем, электронагревателем, связанным с ЛАТРом и ваттметром соответственно для регулирования и измерения мощности, смесителем выходящего потока, расположенным над электронагревателем, и термопарой для измерения температуры выходящего потока, при этом смеситель выходящего потока выполнен из двух дисков с диаметрально вытянутыми отверстиями, жестко соединенных в центре осью из материала с памятью формы никелида титана (нитинола), выполненной с возможностью поворота вместе с верхним диском и совмещения диаметрально вытянутых отверстий в дисках в рабочем положении, причем нижний диск жестко закреплен во втором участке трубки, в нижней части U-образной стеклянной трубки установлен гидрозатвор и сосуд для отвода конденсата.
Установка характеризуется повышенной эффективностью процессов охлаждения, осушки и нагревания воздуха, движение потока осуществляется за счет свободной конвекции, поэтому не требуется вентилятор. Отвод конденсата улучшает условия проведения лабораторных занятий на установке. Смеситель потока с осью из никелида титана (нитинола) позволяет добиться лучшего перемешивания слоев воздуха.
Лабораторная установка по термодинамике представлена на чертежах, где:
фиг.1 - схема установки;
фиг.2 - узел установки смесителя выходящего потока, узел А на фиг.1;
фиг.3а - вид сверху на нижний диск смесителя выходящего потока;
фиг.3б - вид сверху на верхний диск смесителя выходящего потока в нерабочем положении;
фиг.4 - изучаемые процессы в n,d - диаграмме.
Лабораторная установка по термодинамике содержит опытный участок, который изготовлен из стеклянной U-образной трубки 1, установленной вертикально и имеющей два участка: I и II. В верхней части участка I установлен смеситель потока 2, изготовленный в виде диска с отверстием в средней части. Для определения параметров воздуха, поступающего в установку, смонтированы термопары 3 и 4, предназначенные для измерения температур сухого и «мокрого» термометров. На внешней поверхности участка I установлена кювета 5, заполненная смесью воды со льдом для охлаждения потока воздуха. В нижней части U-образной трубки 1 расположен гидрозатвор 6 с сосудом 7 для сбора конденсата, образующегося при охлаждении водяного пара. Соприкасаясь с холодными стенками, воздух охлаждается и перемещается вниз, а водяной пар конденсируется, и конденсат стекает в нижнюю часть U-образной трубки, откуда через гидрозатвор 6 поступает в сосуд 7.
Далее в участке II воздух проходит через смеситель потока 8, изготовленный в виде диска с отверстием в средней части, после чего измеряются параметры потока с помощью сухой 9 и «мокрой» 10 термопар, установленных над смесителем потока 8. Далее на пути потока смонтирован электронагреватель 11, мощность которого регулируется ЛАТРом 12 и контролируется ваттметром 13. Нагретый воздух движется вверх и проходит через смеситель 14 выходящего потока, после которого параметры влажного воздуха измеряются термопарой 15. Смеситель 14 выходящего потока изготовлен из двух дисков 14а и 14б, жестко соединенных в центре осью 14в из никелида титана (нитинола). Каждый диск имеет диаметрально вытянутые отверстия 14 г, например, в количестве четырех отверстий, которые в нерабочем режиме не совпадают (фиг.3а и 3б). Нижний диск 14б закреплен в трубке 1 на участке II. Ось смесителя 14в выполнена из материала с памятью формы и при нагревании воздуха начинает вращательное движение вместе с верхним диском 14а, обеспечивая совмещение отверстий 14г в дисках для прохождения потока воздуха через смеситель 14 и интенсивного перемешивания за счет вытянутых узких отверстий 14г. Для увлажнения воздуха, поступающего в установку, перед участком I установлена колба с водой 16.
Таким образом, движение воздуха на участке I нисходящее за счет охлаждения потока, на участке II - восходящее движение.
На фиг.4 в h, d - диаграмме - представлены изучаемые процессы: 1-а - охлаждение; а-б - осушка; б-2 - нагревание влажного воздуха до требуемых параметров.
Установка работает следующим образом. Перед проведением опыта вода в колбе 16 нагревается до кипения, и поток пара увлажняет воздух, поступающий в участок I. Кювета 5 заполняется водой со льдом. С помощью ЛАТРа 12 на электронагревателе 11 устанавливается заданная мощность, которая контролируется ваттметром 13. Увлажненный воздух на участке I проходит через смеситель потока 2, после которого измеряются параметры термопарами 3 и 4. Затем воздух охлаждается, в результате чего выделяется влага в виде конденсата, который стекает через гидрозатвор 6 в сосуд 7. На участке II поток перемешивается за счет смесителя 8, затем измеряются его параметры термопарами 9 и 10. Далее поток нагревается за счет электронагревателя 11, движется вверх и проходит через смеситель 14 выходящего потока. Это обусловлено тем, что при нагревании воздуха ось смесителя 14в, выполненная из материала с памятью формы, начинает вращательное движение вместе с верхним диском 14а, при этом отверстия 14г в дисках совмещаются, поток воздуха проходит через смеситель 14. и интенсивно перемешивается, после чего термопарой 15 измеряется температура потока, выходящего из установки.
Запись параметров влажного воздуха производят при наступлении стационарного режима, который характеризуется постоянством показаний всех термопар.
Технико-экономические показатели установки:
В инженерно-строительном институте на кафедре «Инженерные системы зданий и сооружений» выполнен опытный образец данной установки. Установка характеризуется повышенной эффективностью процессов охлаждения, осушки и нагревания воздуха, движение потока осуществляется за счет свободной конвекции, поэтому не требуется вентилятор. Отвод конденсата улучшает условия проведения лабораторных занятий на установке. Смеситель потока с осью из никелида титана (нитинола) позволяет добиться лучшего перемешивания слоев воздуха за счет их турбулизации при прохождении потока через четыре узких отверстия.