Устройство для создания воздушного потока

Полезная модель относится к области теплотехники, в частности средствам и оборудованию, обеспечивающим исследования в области теплообмена конструкций в воздушной среде, к технологии создания воздушных потоков с заданным расходом и автоматическим регулированием температуры этого потока.
Во многих задачах теплотехники возникает проблема получения воздушного потока заданного расхода и температуры. Особенно эта задача актуальна в процессах теплообмена при наличии конвективных систем охлаждения или нагрева, например, при исследовании эффективной теплопроводности теплоизоляции в лабораторных условиях, моделирующих условия в салоне самолета (имитация системы кондиционирования воздуха). Другой пример - поддержание внешних граничных условий с определенной температурой при сушке или склейки материалов (например, приклейка термопары на исследуемую поверхность) и др. В этом случае система должна создавать воздушный поток с автоматическим поддержанием или регулированием температуры этого потока.
Важной задачей при создании установок для исследования теплопередачи в теплоизоляции, является возможность создания устройства для измерения и регулирования температуры и скорости воздушного потока, подаваемого в установку, имитирующую салон самолета и обеспечение высокой точности измерения температуры материалов с низким коэффициентом теплопроводности и плотностей тепловых потоков, проходящих через них.
В настоящее время существуют приборы, позволяющие получать воздушные потоки с заданным расходом без регулирования температуры и приборы с постоянным расходом и подогревом (типа вентиляторов или воздухоподогревателей) или отдельно подогреватели.
Например, при создании любых типов самолетов, необходимо подбирать теплоизоляцию как кабины, так и салона с учетом требований комфортности, экономичности, веса, продолжительности полета и граничных условий, возникающих при этом. Эта задача может быть решена путем экспериментального исследования характеристик теплоизоляции конструкции, причем решающую роль играет выбор теплоизоляционного материала путем определения эффективной теплопроводности в лабораторных условиях.
Известен электрокалорифер (патент RU №56988, МПК F24H 3/02, 2006 г.), содержащий корпус в виде цилиндрической трубы с открытыми концами, электродвигатель, вентилятор с лопастями, смонтированный внутри корпуса у одного из его концов, и электронагревательные элементы в виде плоских спиралей, расположенные в нескольких поперечных сечениях в зазоре между корпусом и стабилизатором воздушного потока в виде параллельных потоку пластин.
Известен воздухоподогреватель (а.с. SU №620755, МПК F24H 3/04, 1975 г.), содержащий кожух с размещенным в нем трубчатым нагревателем, установленным в соосно расположенной корпусу обечайке с отверстиями для прохода воздуха, и вентилятор с электродвигателем.
Недостатками этих аналогов являются высокое аэродинамическое сопротивление нагревателей в виде спиралей (как плоских, так и трубчатых), низкая эксплуатационная надежность (температура раскаленных спиралей достигает 1000°С), высокая тепловая инерционность из-за достаточно массивных излучателей и быстрое остывание их при обдуве набегающим воздушным потоком, отсутствие возможности безынерционного измерения температуры и скорости потока, а также регулирование этих параметров.
Известно устройство для нагрева воздуха (патент RU №2342605, МПК F24H 3/04, 2008 г.), содержащее металлический корпус, в передней и задней стенках которого выполнены отверстия, в корпусе размещены блок подачи воздуха (в него входит электродвигатель с крыльчаткой и формирователь воздушного потока), нагревательный блок с разнесенными по периферии корпуса нагревательными элементами, уложенными специальным образом, чтобы освободить центральное пространство для размещения электродвигателя, который установлен задним торцом к задней стенке корпуса, а крыльчатка и формирователь воздушного потока располагается у передней стенки.
Таким образом, основными недостатками устройства являются:
1) Отсутствие измерителя температуры.
2) Отсутствие возможности измерить скорость и расход воздушного потока.
3) Отсутствует возможность программного регулирования задания граничных условий теплообмена третьего рода.
4) Недостаточная защита от перегрева электродвигателя и наличие открытых спиралей излучателей, которые могут окисляться и поглощать кислород.
5) Невозможность получить воздушный поток с более низкой температурой, чем температура окружающей среды.
Известен стенд для имитации тепловых режимов (патент RU №88147 U1, МПК G01M 9/00, 27.10.2009, фигура, с. 5, строка 24 - с. 6, строка 27) для создания воздушного потока, содержащий корпус, блок подачи воздуха с вентилятором и электродвигателем, установленными на входе в корпус, нагреватель и расположенный в корпусе коллектор (вытяжной канал), причем на выходе воздуха из корпуса размещены датчики температуры и скорости воздушного потока, блок управления, соединенный на выходе с блоком подачи воздуха и нагревателем с возможностью управления подачей воздуха и его нагрева в зависимости от сигнала датчиков.
Недостатки
1. Установка датчика скорости потока в зоне нагревательной системы приводит к тому, что этот датчик измеряет «свою» температуру, а не температуру воздушного потока, т.к. на него воздействуют (излучают) все окружающие тела.
2. Поэтому в прототипе ничего не говорится о точности измерения температуры, а, например, для расчета теплофизических характеристик материалов необходимо точное измерение температуры создаваемого воздушного потока.
3. Наличие коллектора в виде трубы с прорезанными щелями, расположенной сверху над испытываемыми агрегатами приводит к сугубо неравномерному обтеканию изделий создаваемым воздушным потоком, причем с непонятным ламинарном или турбулентном обтеканием.
4. Поэтому имитация конвективного теплообмена (или моделирование аэродинамического нагрева) с расчетом температур в каждой точке по показаниям датчиков в приводимом прототипе носит очень приближенный характер.
5. В прототипе в пределах камеры производится имитация тепловых режимов на нескольких объектах сразу (и это положительный фактор с точки с точки зрения экономии средств и производительности), однако возможное переизлучение лучистого потока от блоков нагревательной системы 1 и 2 могут негативно сказаться на качестве воспроизводимых режимов и управление по нескольким каналам может быть неустойчивым и зависимым от соседних нагревательных блоков.
Задачей и техническим результатом настоящей полезной модели являются: создание устройства, обеспечивающего получение воздушного потока с возможностью регулирования его скорости и температуры в заданном диапазоне параметров с заданной точностью.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в устройстве для создания воздушного потока заданного расхода и температуры, содержащем корпус, выполненные с возможностью соединения с выходом блока управления нагреватель и блок подачи воздуха с вентилятором и электродвигателем, установленными на входе в корпус, расположенный в корпусе коллектор и размещенные на выходе воздуха из корпуса датчики температуры и скорости воздушного потока, выполненные с возможностью соединения с входом блока управления, корпус выполнен в виде трубы, имеющей изгиб под углом 90°, обеспечивающим защиту датчика температуры, установленного в корпусе, от прямого излучения от нагревателя.
Коллектор выполнен в виде набора колец с пластинчатыми ребрами, жестко соединенными с пустотелым трубчатым змеевиком, служащим теплообменником для подогрева или охлаждения проходящего воздушного потока. Датчик температуры выполнен в виде термопары, установленной поперек корпуса в кварцевой трубке, с покрытием из алюминия, и расположенной вдоль оси корпуса на теплоизолированных подвесках, а перед датчиком скорости расположен выравнивающий по сечению скорость воздушного потока металлический рассекатель с отверстиями разного диаметра.
Полезная модель поясняется следующими фигурами:
на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства;
на фиг. 2 дан разрез датчика температуры;
на фиг. 3 приведен пример использования устройства для исследования эффективной теплопроводности материала;
на фиг. 4 показано распределение температур на внешней и внутренней обшивке салона самолета.
Полезная модель (фиг. 1) представляет собой устройство, содержащее корпус 1, который выполнен в виде трубы, имеющей изгиб под углом 90°, обеспечивающий защиту датчика температуры, установленного в корпусе, от прямого излучения от нагревателя. Труба выбрана определенного диаметра (например, диаметром 50×3 мм длиной 400 мм), на входе корпуса установлен вентилятор 2 с электродвигателем, за ним располагается кварцевый нагреватель 3 (например, типа КИ-220-1000) с коллектором 4 (теплообменником) для подогрева или охлаждения проходящего воздуха и выравнивания воздушного потока. Использование в качестве корпуса 1 трубы позволяет сразу сформировать воздушный поток определенной скорости, который в последующем проходит через нагреватель 3 с коллектором 4, расположенный по оси трубы. Коллектор 4 (теплообменник) выполнен в виде набора кольцевых насадок (колец) с пластинчатыми ребрами, располагаемыми вдоль инфракрасного кварцевого нагревателя. Последние жестко соединены с полым змеевиком 5, расположенным по внутреннему диаметру корпуса.
Подача напряжения обеспечена от источника питания 6, расположенного на любом расстоянии от устройства. Для получения температуры воздушного потока с температурой ниже температуры окружающей среды в полый змеевик 5 подается азотная смесь пониженной температуры (до 250-280К). На выходе из корпуса 1 размещен на расстоянии не менее 5 диаметров трубы перед датчиком скорости 7 выравнивающий по сечению скорость воздушного потока металлический рассекатель 8 с отверстиями разного диаметра, за ним датчик скорости воздушного потока 7 и датчик 9 температуры воздушного потока, проходящего через него.
Показания от этих датчиков поступают в блок управления 13, задающий нужные значения температуры и скорости воздушного потока.
воз
воз
т
Особенностью данной полезной модели является разработанный и установленный в воздушном потоке датчик температуры 9 для точного измерения температуры воздуха (фиг. 2). Он расположен в той части трубы 1, куда не попадает инфракрасное излучение от кварцевого нагревателя 3 (фиг. 1). Термопара 10 типа ХА (хромель-алюмель) диаметром 0,2 мм установлена в кварцевой трубке 11, изолированной от внешних теплопритоков покрытием из алюминия, перпендикулярно к струе воздушного потока, причем сама кварцевая трубка 11 изолирована от корпуса 1 с помощью изоляторов 12 (фиг. 2). Погрешность измерения температуры подогретого до Т=303К воздуха даже при скорости V=1 м/с и температуре остывшей кварцевой трубки Т=250К будет составлять не более 0,47К, т.е. не более 0,9%.
Скорость воздушного потока определяется по тарировке вентилятора 2 в зависимости от силы тока, который к нему подводится. Сигналы обратной связи от термопары 10 и вентилятора 2 поступают в блок управления 13 системы автоматического управления, в котором формируются управляющие сигналы на нагреватель и электродвигатель вентилятора устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
После подачи напряжения на блок управления 13 (фиг. 1) задают программу температуры и скорости воздушного потока. От блока управления 13 подается сигнал на подачу электрической мощности на электродвигатель вентилятора 2 устройства и инфракрасный кварцевый нагреватель 3, снабженный коллектором 4 для выравнивания и эффективного нагревания воздушного потока. Для случая получения температуры воздушного потока с более низкой температурой, чем температура окружающей среды, в змеевик 5 подается от внешнего источника газообразный азот с температурой (250-280К). Блоком управления 13 с помощью нагревателя 3 устанавливается задаваемая температура воздушного потока.
Скорость воздушного потока определяется по тарировке вентилятора 2 в зависимости от силы тока, который к нему подводится.
Сигналы обратной связи от термопары 10 и (датчика скорости воздушного потока 7) вентилятора 2 поступают в блок управления 13 системы автоматического управления, в котором формируются управляющие сигналы на нагреватель 3 и вентилятор устройства 2. Показания термопары 10 и (датчика скорости воздушного потока) обратной связи поступают в блок управления 13, и с его помощью выполняется или поддерживается заданная температура воздушного потока. Одновременно с этим блок управления 13 с помощью вентилятора 2 поддерживает заданную скорость и, значит, расход воздушного потока. Скорость воздушного потока регистрируют датчиком 7 скорости воздушного потока, который установлен по оси на стенке в отогнутой части трубы (∅ 50 мм) в центральной части корпуса 1.
Полезная модель может быть использована:
1. для определения эффективной теплопроводности теплоизоляционных материалов, в том числе волокнистых;
2. при конвективном теплообмене в конструкциях для экспериментальной проверки теплоизоляции, а также в случаях, требующих поддержание заданного расхода воздуха и температуры.
воз
воз
т
Работоспособность устройства для создания воздушного потока была подтверждена при исследовании эффективной теплопроводности теплоизоляции салона пассажирского самолета (фиг. 3). В центральной части установки, имитирующей салон, снизу установлено устройство для создания воздушного потока, выполненное в соответствии предлагаемой полезной моделью, которое позволяет в процессе испытаний поддерживать заданную температуру в салоне Т=+22°С. Боковые стенки установки выполнены из установленных на самолете пакетов теплоизоляции и обшивки, эффективность теплоизоляции которой необходимо определить. Слева и справа от нее установлены боксы, в которых создаются условия, имитирующие внешние условия обтекания обшивки при полете самолета (Т=-60°С). Точное выполнение граничных услови(я)й на теплоизоляции позволяет определить эффективную теплопроводность и рассчитать расход и температуру воздуха в системе кондиционирования самолета. Погрешность измерения температуры подогретого до Т=303К воздуха, (как было сказано выше), даже при скорости V=1 м/с и температуре остывшей кварцевой трубки Т=250К будет составлять не более 0,47К, т.е. не более 0,9%. На (фиг. 4) показано распределение температур на внешней и внутренней обшивке салона самолета, а также температуры воздуха в салоне. По результатам эксперимента видно, как хорошо выдерживается заданная температура салона и ее величина.
Предлагаемая полезная модель позволяет обеспечить получение воздушного потока с задаваемой скоростью и температурой, изменять его во времени по заранее заданной программе.