СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ (СТРУЙНЫХ) АГРЕГАТОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2011 года по МПК F15B19/00 

Изобретение относится к области испытаний пневматических (струйных) агрегатов, в частности к испытаниям при повышенных температурах рабочего тела.

Наиболее близким техническим решением является способ испытания резины на износ от воздействия высокоскоростного потока газа, нагретого до определенной температуры, заключающийся в том, что на определенном расстоянии от испытуемого образца устанавливают сопло, куда подают под заданным давлением поток газа заданной температуры и по изменению веса образца судят об его износе, (см., например, АС СССР №688863, кл. G01N 3/56, 1978 г.).

Основным недостатком испытаний, связанных с нагреванием рабочего тела, вне зависимости от вида испытаний, является отсутствие защиты нагревателя от перегрева, т.е. при подаче на нагреватель электрической мощности, превышающей допустимую при данных условиях эксплуатации, нагреватель выходит из строя.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является ограничение величины электрической мощности, подводимой к нагревателю, до значений, защищающих нагреватель от перегрева.

Для достижения указанного технического результата в способе испытания пневматических (струйных) агрегатов при повышенных температурах рабочего воздуха, заключающемся в том, что на вход агрегата под заданным давлением подают воздух через нагреватель, к которому подводится электрическая мощность, величину электрической мощности, подводимой к нагревателю, ограничивают.

Отличительный признак заявленного способа, а именно: ограничение подводимой к нагревателю электрической мощности по величине расхода воздуха и по температуре воздуха, при которой необходимо проводить испытания, согласно зависимости:

где: W - электрическая мощность, подводимая к нагревателю, кВт;

W_max - максимальная паспортная электрическая мощность нагревателя, кВт;

G - расход воздуха через электронагреватель, г/с;

G_max - максимальный паспортный расход воздуха через нагреватель г/с;

Т - температура воздуха, при которой необходимо проводить испытания, К;

T_max - максимальная паспортная температура воздуха на выходе из нагревателя, К,

позволяет подводить к нагревателю величину электрической мощности, не вызывающую перегрев нагревателя.

Зависимость получена из следующего расчета.

Для расчета считаем нагреватель трубой круглого сечения с расположенными внутри нагревательными элементами в форме стержней, к которым подводится электрическая мощность и с поверхности которых отводится тепловой поток.

Теплоотдача при турбулентном течении в трубе:

,

где: Nu - число Нуссельта:

Р_r - число Прандтля;

Re - число Рейнольдса.

где: α - коэффициент теплоотдачи, Вт(м²·град), Вт/(м·град);

D_Г - гидравлический диаметр проходного сечения нагревателя в нагревающей части, м;

λ - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·град).

где: λ₀ - теплопроводность при Т₀=273К, Вт/(м·град);

Т - температура воздуха, для расчета примем допущение, что средняя температура воздуха в нагревателе равна температуре воздуха, проходящей через агрегат Т_ср=Т, К.

,

где: F_печь - площадь проходного сечения нагревателя в нагревающей части, м²;

П_печь - омываемый периметр проходного сечения нагревателя в нагревающей части, м.

,

где: υ - коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

ρ - плотность воздуха, кг/м³;

µ - коэффициент динамической вязкости воздуха, Н·с/м².

,

где: µ₀ - коэффициент динамической вязкости при Т₀=273 К, Н·с/м².

,

где: w - скорость движения воздуха, м/с;

G - массовый расход, кг/с.

Коэффициент теплоотдачи:

Тепловой поток от нагревательного элемента:

Q=F_н.э.·α·(T_н.э.-T),

где: Q - тепловой поток, Вт;

F_н.э. - площадь нагревательного элемента, м²;

Т_н.э. - температура трубок нагревательного элемента, К;

Т - температура воздуха, подводимого к агрегату, К.

Подставив коэффициент теплоотдачи, получим:

Зависимость теплового потока, отводимого от нагревателя в схему стенда, и подводимой к нагревателю электрической мощности:

Q=W

Подставив значения теплового потока и мощности, получим:

Зависимость можно представить в виде:

,

где:

Т.к. при изменении температуры Т от 833 К до 273 К значение (Т)^0,124 изменяется в диапазоне 2,3…2,0, данную переменную можно опустить. Примем ее постоянной и равной 2,3 (т.е. при малых значениях Т будем иметь коэффициент запаса, увеличенный на 15%).

Как правило, нагревательные элементы изготавливают из сталей, способных сохраняться неизменными, с допустимой для данного расчета погрешностью, теплофизические свойства и структуру кристаллической решетки до температур порядка 1200 К. Для того чтобы температура нагревательного элемента при проведении испытаний не превышала максимально допустимую, необходимо обеспечить изменение значения максимально допустимой электрической мощности, подводимой к нагревательному элементу, относительно максимально допустимой паспортной мощности, пропорционально значениям расхода воздуха через нагреватель и температуры на выходе из нагревателя, отнесенных к паспортным максимально допустимым значениям расхода воздуха через нагреватель и температуры воздуха на выходе из нагревателя.

Учитывая принятые в процессе расчетов допущения, и то, что К - коэффициент, постоянный для нагревателя, т.к. в него не входят изменяемые в процессе проведения испытаний параметры воздуха и стенда, справедлива формула:

Предлагаемый способ реализуется на установке, представленной на чертеже и описанной ниже.

Известна установка для испытания резины на износ от воздействия высокоскоростного потока газа, нагретого до определенной температуры (см., например, АС СССР №688863, кл. G01N 3/56, 1978 г.).

Установка содержит редуктор для изменения и поддержания заданного значения входного давления, постоянное сопротивление, в качестве которого используется сужающее устройство, выполненное в виде дроссельной шайбы, нагреватель, служащий для регулировки температуры струи газа, манометр, предназначенный для измерения давления на входе в неподвижное сопло, неподвижный столик, на котором устанавливают испытуемый образец и запорный вентиль.

Основным недостатком установок для испытаний, связанных с нагреванием рабочего тела, вне зависимости от вида испытаний, является отсутствие защиты нагревателя от перегрева.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является ограничение величины электрической мощности, подводимой к нагревателю до значений, защищающих нагреватель от перегрева.

Для достижения указанного технического результата в установку для испытания пневматических (струйных) агрегатов при повышенных температурах рабочего тела, содержащую редуктор, испытуемый агрегат, манометр, нагреватель с задатчиком нагрузки и сужающее устройство, выполненное, например, в виде мерной шайбы, введен логический блок управления с преобразователями давления, температуры и перепада давлений в электрические сигналы, установленный между нагревателем и задатчиком нагрузки.

Отличительный признак заявленной установки, а именно введение логического блока управления с преобразователями, установленного между нагревателем и задатчиком нагрузки, позволяет ограничить значения электрической мощности, подводимой к нагревателю до значений, защищающих нагреватель от перегрева.

Предлагаемая установка представлена на чертеже и описана ниже.

Установка содержит редуктор 1 для изменения и поддержания заданного значения входного давления, сужающее устройство 2, выполненное, например, в виде мерной шайбы, служащее для измерения расхода воздуха, подводимого к нагревателю 3. Нагреватель 3 связан с задатчиком нагрузки 4 через логический блок 5 управления. Логический блок 5 снабжен преобразователями параметров рабочего тела (воздуха) в электрические сигналы. Так, логический блок 5 соединен с преобразователями температуры (Т) 6 перед и давления (Р) 7 за сужающим устройством 2. Кроме того, блок 5 снабжен преобразователями перепада давлений (ΔР) 8 на сужающем устройстве 2 и температуры (Т) 9 за нагревателем 3. На входе в испытуемый агрегат 10 установлен манометр 11.

Способ реализуется на установке следующим образом.

Испытуемый агрегат 10 устанавливают на стенд. С помощью редуктора 1 задают давление, при котором необходимо проводить испытания. Задатчиком нагрузки 4 задают величину электрической мощности, подводимой к нагревателю. Параметры рабочего тела (воздуха) в виде электрических сигналов с преобразователей 6, 7, 8 и 9 поступают в логический блок управления 5. Логический блок 5 рассчитывает, согласно формулам по ГОСТ 8.563.1-97, расход воздуха, подводимого к нагревателю 3, и, согласно формуле

вычисляет максимально допустимое для данных условий проведения испытаний значение электрической мощности, и сравнивает его со значением, задаваемым задатчиком нагрузки 4. В случае если значение электрической мощности, задаваемое задатчиком нагрузки 4, превышает значение, максимально допустимое для данных условий проведения испытаний, логический блок 5 управления ограничивает величину подаваемой электрической мощности до значений, максимально допустимых для данных условий проведения испытаний. Ожидают выхода нагревателя 3 на требуемый температурный режим. Проводят испытания при заданных условиях. Задатчиком нагрузки 4 отключают подачу электрической мощности к нагревателю 3. Пропускают воздух через испытуемый агрегат 10 и нагреватель 3, охлаждая до комнатной температуры. Перекрывают редуктором 1 подачу воздуха. Демонтируют агрегат 10, прошедший испытания.

Способ испытания пневматических (струйных) агрегатов при повышенных температурах рабочего тела (воздуха) заключается в том, что величину электрической мощности, подводимой к нагревателю, ограничивают, согласно зависимости

где: W, W_max - электрическая мощность,

G, G_max - расход рабочего тела (воздуха),

Т, Т_mах - температура рабочего тела (воздуха).

Способ реализуется в установке с помощью логического блока управления.

Блок установлен между нагревателем и задатчиком его нагрузки и снабжен преобразователями параметров рабочего тела (воздуха), подводимого к нагревателю, в электрический сигнал. Это позволяет защитить нагреватель от перегрева. 2 н.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ испытания пневматических (струйных) агрегатов при повышенных температурах рабочего тела, заключающийся в том, что на вход агрегата под заданным давлением подают воздух через нагреватель, к которому подводится электрическая мощность, отличающийся тем, что величину электрической мощности, подводимой к нагревателю, ограничивают по величине расхода воздуха через испытуемый агрегат и по температуре воздуха, при которой необходимо проводить испытания, согласно зависимости:

где W - электрическая мощность, подводимая к нагревателю, кВт;
W_max - максимальная паспортная электрическая мощность нагревателя, кВт;
G - расход воздуха через электронагреватель, г/с;
G_max - максимальный паспортный расход воздуха через нагреватель, г/с;
Т - температура воздуха, при которой необходимо проводить испытания, К;
T_max - максимальная паспортная температура воздуха на выходе из нагревателя, К.

2. Установка для реализации способа испытания пневматических (струйных) агрегатов при повышенных температурах рабочего тела, содержащая редуктор, сужающее устройство, выполненное, например, в виде мерной шайбы, нагреватель с задатчиком нагрузки, манометр и испытуемый агрегат, отличающаяся тем, что в установку введен логический блок управления с преобразователями давления, температуры и перепада давлений в электрические сигналы, установленный между нагревателем и задатчиком нагрузки.