Устройство стендового автоматизированного лабораторного комплекса для изучения политропного процесса и комбинированного теплообмена

Изобретение относится к специальному оборудованию, предназначенному для демонстрационно-практического обучения студентов вузов и колледжей техническим дисциплинам, а более конкретно, для демонстрационно-практического изучения: термодинамических процессов (политропного процесса); процессов теплообмена в комбинированном теплообменнике.

Известен стенд лабораторный комплекс «Теплотехника жидкости» ТПЖ - 010-6ЛР-01 теплотехники и теплотехнического оборудования в вузе. Стенд выполнен из одного стола, имеющего откидную полку для ноутбука, горизонтальную установочную поверхность, под которой расположены два бака с горячей и холодной водой, два циркуляционных насоса, а на вертикальной поверхности, прикрепленной к заднему краю горизонтальной установочной поверхности, расположены теплообменные аппараты и несколько сменных устройств - модулей. Кроме того, на вертикальной поверхности прикреплено два расходомера, позволяющих измерять расход протекающей в трубах жидкости, подаваемой насосом, размещенным под горизонтальной поверхностью. (http://www.gpm-stend.ru/index.php/production/teplotechnika-termodynamika/303-teplotechnika-zhidkosti)

Недостатком такого стенда является то, что не представляется возможным: создавать виртуальные модели реальных установок, дающие возможность студентам до работы на реальной установке изучить ее конструкцию и понять реализуемый физический процесс; изучать термодинамические процессы (политропный процесс).

Техническая задача состоит в повышении точности и качества обеспечения измерений на стенде всех необходимых параметров, полученных, как с помощью измерительных датчиков, так и на виртуальном образе лабораторного стенда, и обеспечение их сравнения в автоматическом режиме, а также в обеспечении автоматизации измерений всех необходимых параметров, получения необходимых расчетных заданных функциональных зависимостей и вывода на электронные и бумажные носители информации, используемые в виде отчета.

Техническая задача достигается тем, что устройство стендового автоматизированного лабораторного комплекса для изучения политропного процесса и комбинированного теплообмена, содержащее персональный компьютер, к которому подключены монитор, звуковые колонки, блок аналого-цифровых преобразователей, клавишный блок управления, содержит установку для исследования политропного процесса, снабженную ручным насосом, представляющим собой гидроцилиндр с поршнем, снабженным ручкой, который с помощью всасывающего, нагнетающего и сливного шлангов соединен с канистрой-бидоном и цилиндром, на верхнем фланце которого установлены манометр и датчик давления, соединенный с блоком аналогово-цифровых преобразователей, и установку для исследования тепловых процессов, выполненную в виде комбинированного теплообменника на подставке, представляющего собой алюминиевую трубу, внутри которой установлен электронагреватель, причем пространство между ним и трубой заполнено теплоизолирующим материалом, а на поверхности трубы имеется отверстие со штуцером для возможности доступа к электронагревателю и замера температуры его нагрева.

Технический результат заключается в повышении технического уровня передачи знаний студентам по дисциплине «Теплотехника», преподаваемой в вузе, за счет оснащения стенда современными приборами и устройствами, позволяющими получать высокую точность и надежность работы, и кроме того, позволяющими передавать полученную информацию на компьютер для последующей обработки и получения как аналитических уравнений, так и графических зависимостей исследуемого процесса. Полезность также заключается в приобщении студентов к современным техническим возможностям в области быстрой и точной обработки экспериментальных исследований.

Устройство стендового автоматизированного лабораторного комплекса охарактеризовано следующими чертежами: на фиг. 1 представлен стол с персональным компьютером (вид спереди); на фиг. 2 представлена установка для исследования термодинамических и тепловых процессов: а) вид спереди, б) разрез А-А; на фиг. 3 представлен гидроцилиндр.

Устройство (фиг. 1) состоит из стола 1 с персональным компьютером 2, содержащим системный блок, к которому подключены с помощью кабелей монитор 3, звуковые колонки 4, устройство многоярусного блока из аналогово-цифровых преобразователей АЦП 5, клавишный блок 6 управления, смонтированный на выдвижной панели 7 стола 1.

Установка для исследования термодинамических и тепловых процессов (фиг. 2а) содержит стол 8, представляющий собой сборно-сварную конструкцию с вертикальной панелью 9. На вертикальной панели 9 стола 8 располагаются цилиндр 10 и электрооборудование 11. На столе 8 установлен теплообменник 12 на подставках 13. Стол 8 снабжен двумя тумбами 14. В тумбе 14 размещены ручной насос 15 и канистра-бидон 16 для минерального масла.

Цилиндр 10 выполнен из стекла и огражден металлическим кожухом 17 с прорезью для наблюдения за уровнем масла. Снизу на подводящей арматуре смонтирован предохранительный клапан 18 и сливной кран 19. На верхнем фланце цилиндра 10 установлены манометр 20, датчик 21 давления и кран 22 для спуска воздуха. Всасывающий шланг 23 подсоединен к канистре 16 с минеральным маслом и к насосу 15. Нагнетающий шланг 24 соединяет насос 15 и цилиндр 10. Сливной шланг 25 соединяет цилиндр 10 и канистру-бидон 16.

Насос 15 (фиг. 2б) представляет собой гидроцилиндр, поршень 26 которого перемещается с помощью ручки 27. Гидроцилиндр снабжен обратными клапанами 28 и фильтром 29.

Качающаяся штанга 30 обеспечивает прямолинейное движение штока 31 относительно гильзы 32.

Гидроцилиндр (фиг. 3) содержит гильзу 32,стянутую между крышками 33 и 34 с уплотнением кольцом 35. Шток 31 закреплен в поршне 26 с уплотнением кольцами 36, 37. Поршень 26 несет на себе манжету 38. Подвод и отвод масла осуществляется через отверстие в крышке 33. Отверстие в крышке 34 служит для слива масла, просочившегося через манжету 38.

Комбинированный теплообменник 12 представляет собой алюминиевую трубу, внутри которой находится электронагреватель, а пространство между трубой и электронагревателем заполнено теплоизолирующим материалом, например асбестовым шнуром. На поверхности трубы имеется отверстие со штуцером для возможности доступа к электронагревателю и замера температуры его нагрева (не показаны).

Питание электрооборудования 11 осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц.

Электрооборудование 11 включает в себя пусковую, сигнальную и регулирующую аппаратуру, а также кабель соединительный для передачи сигналов от датчика давления к аналого-цифровому преобразователю 5 (например, NL USB 6008) с возможностью вывода данных на монитор 3 компьютера 2.

Установка имеет сетевой кабель длиной 6 м с вилкой для подключения к электросети помещения.

Устройство работает следующим образом.

На установке можно проводить изучение политропного процесса и комбинированного теплообмена.

При изучении политропного процесса производится повышение давления в цилиндре 10 посредством нагнетания в него масла насосом 15. При повышении или понижении давлении в цилиндре происходит изменение высоты уровня масла.

Насос 15 всасывает минеральное масло из канистры-бидона 16 через всасывающий шланг 23, фильтр 29,обратный клапан 28 и подает через нагнетающий шланг 24 в цилиндр 10. Параллельно цилиндру 10 включен в сеть предохранительный клапан.18, с помощью которого происходит управление давлением подачи минерального масла за счет регулирования значения максимально допустимого давления минерального масла. При превышении давления происходит сброс избыточного минерального масла через сливной шланг 25. После выполнения всех параметров испытаний сброс минерального масла из цилиндра 10 происходит путем открытия сливного крана 19 через сливной шланг 25 в канистру-бидон 16.

При изучении комбинированного теплообмена наблюдается повышение температуры электронагревателя и теплообменника 12, а также измеряется мощность электронагревателя.

1. Проведение исследования политропного процесса

Цель - исследование политропных процессов:

- установление экспериментальных зависимостей между основными параметрами рабочего тела,

- обработку полученных данных, выбор математической модели процесса, оценку ее соответствия молекулярно-кинетической теории идеальных газов и определение показателя политропы,

- вычисление термодинамических функций и построение «P-V» и «T-S» диаграмм.

Для проведения исследований включают установку в сеть, подключают автоматизированный стенд к USB разъему компьютера 2 и запускают программу.

Параллельно проведению «ручного» эксперимента выводят программу Lab View на компьютере 2, создают на мониторе 3 виртуальный датчик давления 21, подключенный к верхнему фланцу цилиндра 10.

Ручным насосом 15 закачивают масло в цилиндр 10 до давления 100 кПа, контролируемое по манометру 20 с одновременным измерением высоты столба воздуха.

Повторяют эксперимент при 200 кПа, 300 кПа с последующей обработкой экспериментальных результатов измерений, вычислением термодинамических функций и построением графиков политропного процесса сжатия воздуха на диаграммах «Р-V» и «T-S» диаграмм.

С помощью стендового автоматизированного лабораторного комплекса для изучения политропного процесса с измерениями и обработкой результатов в программной среде Lab View проводятся и другие лабораторные работы, методика которых изложена в методическом пособии: Семенова Е.В., Киреев Д.В., Третьяк П.В., Корячкин В.П., Ванин B.C. Использование среды графического программирования Lab View для лабораторных стендов. Кафедра «Машины и аппараты пищевых производств». ОрелГТУ, г. Орел, 2007.

2. Проведение исследования тепловых процессов на комбинированном теплообменнике.

Цель - выявление различных механизмов переноса тепла, расчетное и экспериментальное определение основных характеристик комбинированного теплообмена:

количества тепла, передаваемого от поверхности тела тепловым излучением и конвекцией;

коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы и степени черноты ее поверхности;

определение коэффициента теплопроводности теплоизолирующего материала.

Для проведения исследований:

- включают установку в сеть;

- переключают измерители (мультиметр цифровой MAS838;

мультиметр цифровой MY-62) на соответствующие измерения;

- регулятор мощности ставят на нагрев.

При достижении стационарного режима (не менее 0,5 часа после включения электронагревателя). произвести измерения необходимых величин: силу тока I, напряжение U, температуру нагревателя t_н,, температуру стенки трубы 12 t_ст и окружающей среды t₀.

Вычисляют: Q_Σ - тепловая мощность, выделяемая электронагревателем, Вт;

Q_K - тепловой поток, отдаваемый окружающему воздуху поверхностью трубы конвекцией;

Q_Л - поток тепла, отдаваемый поверхностью трубы 12 в окружающую среду тепловым излучением.

Экспериментально определяют коэффициент теплоотдачи горизонтальной трубы α^эксп.

Определить коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, находящегося между электрическим нагревателем и наружной поверхностью трубы.

Повторяют эксперимент для других значений I, U, t_н, t_ст и t₀.

По результатам проведенных измерений строят график зависимости α^эксп от разности температур (t_ст-t₀). На график наносят значения α^расч, вычисленные по критериальному уравнению с учетом экспериментальных данных.

Средства измерения, инструмент и принадлежности

В качестве измерительных приборов в установке применены:

- датчик давления ДДМ-03-600ДИ-МИ-С;

- манометр SMT 10 бар вертикальный 63×1/4 штуцер;

- мультиметр цифровой MAS838;

- мультиметр цифровой MY-62.

Принцип действия манометра 20 SMT 10 бар основан на уравновешивании измеряемого давления или разрежения силой упругой деформации чувствительного элемента, деформация которого пропорциональна измеряемому параметру. При снятии давления чувствительный элемент возвращается в первоначальное положение под воздействием упругой деформации.

Измеряемое рабочее давление - до 10 бар.

Мультиметры цифровые MAS838 и MY-62 предназначены для измерения силы постоянного и переменного тока, сопротивления, величины постоянного и переменного напряжения и температуры.