Результат интеллектуальной деятельности: Лабораторная установка для исследования и моделирования теплообмена в теплоутилизационных аппаратах

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для исследования и моделирования процесса теплообмена, а именно тепловых процессов, протекающих между горячими дымовыми газами и воздухом в теплоутилизационных установках типа рекуператора.

Известна лабораторная установка по теплопередаче, включающая кожух с входным и выходным патрубками и размещенными внутри теплообменными элементами, электронагреватель с прибором измерения мощности и термопары, установленные во входном и выходном патрубках кожуха, а также на входе и выходе теплообменных элементов (см. патент РФ на полезную модель №65277, МПК (2006.01) G09B 23/16, опубл. 27.07.2007).

Недостатком такой лабораторной установки является отсутствие возможности определения достаточного количества теплофизических параметров потоков, необходимых для исследования и моделирования процесса теплообмена.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является установка для исследования работы теплообменного аппарата, включающая кожух с входным и выходным патрубками и размещенными внутри теплообменными элементами, термопары, установленные во входном и выходном патрубках кожуха, а также на входе и выходе теплообменных элементов, расходомер холодного потока и автоматизированную систему управления, соединенную каналами связи с термопарами и расходомером (см. авт. св. СССР №1695123, МПК⁵ F28F 27/00, опубл. 31.11.1991). В данной установке автоматизированная система управления представляет собой микропроцессорный комплекс с графопостроителем, который измеряет показания контролирующих приборов, а непосредственное регулирование расхода теплообменных потоков осуществляется вручную.

Недостатком прототипа является узкая функциональная возможность установки. Это связано, во-первых, с отсутствием возможности исследования различных режимов теплообмена, а именно теплообмена, протекающего в режиме прямотока или противотока, во-вторых, с особенностями используемой автоматизированной системы управления, которая не дает возможности исследования методов управления теплообменом. Данный недостаток исключает получение большого количества теплофизических параметров, необходимых для исследования и моделирования теплообмена.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей установки и увеличение количества определяемых теплофизических параметров, необходимых для исследования и моделирования теплообмена при различных режимах работы теплоутилизационных аппаратов.

Технический результат достигается тем, что лабораторная установка для исследования и моделирования теплообмена в теплоутилизационных аппаратах, включающая кожух с входным и выходным патрубками и размещенными внутри теплообменными элементами, термопары, установленные во входном и выходном патрубках кожуха, а также на входе и выходе теплообменных элементов, расходомер холодного потока и автоматизированную систему управления, соединенную каналами связи с термопарами и расходомером, согласно изобретению она дополнительно снабжена эмулятором печи с входным каналом и установленным внутри электронагревателем, причем эмулятор печи соединен с теплообменными элементами, расположенными рядами, с образованием каналов для прохода горячего потока, а на выходе теплообменных элементов установлено тягодутьевое устройство, при этом входной и выходной патрубки кожуха выполнены съемными с возможностью направления холодного потока по прямотоку или противотоку, а выходной патрубок кожуха соединен трубопроводом с входным каналом эмулятора печи с возможностью регулирования расхода теплового потока шиберами, установленными в выходном патрубке кожуха и соединительном трубопроводе, причем во входном канале эмулятора печи дополнительно установлен расходомер и термопара, при этом электронагреватель снабжен устройством регулирования мощности, а тягодутьевое устройство снабжено устройством регулирования частоты вращения двигателя, соединенными каналами связи с автоматизированной системой управления.

Автоматизированная система управления снабжена контроллером с устройствами ввода и вывода аналогового сигнала и вывода дискретного сигнала.

Кожух, его выходной канал и соединительный трубопровод снабжены тепловой изоляцией, при этом во входном патрубке кожуха установлен нагнетатель холодного потока, соединенный через магнитный пускатель с автоматизированной системой управления каналом связи.

Данная конструкция позволит расширить функциональные возможности установки, исследовать различные режимы теплообмена и увеличить количество определяемых теплофизических параметров, необходимых для исследования и моделирования теплообмена.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема лабораторной установки, подключенная в режиме противотока, на фиг. 2 - то же, в режиме прямотока.

Лабораторная установка включает кожух 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, размещенные внутри кожуха 1 теплообменные элементы 4, термопары 5, 6, 7 и 8, установленные во входном 2 и выходном 3 патрубках кожуха 1, а также на входе и выходе теплообменных элементов 4, расходомер холодного потока 9 и автоматизированную систему управления 10, соединенную каналами связи с термопарами 5-8 и расходомером 9. Установка дополнительно снабжена эмулятором печи 11 с входным каналом 12 и установленным внутри электронагревателем 13. Причем эмулятор печи 11 соединен с теплообменными элементами 4, расположенными рядами, с образованием каналов для прохода горячего потока. На выходе теплообменных элементов 4 установлено тягодутьевое устройство 14. Входной 2 и выходной 3 патрубки кожуха 1 выполнены съемными, с возможностью направления холодного потока по прямотоку или противотоку. Выходной патрубок 3 кожуха 1 соединен трубопроводом 15 с входным каналом 12 эмулятора печи 11 с возможностью регулирования расхода теплового потока шиберами 16 и 17, установленными в выходном патрубке 3 кожуха 1 и соединительном трубопроводе 15. Во входном канале 12 эмулятора печи 11 дополнительно установлен расходомер 18 и термопара 19. Электронагреватель 13 снабжен устройством регулирования мощности 20, а тягодутьевое устройство 14 снабжено устройством регулирования частоты вращения двигателя 21, соединенными каналами связи с автоматизированной системой управления 10.

Автоматизированная система управления 10 снабжена контроллером 22 с устройствами ввода аналоговых сигналов 23, вывода аналоговых сигналов 24 и вывода дискретных сигналов 25.

Кожух 1 и его выходной патрубок 3, а также соединительный трубопровод 15 снабжены тепловой изоляцией (не показана), при этом во входном патрубке 2 кожуха 1 установлен нагнетатель холодного потока 26, который соединен через магнитный пускатель 27 с автоматизированной системой управления 10 каналом связи.

Лабораторная установка работает следующим образом.

В эмулятор печи 11 через входной канал 12 поступает холодный поток, например воздух или газы, за счет создания разрежения тягодутьевым устройством 14. В эмуляторе печи 11 холодный поток нагревается с помощью электронагревателя 13. Затем горячий поток поступает в теплообменные элементы 4, в которых осуществляется процесс теплообмена. Одновременно во входной патрубок 2 поступает холодный поток, например воздух, за счет нагнетателя 26, который движется внутри кожуха 1 навстречу горячему потоку (фиг. 1) или в одном направлении с горячим потоком (фиг. 2). В результате теплообмена через стенку теплообменных элементов 4 холодный поток нагревается, а горячий поток охлаждается. При этом охлажденный поток выбрасывается в атмосферу через тягодутьевое устройство 14, а нагретый поток поступает в выходной патрубок 3, причем нагретый поток может быть в полном объеме выброшен в атмосферу, а может быть направлен полностью или частично через соединительный трубопровод 15 во входной канал 12. Перераспределение потоков осуществляют за счет регулирования сечения трубопровода 15 и выходного патрубка 3 шиберами 16 и 17. Использование соединительного трубопровода 15 позволяет исследовать теплообмен, имитирующий работу рекуператора промышленных печей, а выполнение входного 2 и выходного 3 патрубков съемными с возможностью перемены их местами позволяет исследовать теплообмен при противоточном или прямоточном движении потоков, что существенно расширяет функциональные возможности установки.

Измерение входных и выходных значений температур потоков осуществляют с помощью термопар 5-8, а смешанного потока во входном канале 12 с помощью термопары 19. Измерение расходов газовоздушных потоков производят расходомерами 9 и 18. Регулирование интенсивности теплообмена и температурного режима осуществляется за счет изменения частоты вращения двигателя тягодутьевого устройства 14 с помощью регулятора 21, а также за счет изменения мощности электронагревателя 13 с помощью регулятора 20.

Управление теплообменом осуществляют автоматизированной системой управления 10, в которой данные с термопар 5-8 и 19, а также расходомеров 9 и 18 поступают на устройство ввода аналоговых сигналов 23. После чего контроллер 22 выполняет анализ поступивших сигналов и согласно алгоритму управления производит расчет управляющих воздействий для нагревателя 13 и тягодутьевого устройства 14 в виде аналоговых сигналов, формируемых устройством 24. После этого управляющий аналоговый сигнал поступает на регулятор мощности 20 электронагревателя 13 и на регулятор 21 частоты вращения двигателя тягодутьевого устройства 14. Устройство вывода дискретных сигналов 25 управляет электрическим пускателем 27 нагнетателя холодного потока 26. Автоматизированная система управления 10 позволяет легко изменять режимные параметры теплообмена и получать данные, позволяющие исследовать и моделировать этот процесс.

Данная лабораторная установка позволит по сравнению с прототипом расширить функциональные возможности, исследовать различные режимы теплообмена, а также позволит увеличить количество определяемых теплофизических параметров, необходимых для моделирования теплообмена.