ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА
LABORATORY APPARATUS

Лабораторная установка предназначена для проведения учебных занятий по дисциплинам «Техносферная безопасность», «Технологические процессы и загрязняющие выбросы», «Промышленная экология», «Охрана окружающей среды в теплотехнологиях» и позволяет выявить влияние расхода, температуры и влажности воздуха, поступающего в камеру сгорания, на состав продуктов сгорания, причем установка проста в изготовлении, дешевая, надежная в работе и эффективная.
Известна лабораторная установка для изучения процессов охлаждения и осушки влажного воздуха, содержащая опытный участок, выполненный в виде стеклянной трубки, установленной вертикально в кювете, заполненной водой со льдом, причем стеклянная трубка имеет два сужения, а ее выходной патрубок также выполнен суженным и размещен в отверстии днища кюветы, а также содержит реторту, установленную на электронагревателе для получения пара для увлажнения воздуха перед поступлением в опытный участок (Патент РФ №2243025 С2, дата приоритета 06.02.2003, дата публикации 27.12.2004, авторы: Енютина Т.А. и др., RU).
Недостатком известной лабораторной установки является ограниченная область использования, касающаяся дисциплин «Техническая термодинамика» и «Теплотехника», а также отсутствие устройства для регулирования расхода потока воздуха, необходимого для расширения сферы исследуемых процессов.
В качестве прототипа принята лабораторная установка по термодинамике, содержащая теплоизолированный корпус в виде вертикально установленной трубы, в которой смонтированы электронагреватель и увлажнитель, за нагревателем и увлажнителем установлены смесители потока, а в выходном сечении корпуса установлен клапан, предназначенный для измерения расхода потока, установка также содержит сосуды для воды, соединенные с увлажнителем, автотрансформатор и ваттметр, соединенные с электронагревателем (Патент РФ №2126175 С1, дата приоритета 18.12.1996, дата публикации 10.02.1999, авторы: Енютина Т.А. и др., RU, прототип).
Недостатками прототипа являются: низкая эффективность и ограниченная область использования, касающаяся дисциплины «Техническая термодинамика», обусловленные отсутствием устройства для регулирования расхода потока воздуха, необходимого для расширения сферы исследуемых процессов, в частности, для исследования влияния расхода, температуры и влажности воздуха, поступающего в камеру сгорания для сжигания твердого топлива, на состав продуктов сгорания.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание лабораторной установки, позволяющей исследовать влияние расхода потока, температуры и влажности воздуха, поступающего в камеру сгорания, на состав продуктов сгорания, причем, установка должна быть простой в изготовлении и обслуживании при проведении учебных занятий, дешевой и эффективной.
Для решения технической проблемы предложена лабораторная установка, содержащая теплоизолированный вертикально установленный трубчатый корпус, в котором смонтированы электронагреватель и увлажнитель, над каждым из которых расположены смесители потока и установлены термопары для контроля температуры потока воздуха, причем к электронагревателю подключены автотрансформатор и ваттметр для регулирования и измерения мощности, а увлажнитель соединен с емкостью для воды с краном и емкостью для сбора воды. Новым является то, что лабораторная установка дополнительно содержит камеру сгорания с тиглем для навески твердого топлива, снабженную наружной теплоизоляцией, входным и выходным патрубками, и соединенную с упомянутым трубчатым корпусом с помощью муфтового соединения с уплотнителем, при этом трубчатый корпус выполнен в виде стеклянной трубки с двумя сужениями, являющимися смесителями потока, расположенными над электронагревателем и над увлажнителем, и с изогнутым выходным участком, соединенным с входным патрубком камеры сгорания, кроме того, корпус дополнительно содержит во входном патрубке клапан для регулирования расхода потока воздуха, поступающего в установку, а в выходном патрубке камеры сгорания установлена термопара для измерения температуры уходящих газов.
Согласно изобретению, входной патрубок и тигель камеры сгорания установлены с наклоном по отношению к вертикально установленному трубчатому корпусу, при этом поверхность тигля образована из поперечных к направлению потока газов желобов, имеющих форму, близкую к параболическому цилиндру, и ограниченных с обеих сторон боковыми стенками.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично показан общий вид лабораторной установки с предпочтительным наклоненным расположением тигля и входного патрубка камеры сгорания.
Основными элементами заявляемой лабораторной установки являются вертикально установленный корпус 1 и камера сгорания 2.
Вертикально установленный корпус 1 выполнен в виде стеклянной трубки круглого сечения с входным патрубком 3. Во входном патрубке 3 корпуса 1 смонтирован клапан 4 для регулирования расхода потока воздуха, поступающего в установку. По оси корпуса установлен электронагреватель 5, представляющий собой стержень из изоляционного материала, на который намотана нихромовая проволока. Мощность электронагревателя регулируется автотрансформатором 6 и измеряется ваттметром 7. Температура воздуха в поперечном сечении потока различна - более низкая у стенки трубки и более высокая в центре потока. Поэтому перед измерением температуры слои воздуха необходимо перемешивать. Для этой цели в корпусе 1 выполнены два сужения 8, играющие роль смесителей потока, один из которых расположен за электронагревателем 5 по направлению потока. Выше установлен увлажнитель 9, выполненный в виде рамки, обтянутой хлопчатобумажной тканью. Вода поступает из сосуда 10 по гибкой трубке, расход воды регулируется краном 11. Избыток влаги стекает в емкость сбора воды 12. За увлажнителем расположено второе сужение 8. На внешней поверхности корпуса установлена тепловая изоляция 13, чтобы предотвратить потери теплоты в окружающую среду и повысить точность измерения температуры. Для определения температуры воздуха после электронагревателя 5 и после увлажнителя 9 служат термопары I и II. Обе термопары расположены за сужениями 8, играющими роль смесителей потока. Нагретый и затем увлажненный воздух поступает в камеру сгорания 2.
Камера сгорания 2 имеет форму прямоугольного параллелепипеда с двумя круглыми патрубками: входным 14 и выходным 15. Камера сгорания 2 выполнена из металла и имеет загрузочное окно 16, через которое в камеру сгорания 2 помещается тигель 17 с навеской твердого топлива. Выходной участок вертикального корпуса 1 и входной патрубок 14 камеры сгорания 2 соединяются с помощью простого муфтового соединения 18 с использованием уплотнителя типа фторопласта-4. Тигель 17 установлен в камере с положительным наклоном к оси корпуса 1, а его поверхность выполнена в виде поперечных к направлению потока газов желобов, имеющих форму, близкую к параболическому цилиндру, и ограниченных с обеих сторон боковыми стенками. Выполнение и установка тигля с наклоном позволяет увеличить поверхность горения топлива и дополнительно создать самотягу в газовом тракте. Выходной патрубок 15 камеры сгорания служит одновременно смесителем потока для уходящих газов, и в нем установлена термопара III для измерения температуры потока. Из объема проходящих через выходной патрубок 15 продуктов сгорания производится отбор проб для анализа состава уходящих газов с помощью измерительного прибора, например, хроматографа. Кроме того, при наличии в лаборатории электронного анемометра можно определять температуру и скорость выходящего потока, а, следовательно, и массовый расход потока газов. Все термопары подсоединяются к потенциометру.
Лабораторная установка работает следующим образом. Открывают кран 11, и вода из сосуда 10 поступает в верхнюю часть рамки, увлажняя ткань. Излишки влаги стекают по гибким трубкам в емкость 12. Затем включают электронагреватель 5 и с помощью автотрансформатора 6 устанавливают небольшую величину мощности, контролируя ее с помощью ваттметра 7. Нагревающиеся слои воздуха перемещаются вверх за счет свободной конвекции, проходя через смеситель 8. Требуемое значение температуры нагретого воздуха достигается с помощью автотрансформатора 6, величину мощности которого показывает ваттметр 7, и контролируется термопарой I. На температуру потока оказывает влияние и расход воздуха, который можно изменять с помощью клапана 4 для регулирования расхода воздуха, поступающего в установку. Далее нагретый поток обтекает ткань увлажнителя 9 и проходит через смеситель 8. Температура увлажненного воздуха определяется с помощью термопары II. Из вертикального корпуса 1 поток направляется в камеру сгорания 2 для поддержания процесса горения топлива. После того, как температура увлажненного воздуха достигнет практически постоянного значения, открывают загрузочное окно 16, и в камеру сгорания 2 устанавливают тигель 17 с навеской твердого топлива, причем топливо предварительно разжигают. Затем закрывают загрузочное окно 16 и проводят необходимые измерения. Температура уходящих газов измеряется с помощью термопары III. Из объема выходящих из патрубка 15 продуктов сгорания производится отбор проб для анализа состава уходящих газов с помощью измерительного прибора, например, хроматографа. Затем поток газов удаляется в вытяжку.
Преимущества лабораторной установки: 1) расход воздуха, поступающего в установку, легко регулируется клапаном; 2) значение температуры воздуха после электронагревателя можно изменять с помощью лабораторного автотрансформатора; 3) влажность воздуха, поступающего в камеру сгорания, регулируется изменением расхода воды на увлажнитель; 4) процесс увлажнения воздуха можно исключить при проведении опытов; 5) возможно исследование любого вида твердого топлива.
При этом лабораторная установка характеризуется простотой конструктивного исполнения, обслуживания и ремонта, быстрым выходом на режим и сменой режима. Поток воздуха движется за счет свободной конвекции, поэтому не требуется применение вентилятора. Смесители потока позволяют повысить точность измерения температуры. Для этой же цели служит и тепловая изоляция. Расход потока воздуха, протекающего через установку, можно изменять с помощью клапана, установленного во входном патрубке вертикального корпуса.
Таким образом, лабораторная установка позволяет выявить влияние расхода, температуры и влажности воздуха, поступающего в камеру сгорания, на состав продуктов сгорания топлива при минимальных затратах и с высокой эффективностью.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении эффективности лабораторной установки и расширении сферы исследуемых процессов.