Установка искусственного намерзания и обледенения с замкнутым контуром Российский патент 2023 года по МПК G01N1/42 G01M9/06 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при исследовании в лабораторных условиях процессов обледенения автомобильного, воздушного и железнодорожного транспорта, канатов, проводов и материалов для опор ЛЭП, а также для испытания материалов, применяемых в «арктических» условиях.

В последнее время разработаны устройства для наземных испытаний авиационной техники в условиях кристаллического обледенения. Так, например, в патенте на полезную модель «Установка для имитации полета летательного аппарата в условиях облака» [RU №87142, МПК B64D 15/20, дата публикации 27.09.2009] установка содержит: морозильную камеру и расположенные внутри нее устройство приготовления нормализованных ледяных кристаллов, контейнер с мешалкой, шнековый дозатор, подсоединенный к выходному отверстию контейнера, и источник сухого холодного воздуха.

Недостатками данного устройства являются высокая энергоемкость, невысокая точность поддержания параметров процесса, высокая стоимость создания и эксплуатации для лабораторных исследований.

Известна установка, содержащая аэрохолодильную трубу с температурой воздушного потока до -50°С [K. Saleh, D. Buttsworth, Т. Yusaf «Development of a small icing wind tunnel for simulating the initial stages of solid phase ice accretion», 17th Australasian Fluid Mechanics Conference, Auckland, New Zealand, 5-9 December 2010]. Охлаждение потока до низких температур в этой установке обеспечивается за счет его прокачки через теплообменник с сухим льдом (СО₂), имеющим температуру -79°С. Недостатком этого устройства является малая площадь поперечного сечения рабочей части аэродинамической трубы и невозможность увеличения скорости потока выше 10 м/с.

Известна установка, патент RU 1112880, МПК G01M 9/02, дата подачи заявки 1982.12.30 (прототип), состоящая из криогенной аэродинамической трубы, содержащей форкамеру, рабочую часть, диффузор с эжекторами, обратный канал, вертикально размещенные регенераторы холода с насадкой и систему впрыска хладагента (жидкого азота) в поток, включающую форсунки и трубопроводы подвода жидкого азота к ним. Форсунки системы впрыска жидкого азота установлены в полости регенератора, при этом насадка регенератора разделена форсунками на ряд неравных по высоте участков. Однако процесс захолаживания жидким азотом регенераторов, вследствие их большой хладоемкости, является достаточно длительным. Впрыск жидкого азота в канал трубы при ее работе, необходимый для поддержания заданной температуры потока, требует сложной регулирующей аппаратуры и не гарантирует точного поддержания температуры и высокого качества потока из-за неравномерности испарения капель азота по сечению канала трубы, а также не позволяет подбирать параметры режима образования капельного, кристаллического или смешанного обледенения. Таким образом, недостатки прототипа - это длительность подготовки процесса испытания, его сложность, низкая точность и отсутствие возможности получения различных видов обледенения.

Технический результат изобретения заключается в ускорении подготовки процесса испытаний, снижения сложности испытаний, повышения их точности. Сущность изобретения заключается в том, что в установку искусственного намерзания и обледенения с замкнутым контуром, содержащую форкамеру, сопряженную с рабочей частью, в которой установлен держатель образцов, обратный канал, форсунку, введен персональный компьютер и контроллер, с которыми сопряжен модуль подготовки охлажденной воды и точного дозирования, включающий расходомер воды, преобразователь давления, емкость для охлаждения воды с уровнемером, которая сопряжена со вторым унистатом, компрессором, редуктором и соединена трубопроводом, через расходомер воды с форсункой, при этом с персональным компьютером и контроллером также сопряжены видеокамера, датчик скорости и температуры воздуха, вентилятор, который сопряжен с частотным преобразователем, и первый унистат, который сопряжен с первым теплообменником и вторым теплообменником.

Существует вариант, в котором в устройство введен циклон с двумя сетками-отбойниками с греющими элементами и прямой канал, при этом циклон сопряжен с прямым каналом и обратным каналом.

Существует также вариант, в котором предусмотрены уклоны для естественного слива воды на прямом канале от вентилятора к циклону и на обратном канале от циклона к вентилятору.

Существует также вариант, в котором форкамера и рабочая часть соединены в узел, выполненный из прозрачного стекла и оптически сопряженный с видеокамерой.

Существует также вариант, в котором в устройство введен механический встряхиватель, сопряженный с держателем образцов.

Существует также вариант, в котором в устройство введен нагревательный элемент, сопряженный с форсункой.

Существует также вариант, в котором форсунка установлена с возможностью изменения своего положения.

На прилагаемых графических материалах изображена схема установки искусственного намерзания и обледенения с замкнутым контуром

Осуществление изобретения

Установка содержит вентилятор 1, который посредством прямого канала 2, соединен с первым теплообменником 3/1. Скорость вращения вентилятора 1 регулируют частотным преобразователем 29. Первый теплообменник 3/1 соединен с сопряженными между собой в стеклянный узел форкамерой 4 и рабочей частью 6. В форкамеру 4 помещена, обогреваемая нагревательным элементом 22, форсунка 5, предназначенная для создания водно-воздушного аэрозоля. Форсунка 5 установлена на модуле изменения положения 31. К форсунке 5 через редуктор 27 подведены сжатый воздух от компрессора 16 и охлажденная вода из емкости 15 через расходомер 23. В емкость 15 установлен уровнемер 25. В рабочую часть 6 установлен механический встряхиватель 7 с держателем образца 26 для фиксации образцов 30. Видеокамера 19 оптически сопряжена с форкамерой 4 и рабочей частью 6. Циклон 8, с расположенными внутри двумя сетками-отбойниками 10 с греющими элементами 9, сопряжен с прямым каналом 2 и обратным каналом 12. На обратном канале 12, между циклоном 8 и вентилятором 1, расположен второй теплообменник 3/2. Первый унистат 13 по трубам 24 имеет возможность охлаждения или нагрева, при помощи первого теплообменника 3/1 и второго теплообменника 3/2 воздуха, циркулирующего в установке, до температур в интервале от плюс 10°С до минус 60°С с точностью до 1°С. Второй унистат 14 по трубам 24 имеет возможность охлаждения в емкости 15 воды, которую затем подают в форсунку 5.

В качестве вентилятора 1 можно использовать вентилятор марки ВЦ 5-45 №4,25. В качестве первого теплообменника 3/1 и второго теплообменника 3/2 можно использовать теплообменники марки 273ТНГ-1,6-М8/20Г-1-1-К (F=4,27 м²). Для автоматизации установки используется персональный компьютер 17 с системой управления на базе контроллера 18. Контроллер 18 соединен с термопреобразователями сопротивления 20, расходомером 23, поплавковым уровнемером 25, датчиком скорости и температуры воздуха 28, преобразователями давления 32 и манометрами 33. Греющие элементы 9 и нагревательный элемент 22 соединены с терморегулятором 21. Оборудование, которое применено для автоматизации установки:

- персональный компьютер 17 (можно использовать адаптированную программу «Master SCADA»);

- система управления на базе контроллера 18 (можно использовать ПЛК110);

- термопреобразователи сопротивления 20 (можно использовать: ДТС 065-Pt 100. В 3.100);

- поплавковый уровнемер 25 (можно использовать ПДУ - И. 1250.5);

- датчик скорости и температуры воздуха 28 (можно использовать ЕЕ75-VTB635/BN-V12T12);

- преобразователи давления 32 (можно использовать ПД100И-ДИ 0,025-121-1,5);

- манометры (можно использовать ТМ-621Р.00(0-0,6МРа).

Все основные элементы установки выведены на мнемосхемы персонального компьютера 17.

Описание работы установки намерзания и обледенения

Подают электропитание на установку искусственного намерзания и обледенения, первый унистат 13, второй унистат 14, вентилятор 1, компрессор 16 и персональный компьютер 17.

При этом следует убедиться в поступлении пожарно-хозяйственной воды в первый унистат 13 и второй унистат 14. Далее с помощью программы «MasterSCADA» включают последовательно: вентилятор 1, первый теплообменник 3/1, второй теплообменник 3/2, первый унистат 13, второй унистат 14, охлаждение воды в емкости 15, компрессор 16 и видеокамеру 19. Устанавливают в рабочую часть 6 образцы 30 на держателе образцов 26 с механическим встряхивателем 7, предварительно взвесив их. Задают на редукторе 27 давление в интервале от 1 атм. до 5 атм., а на расходомере 23 - необходимый расход воды в интервале от 1 л до 20 л в час. При достижении в рабочей части 6 заданных параметров температуры от плюс 10 до минус 60°С и скорости потока от нуля до 200 км/ч, включают распылительную систему воды. Включают нагревательный элемент 22 в форсунке 5, греющие элементы 9 в циклоне 8, а также механический встряхиватель 7. Параметры режима для образования капельного, кристаллического и смешанного обледенения подбираются эмпирически и легко воспроизводятся с помощью тонкой регулировки процесса управления установкой с использованием цифровизации и автоматизации.

В результате перечисленных операций, образовавшийся водно-воздушный аэрозоль, в виде кристаллов снега и льда, поступает на тестируемый образец 30 антиобледенительного покрытия или материал. С этого момента и следует начинать отсчет продолжительности испытания с фиксацией снего- и льдо-аккумуляции на поверхности образца 30, и изучение динамики развития этих гляциальных процессов.

Влагу и образовавшийся снег, не налипший на образец 30, направляется из рабочей части 6 в циклон 8, где происходит сбор и отделение указанной смеси от воздушного потока, который продолжает циркуляцию с помощью вентилятора 1 в замкнутом контуре установки.

По окончании испытания температуру потока воздуха в установке искусственного намерзания и обледенения с помощью первого термостата 13 поднимают до плюс 20°С, расплавляют снежную массу, собранную в циклоне 8, а образовавшуюся в результате воду сливают из циклона 8 в канализацию или в емкость 15 для охлаждения воды.

Изучение динамики гляциальных процессов на поверхности образца 30, покрытой антиобледенительным составом или без такового (холостое испытание), следует осуществлять при постоянных значениях скорости воздушного потока, температуры и параметров работы форсунки 5. При этом необходимо фиксировать во времени изменение массы снега и льда, аккумулированных на вышеназванном образце 30. Для получения такой зависимости через 10 минут после начала испытания следует прекратить подачу воздуха и воды на форсунку 5, выключить вентилятор 1, извлечь образец 30 из рабочей части 6 и взвесить их на технических весах. После этого образец 30 с намерзшим на нее льдом и снегом следует вновь зафиксировать держателем 26 и быстро возвратить в рабочую часть 6, продолжив испытание (для чего следует включить вентилятор 1 и подачу воздуха и воды на форсунку 5).

Описанную операцию следует повторять через каждые 10 минут в ходе всего тестирования образца 30, устанавливая в конечном счете характер изменения массы снега и льда, аккумулируемых на указанной поверхности, во времени.

На основании сравнения динамики гляциальных процессов, происходивших на поверхности образца 30 без покрытия (холостое испытание) и с покрытием, следует сделать вывод о его антиобледенительной эффективности.

Пример

Цель испытаний: оценка эффективности антиобледенительной защиты твердых тел с помощью кремнийорганических покрытий на основе изучения динамики развития гляциальных процессов на их поверхностях.

Параметры испытаний: Скорость воздуха = 100 км/час, температура рабочей камеры = минус 5°С, давление воздуха = 2 атм., давление воды = 4 атм., расход подачи воды 2 л/час, режим - для образования кристаллического обледенения, механический встряхиватель выключен.

Результаты испытаний:

Выводы: на поверхности образцов, покрытой кремнийорганическим составом, при кристаллическом обледенении с выключенным встряхивателем наблюдается в среднем на 40% меньшее обледенение, чем на образце без АОП. Через 30 минут рост наледи прекращается.

Технические результаты

То, что в установку искусственного намерзания и обледенения с замкнутым контуром введен персональный компьютер 17 и контроллер 18 с которыми сопряжен модуль подготовки охлажденной воды и точного дозирования, включающий расходомер воды 23, преобразователь давления 20, емкость для охлаждения воды 15 с уровнемером 25, которая сопряжена со вторым унистатом 14, компрессором 16, редуктором 27 и соединена трубопроводом 24, через расходомер воды 23 с форсункой 5, при этом с персональным компьютером 17 и контроллером 18 также сопряжены видеокамера 19, датчик скорости и температуры воздуха 28, вентилятор 1, который сопряжен с частотным преобразователем 29, и первый унистат 13, который сопряжен с первым теплообменником 3/1 и вторым теплообменником 3/2, что приводит, за счет полной автоматизации процесса поддержания заданных параметров, к ускорению подготовки процесса испытаний, снижению сложности испытаний и повышению их точности. То, что установка охлаждается первым унистатом 13, а не жидким азотом, позволяет отказаться от сложной регулирующей аппаратуры из-за неравномерности испарения капель азота и гарантирует точное поддержание температуры и высокого качества потока.

То, что в установку введен циклон 8 с двумя сетками-отбойниками 10 с греющими элементами 9 и прямой канал 2, при этом циклон 8 сопряжен с прямым каналом 2 и обратным каналом 12, приводит к ускоренному удалению снега и льда и увеличении скорости подготовки к проведению следующего испытания. То, что в установке предусмотрены уклоны на прямом канале 2 от вентилятора 1 к циклону 8 и на обратном канале 12 от циклона 8 к вентилятору 1, приводит к естественному сливу воды и увеличению скорости подготовки к проведению следующего испытания.

То, что форкамера 4 и рабочая часть 6 соединены в узел, выполненный из прозрачного стекла и оптически сопряженый с видеокамерой 19, дает возможность в режиме реального времени наблюдать и фиксировать процесс снегообразования в форсунке 5 и процесс снего- и льдо-аккумуляции на образце 30 и получать различные виды обледенения.

То, что в установку введен механический встряхиватель 7, сопряженный с держателем образцов 26, позволяет приблизить испытания к реальным условиям эксплуатации покрытий и повысить их точность.

То, что в установку введен нагревательный элемент 22, сопряженный с форсункой 5, приводит к тому, что сопло форсунки 5 во время приготовления водно-воздушного аэрозоля не забивается льдом, увеличивая надежность проведения испытания и скорость подготовки к проведению следующего испытания. То, что форсунка 5 установлена с возможностью изменения своего положения, позволяет получать различные виды обледенения.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при исследовании в лабораторных условиях процессов обледенения автомобильного, воздушного и железнодорожного транспорта, канатов, проводов и материалов для опор ЛЭП, а также для испытания материалов, применяемых в «арктических» условиях. Сущность изобретения заключается в том, что в установку искусственного намерзания и обледенения с замкнутым контуром введен персональный компьютер 17 и контроллер 18, с которыми сопряжен модуль подготовки охлажденной воды и точного дозирования, включающий расходомер воды 23, преобразователь давления 20, емкость для охлаждения воды 15 с уровнемером 25, которая сопряжена со вторым унистатом 14, компрессором 16, редуктором 27 и соединена трубопроводом 24 через расходомер воды 23 с форсункой 5. При этом с персональным компьютером 17 и контроллером 18 также сопряжены видеокамера 19, датчик скорости и температуры воздуха 28, вентилятор 1, который сопряжен с частотным преобразователем 29, и первый унистат 13, который сопряжен с первым теплообменником 3/1 и вторым теплообменником 3/2. Технический результат изобретения - ускорение подготовки процесса испытаний, снижение сложности испытаний и повышение их точности. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Установка искусственного намерзания и обледенения с замкнутым контуром, содержащая форкамеру, сопряженную с рабочей частью, в которой установлен держатель образцов, обратный канал и форсунку, отличающаяся тем, что в нее введен персональный компьютер и контроллер, с которыми сопряжен модуль подготовки охлажденной воды и точного дозирования, включающий расходомер воды, преобразователь давления, емкость для охлаждения воды с уровнемером, которая сопряжена со вторым унистатом, компрессором, редуктором и соединена трубопроводом через расходомер воды с форсункой, при этом с персональным компьютером и контроллером также сопряжены видеокамера, датчик скорости и температуры воздуха, вентилятор, который сопряжен с частотным преобразователем, и первый унистат, который сопряжен с первым теплообменником и вторым теплообменником.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в нее введен циклон с двумя сетками-отбойниками с греющими элементами и прямой канал, при этом циклон сопряжен с прямым каналом и обратным каналом.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что предусмотрены уклоны для естественного слива воды на прямом канале от вентилятора к циклону и на обратном канале от циклона к вентилятору.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что форкамера и рабочая часть соединены в узел, выполненный из прозрачного стекла и оптически сопряженный с видеокамерой.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в нее введен механический встряхиватель, сопряженный с держателем образцов.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в нее введен нагревательный элемент, сопряженный с форсункой.

7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что форсунка установлена с возможностью изменения своего положения.