ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ПО ТЕПЛОМАССООБМЕНУ

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к лабораторной установке по тепломасообмену, предназначенной для одновременной фиксации значений изменения массы и температуры при исследовании влажных нагретых сыпучих материалов, выделяющих пар.
Известна установка для исследования процессов тепломассообмена в дисперсных материалах, содержащая установленные в теплоизолированном кожухе термостатируемые емкости с патрубками входа и выхода термостатированной жидкости, металлическую теплообменную плиту, влагоизолированные кассеты с исследуемым материалом, сыпучий насадок, кювету с водным раствором солей, причем при исследовании процессов тепломассообмена выявляют закономерности перераспределения влаги в материале по изменению влагосодержания слоев материала с последующим расчетом коэффициента термовлагообмена (Авторское свидетельство СССР №1522007 SU, дата приоритета 18.09.1988, дата публикации 15.11.1989, авторы: Абрамец A.M. и др., RU).
Недостатком известного аналога является высокая трудоемкость исследования, а также ограниченная область использования из-за недостаточной точности при расчете коэффициента термовлагообмена по результатам изменения влагосодержания слоев материала, определяемого методом термостатной сушки.
В качестве прототипа принята экспериментальная установка, содержащая весы и термометр для фиксации изменения массы и температуры испытываемого материала, используемые в известной методике исследования сыпучих паровыделяющих материалов, по которой металлическую емкость с герметично закрывающейся крышкой, в которую насыпан материал массой 400-500 г, имеющий определенную влажность, нагревают в сушильном шкафу до необходимой температуры, после нагревания емкость с открытой крышкой помещают на платформу весов и устанавливают в ней термометр с заглублением в материал не более 5 мм, далее через определенные временные отсечки фиксируют изменение температуры и массы материала и производят обработку результатов эксперимента с целью определения, коэффициента массообмена, который используется при расчете вредности в виде влаговыделений при проектировании систем вентиляции (Шумилов Р.Н., Данилюк В.А., Филенко А.Д. Испарение влаги зернистыми материалами. - В кн.: Вентиляция и очистка воздуха, вып.5, М: Недра, 1969, с. 127-134, прототип).
Недостатком прототипа является низкая эффективность методики из-за нестыковки измерительного оборудования и отсутствия единой лабораторной установки для проведения исследований, так как весы и термометр не связаны между собой, что не позволяет в процессе эксперимента фиксировать значения изменения температуры и массы одновременно для сведения к минимуму погрешностей при фиксации данных и, тем самым, отрицательно влияет на точность последующих расчетов. Кроме того, проведение исследований по известной методике не исключает роль человеческого фактора, который также увеличивает вероятность ошибки.
Задачей полезной модели является создание единой лабораторной установки по тепломассообмену и повышение ее эффективности путем обеспечения возможности одновременной фиксации значений массы и температуры во время эксперимента и повышения при этом точности последующих расчетов коэффициента массообмена на основе данных эксперимента.
Для решения поставленной задачи предложена лабораторная установка по тепломассообмену, содержащая емкость с испытываемым нагретым сыпучим паровыделяющим материалом, весы для установки емкости и средство измерения температуры материала в емкости. Согласно полезной модели, установка снабжена системой автоматического управления при измерении температуры и массы испытываемого материала, с возможностью фиксации изменения значений температуры и массы одновременно, при этом установка дополнительно содержит пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор с подключенной к нему термопарой для измерения температуры материала в емкости, установленной на электронных весах с USB-кабелем, связанных с ПИД-регулятором при помощи автоматического преобразователя интерфейсов измеряемых параметров, который также электрически связан с ПИД-регулятором и соединен USB-кабелем с персональным компьютером с возможностью одновременной фиксации значений массы и температуры и передачи их на компьютер, а в линию, связывающую автоматический преобразователь интерфейсов с ПИД-регулятором, электрически встроен оконечный резистор.
На чертеже представлена функциональная схема лабораторной установки по тепломассообмену, которая содержит следующие известные элементы:
1 - универсальный двухканальный программный ПИД-регулятор «ОВЕН ТРМ -151», имеющий диапазон измерения температуры от - 50 до +200°C и точность измерения, равную 0,01°C (http://www.owen.ru/catalog/universal_nij_dvuhkanal_nij_programmnij_pid_regulyator_ove_n_trm151/opisanie, дата просмотра 08.06.2016);
2 - термопара «ТПК -011»;
3 - электронные весы «L - микро», имеющие наибольший предел взвешивания 1 кг, дискретность 0,01 г и предел допускаемой погрешности 0,015 г (http://l-microrus.ru/catalog/291/2692/, дата просмотра 08.06.2016);
4 - автоматический преобразователь интерфейсов «USB/RS - 485 ОВЕН АС4» (http://www.owen.ru/catalog/avtomaticheskii_preobrazovatel_interfejsov_usb_rs_485_owen_as4/opisanie, дата просмотра 08.06.2016);
5 - компьютер;
ок
6 - оконечный резистор R 120 Ом.
Согласно составу элементов функциональной схемы и их связи между собой, полезная модель представляет собой единую лабораторную установку по тепломассообмену для исследований, объединяющую весы и термометр, а также компьютер, что дает возможность одновременной фиксации изменения значений массы и температуры и передачи значений на компьютер.
Установка работает следующим образом. Включают универсальный двухканальный программный ПИД-регулятор «ОВЕН ТРМ - 151» 1, который соединен с автоматическим преобразователем интерфейсов «USB/RS - 485 ОВЕН АС4» 4 при помощи USB-кабеля. Одновременно с этим включают электронные весы «L - микро» 3, которые также соединены с автоматическим преобразователем интерфейсов «USB/RS - 485 ОВЕН АС4» 4 при помощи USB-кабеля. На площадку весов 3 помещают измеряемый объект в виде металлической емкости с влажным нагретым материалом. На поверхность материала помещается термопара 2, подключенная к универсальному двухканальному программному ПИД - регулятору «ОВЕН ТРМ - 151» 1, и через определенные временные отсечки начинается фиксация значений изменения температуры и массы. Поскольку ПИД-регулятор 1 и весы 3 соединены USB-кабелями с автоматическим преобразователем интерфейсов 4, это дает возможность фиксировать данные изменения температуры и массы в процессе эксперимента взаимосвязанно. Лабораторная установка оснащена оконечным резистором 6 для согласования с линией компьютера 5, что дает возможность передавать на него зафиксированные значения температуры и массы, а также упростить процесс обработки результатов эксперимента, которые могут использоваться для точного расчета влаговыделений от поверхности влажных нагретых материалов, способствующих выделению водяных паров в помещениях, при проектировании систем вентиляции.
Преимущество заявляемой лабораторной установки по сравнению с прототипом заключается в том, что ее использование позволяет избежать неточностей при фиксации значений параметров тепломассообмена в процессе эксперимента, а, следовательно, избежать больших погрешностей при обработке результатов, а также свести к минимуму человеческий фактор при проведении исследований.
Лабораторная установка по тепломассообмену изготовлена на кафедре «Инженерные системы зданий и сооружений» ИСИ СФУ и показала следующие преимущества: упрощает экспериментальные исследования влажных нагретых материалов, выделяющих пар, повышает точность зафиксированных результатов в процессе эксперимента.
Заявляемая лабораторная установка по тепломассообмену может быть использована для исследования сыпучих паровыделяющих материалов, а также для учебных целей, а именно для проведения лабораторных работ по дисциплине «Тепломассообмен».