УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ НАГРЕТЫМ ПОТОКОМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится устройствам, предназначенным для наглядных демонстраций и исследований влияния нагретой рабочей среды на опытные образцы, и может быть использована для проведения лабораторных работ и опытов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известна установка, содержащая встроенный в аэродинамический канал осевой вентилятор, включающий электропривод и рабочее колесо с лопатками, на поверхности которых наклеены отдельные полосы лакмусовой бумаги, а также устройство для ввода в поток, обдувающий рабочее колесо, раствора со щелочными или кислотными свойствами (SU 1328585, 21.10.1985).
Так же известна установка, содержащая рабочее колесо, установленное в прозрачном корпусе, электродвигатель, вал которого соединен с рабочим колесом, систему визуализации течения, состоящую из бака с красящей жидкостью и каналов для подвода красящей жидкости к рабочему колесу, пульт управления частотой вращения рабочего колеса, соединенного с электродвигателем, видеокамеру, отличающаяся тем, что установлена рама, выполненная в виде прямоугольника, в верхней части которой установлен расходный бак, при этом прозрачный корпус рабочего колеса выполнен в виде цилиндра, а поверхность исследуемого рабочего колеса дренирована отверстиями диаметром 1 мм, к которым из бака с красящей жидкостью по трубопроводам, расположенным вдоль вала вращения и во втулке рабочего колеса, подводится подкрашивающая жидкость, прозрачный корпус рабочего колеса установлен между двумя цилиндрами, диаметры которых соответствуют диаметру прозрачного корпуса рабочего колеса, видеокамера установлена на штативе, который закреплен на валу электродвигателя, расходный бак соединен с нижней частью нижнего цилиндра трубопроводом, содержащем расходомер, перекачивающий насос и фильтр (RU 125338, 07.11.2011).
Кроме того, из уровня техники известно устройство для определения параметров течения в компрессоре, содержащее малоинерционные датчики (3) давления и датчики (4, 5) частоты следования лопаток рабочего колеса компрессора, установленные над рабочим колесом (2) компрессора, насадки (6) для измерения пульсаций полного и статического давлений, установленные перед компрессором и за компрессором, блок (7) визуализации результатов измерения, блок (8) синхронного ввода и регистрации результатов измерения, блок (9) обработки результатов измерения, который включает блок (10) определения мгновенных изолиний статического давления в каждом межлопаточном канале периферийного сечения рабочего колеса компрессора, блок (11) обработки мгновенных значений амплитуд сигналов датчиков частоты следования лопаток, блок (12) определения пульсаций приведенной скорости потока, блок (13) построения изолиний полного и статического давления, блок (14) частотного анализа пульсаций давления, блок (15) определения осредненных значений давления, скорости, амплитуд сигналов датчиков частоты следования лопаток, и блок (16) визуализации результатов обработки, при этом насадки (6) для измерения пульсаций полного и статического давлений соединены с блоком (8) синхронного ввода и регистрации результатов измерения, который соединен с блоком (9) обработки результатов измерения, и все блоки соединены с блоком (16) визуализации результатов обработки, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит насадок (17) для измерения пульсаций полного и статического давлений, установленный за рабочим колесом, устройства (18) для измерения пульсаций температуры, установленные за рабочим колесом, перед компрессором и за компрессором, блок (19) вторичной обработки пульсаций температуры, блок (20) определения скорости потока в абсолютном движении, блок (21) определения мгновенных значений коэффициента полезного действия (КПД), при этом насадок (17) для измерения пульсаций полного и статического давлений и устройства (18) для измерения пульсаций температуры соединены с блоком (7) визуализации результатов измерения, блоком (8) синхронного ввода и регистрации результатов измерения и через блок (9) обработки результатов измерения с блоком (16) визуализации результатов обработки, при этом блок (8) синхронного ввода и регистрации результатов измерения через блок (19) вторичной обработки пульсаций температуры соединен с блоком (20) определения скорости потока в абсолютном движении и блоком (21) определения мгновенных значений коэффициента полезного действия (КПД), причем блок (20) определения скорости потока в абсолютном движении соединен с блоком (12) определения пульсаций приведенной скорости потока, а блок (21) определения мгновенных значений коэффициента полезного действия (КПД) соединен с блоком (16) визуализации результатов обработки (RU 2309390, 18.04.2006).
Недостатком известных решений является сложность конструкции и отсутствие возможности наглядных демонстраций и исследований влияния рабочей среды на опытные образцы.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническая проблема, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в предоставлении новой установки с упрощенной конструкции и улучшенной визуализацией и четкостью получения данных.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, заключается в повышении визуализации процессов при демонстрации влияния обтекания нагретой рабочей среды исследуемого объекта и исследовании аэродинамики профилей с одновременным повышением четкости получения данных при фотограмметрических и иных оптико-физических методах.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата предлагается установка для исследования обтекания тел нагретым потоком, содержащая корпус, имеющий входной участок, первый переходной измерительный участок, содержащий термоанемометр, нагревательные элементы, содержащие трансформатор и вольтметр, поворотный участок, содержащий смотровое окно, успокоительный участок, рабочий участок, выполненный с возможностью размещения в нем опытного образца, второй переходной измерительный участок, содержащий термопару с мультиметром, центробежный вентилятор, соединенный с частотным преобразователем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Полезная модель поясняется чертежами. Чертежи представлены в объеме, достаточном для понимания полезной модели специалистами, и ни в какой мере не ограничивают объема полезной модели. На чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
На Фиг. 1 изображен общий вид установки.
ОПИСАНИЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В настоящее время современная теплоэнергетика достигла небывалых высот в вопросах достижения максимального коэффициента полезного действия (КПД) теплоэлектростанций (ТЭС) без потерь в их надежности. Однако все еще актуален вопрос эффективного использования оставшейся внутренней энергии рабочего тела - так называемого низкопотенциального тепла. В современной энергетической практике существуют примеры успешного использования остатков энергии, но зачастую они связаны с использованием в тракте рабочего тела различных газодинамических устройств сложной геометрии, например хонейкомбов, поворотных лопаток, газодинамических уплотнений и т.д.
Известно, что в мелкосерийном производстве использование аддитивных технологий значительно снижают стоимость изделий со сложной формой [3, 4]. Однако полимерные материалы, используемые в 3D-печати, обладают более низкой по сравнению с металлами теплостойкостью и имеют температуры плавления до 400°С-500°С. Данное свойство пластиков говорит о невозможности их использования в большей части узлов ТЭС, но позволяет исследовать вопрос о применимости полимерных материалов на участках с низкопотенциальным теплом. На данном уровне развития аддитивного производства производитель филамента предоставляет некоторые физические характеристики своего продукта, но большинство из них относятся к механическим параметрам (таблица 1). С точки зрения теплофизических характеристик пластика известными являются только температуры плавления и рабочая температура (температура размягчения изделия), полученные статическим нагревом образцов в печи.
Ниже в Таблице 1 приведены диапазоны температур эксплуатации различных материалов для 3D-печати.
Ввиду вышеописанных причин создается необходимость изучения поведения изделий из того или иного полимера при их обтекании нагретым потоком. Например, существует задача нахождения предельных температур, при которых материал начинает размягчаться, геометрия изделия изменяется и становится непригодной для ее дальнейшего использования.
Заявленная установка, как показано на Фиг. 1, содержит корпус, выполненный с возможностью электрического подключения ко внешнему источнику электроэнергии, и выполненный композитным из разных материалов, при этом материал выполнения конкретного участка корпуса, определяется техническим назначением участка, так в качестве материала материала может использоваться металл, полимеры, органическое стекло.
Так корпус содержит входной участок 1, через который поступает рабочая среда, которая является воздухом, и который спрофилирован таким образом, чтобы достигался наиболее равномерный поток рабочей среды.
Кроме того, корпус содержит первый переходной измерительный участок 2, служащий для получения первых измерительных данных, при этом первый переходной измерительный участок 2 содержит термоанемометр.
Также корпус содержит нагревательные элементы 3 и 4, служащие для нагрева рабочей среды. При этом первый нагревательный элемент 3 выполнен в виде оребренных трубок, а второй нагревательный элемент 4 выполнен в виде электрических элементов, закрученных по спирали. Данные нагревательные элементы 3 и 4 потребляют мощность из электрической сети и позволяют подводить к рабочему телу мощность теплового потока до 10 кВт. При этом нагревательные элементы 3 и 4 содержат трансформатор и вольтметр для регулирования мощности и замера напряжения.
Кроме того, корпус содержит поворотный участок 5, выполненный с возможностью наблюдения за влиянием нагретой рабочей среды на опытные образцы через содержащееся смотровое окно 6.
Также корпус содержит успокоительный участок 7, переходящий в рабочий участок 8, который для обеспечения лучшей визуализации рабочих процессов выполнен прозрачным, в предпочтительном варианте осуществления из оргстекла. Кроме того, рабочий участок 8 выполнен с возможностью размещения в нем опытного образца при помощи фланца 9.
В качестве опытных образцов использовались хонейкомбы с квадратной ячейкой, которые размещаются в рабочем участке. Ввиду наибольшей распространенности, в качестве используемого материала был выбран полилактид (PLA).
Корпус также содержит второй переходной измерительный участок 10, служащий для получения вторых измерительных данных, при этом второй переходной измерительный участок 10 содержит термопару с мультиметром.
Более того, корпус содержит центробежный вентилятор 11, соединенный с частотным преобразователем. Центробежный вентилятор 11 служит для формирования потока рабочей среды.
Кроме того, корпус установки выполнен с возможностью электронного соединения с дополнительным оборудованием, которым может быть видеокамера и/или персональный компьютер, при этом видеокамера направленна в смотровое окно 6 поворотного канала 5.
Таким образом, работа установки осуществляется следующим образом, корпус установки подключается к внешнему источнику электроэнергии, после чего запускается центробежный вентилятор 11, закачивающий рабочую среду через входной участок 1, далее проходя через первый переходной измерительный участок 2, в котором считываются первые данные, рабочая среда попадает на нагревательные элементы 3 и 4, которые осуществляют ее нагрев, далее через поворотный участок 5 и успокоительный участок 7 нагретая рабочая среда, попадает в рабочий участок 8 и оказывает воздействие на опытный образец, установленный в канале при помощи фланца 9, далее рабочая среда попадает во второй переходной измерительный участок 10, в котором считываются вторые данные.
Ниже приведены варианты проделанных испытаний.
Испытание 1.
Испытание проводилось путем постепенного нагрева рабочей среды, с осуществлением попытки соблюдения стационарного режима обтекания опытного образца, выполненного из полилактида. Для этого температура рабочей среды, согласно приведенной выше характеристике, повышалась и фиксировалась в течение 10 мин. Состояние хонейкомба и его ячеек фиксировалось посредством видеокамеры только после того, как температура рабочей среды приходила в стационарное состояние и ее изменения были незначительным.
В результате было получено, что изменение состояния опытного образца из полилактида начинается при пересечении температурой набегающего потока значения в 77°С.
Испытание 2.
Также было проведено долговременное испытание, которое заключалось в обтекании рабочей средой с температурой 140°С опытного образца из полилактида в течение 100 мин. По итогу данного эксперимента значительных деформаций или разрушения спрямляющей сетки зафиксировано не было.
Важно отметить, что полученные значения температуры значительно превышают рабочие температуры, указанные производителем, что свидетельствует о необходимости проведения дополнительных испытаний материала при его применении для газодинамических задач с повышенной температурой рабочего тела. Наблюдаемые явления позволяют предположить, что использование хонейкомбов на участках ТЭЦ с низкопотенциальным теплом может быть возможно. Данная задача требует дальнейшего более детального изучения поведения опытных образцов, изготовленных из различных, в том числе из так называемых высокотемпературных, материалов, применяемых для 3D-печати.