Учебный лабораторный стенд по термодинамике Советский патент 1988 года по МПК G09B23/16 

Ч

О

со

Изобретение относится к учебно-лабораторному оборудованию по термодинамике, а именно к таким устройствам, в которых тепловые процессы заменяются некоторыми аналогичными процессами, имеющими иную физическую природу и может быть использовано при проведении занятий в лабораториях общей физики, теплотехники, технической тер модинамики, энергетических установок электростанций.

Цель изобретения - повышение наглядности и распмрение функциональных возможностей путем инверсии на- правления потока жидкости.

На фиг, 1 представлена принципиальная схема предлагаемого стенда; на фиг. 2 и 3 - моделируемый цикл Карно

.

в координатах температура - удельная энтропия и температура - поток энтропии соответственно; на фиг. 4 приведена схема имитируемой силовой установки с электрогенератором полезной нагрузки и электродвигателем собст- венных нужд привода компрессора; на фиг. 5 - схема имитируемой холодильной установки с турбодетандером; на фиг, 6 - то же, с редукционным вентилем,

Стенд содержит два гидравлических имитатора теплообменников 1 и 2, выполненных в виде диффузоров, трубопроводы 3, образующие с имитаторами замкнутый гидравлический контур, две емкости 4 и 5, каждая из которых связана с одним из имитаторов системой параллельных трубок 6 и 7 и образует с замкнутьЕм гидравлическим контуром сообщающиеся сосуды, две обратимые гидравлические мащины 8 и 9, включенные в замкнутый гидравлический контур, и две обратимые электрические машины Ю и 11, каждая из которых кинематически связана с одной из обратимых гидравлических машин. Емкость 4 через расходомер 12 и запорный вентиль 13 соединена с линией 14 подачи жидкости, а через расходомер 15 и запорный вентиль 16 - с линией 17 слива жидкости. Емкость 5 также через расходомер 18 и запорный вентиль 19 соединена с линией 14, а через расходомер 20 и запорный вентиль 21 - с линией 17,. Параллельно обратимой гидравлической машине 8 через двухпози- ционный кран 22 включен гидравлический дроссель 23.

Обратимые электрические машины могут быть объединены в единый генератор - двигательный агрегат.

Действие стенда основано на известной аналогии между тепловыми и гидромеханическими величинами - темпратурой и напором, а также между потоком энтропии и весовым расходом.

Стенд работает следующим образом.

Пример 1. Имитация прямого цикла Карно (силовая установка реализует цикл во влажном паре).

Запорные вентили 13 и 21 закрыты; двухпозиционный кран 22 перекрывает линию гидравлического дросселя 23; обратимые электрические машины 10 и 1 разъединены, машина 10 питается от сети и работает в режиме двигателя, при этом обратимая гидравлическая машина 8 работает в режиме насоса, подавая жидкость снизу вверх и обеспечивая циркуляцию.

Расход жидкости через обратимую гидравлическую машину 2 сверху вниз равен сумме расхода через обратимую гидравлическую машину 8 и расхода из линии 14 подачи в линию 17 слива через запорный вентиль 19, расходомер 18, емкость 5, систему параллельных тр:убок 7, теплообменник 2, трубопровод 3, теплообменник 1, систему параллельных трубок 6, емкость 4, расходомер 15, запорный вентиль 16. I

Таким образом, обратимая гидравлическая машина 9 работает в режиме турбины, благодаря чему обратимая электрическая машина 11 работает в режиме генератора, электрическая мощность которого потребляется имитатором потребителя электроэнергии (например, лампочкой) .

Уровни жидкости в емкостях 4 и 5 имитируют температуры соответствующих источников тепла. Расходы жидкости через обратимые гидравлические машины 8 и 9 соответствуют потокам энтропии через компрессор и турбину объекта (фиг. 4) соответственно. Разность уровней в емкостях 4 и 5 имитирует высоту цикла Карно, а разность расходов через обратимые гидравлические машины - его ширину в координатах температура - поток энтропии. Эта разность измеряется расходомером 15 или 18 (в стационарном режиме их показания одинаковы). Произведение разностей уровней и расходов (площадь цикла) соответствует максимальной

314

полезной работе в единицу времени. Произведения высоты уровней в емкостях 5 и 4 на разность расходов жидкости через обратимые гидравлические машины соответствуют подведенному и отведенному теплу в единицу времени, а разность данных произведений - полезной работе в единицу времени.

Действительная полезная нагрузка равна разности показаний ваттметров обратимых электрических маш1н 11 и 10

Пример 2. Имитация обратного цикла Карно (холодильная машина с турбодетандером реализует цикл во влажном паре).

Запорные вентили 16 и 19 закрыты; двухпозиционный кран 22 перекрывает линию гидравлического дросселя 23; обратимые электрические машины 11 и 10 соединены одна с другой таким образом, что образуют единый генера- тор - двигательный агрегат, pa6otaK - пщй в режиме двигателя и питаемьш от сети, причем обратимая электрическая машина 11 работает в режиме двигателя, благодаря чему обратимая гидравлическая машина 9 работает в режиме насоса, подавая жидкость снизу вверх и обеспечивая циркуляцию.

Расход жидкости через обратимую гидравлическую машину 8 сверху вниз равен разности полного расхода через обратимую гидравлическую машину 9 и расхода из линии 14 подачи в линию 17 слива через запорный вентиль 13, расходомер 12, емкость 4, систему параллельных трубок 6, теплообменник 1 трубопровод 3, теплообменник 2, систему параллельных трубок 7, емкость 5 расходомер 20, запорный вентиль 21,

Таким образом, обратимая гидравлическая машина 8 работает в режиме турбины, благодаря чему обратимая электрическая машина 10 работает в режиме генератора, частично покрывающего затраты энергии на привод обратимой электрической машины 11 (для того, чтобы машина 10 не работала в режиме двигателя, напряжение на ее клеммах не должно быть ниже напряжения сети, что достигается тщательным подбором характеристики машины и напряжения сети),

Расходы жидкости через обратимые гидравлические машины 9 и 8 соответствуют потокам энтропии через компрессор и детандер объекта (фиг, 5), Произведения высоты уровней в ем 031

0

5

5

0

5

0

5

0

5

костях 4 и 5 на разность расходов жидкости через .обратимые гидравлические машины соответствуют подведенному и отведенному теплу в единицу времени, а разность данных произведений - минимальной затраченной работе в единицу времени. Действительная затраченная энергия равна показанию ваттметра генератор - двигательного агрегата.

П р и м е р 3. Холодильная машина с редукционным клапаном, реализующая цикл во влажном паре (фиг. 6),

Запорные вентили 16 и 19 закрыты; двухпозиционный кран 22 перекрьгаает линию обратимой гидравлической машины 8 и направляет поток жидкости сверху вниз через гидравлический дроссель 23, Электрическая машина Ю отключена.

Вся мощность, необходимая для привода обратимой гидравлической машины 9, работающей в режиме насоса и обеспечивающей циркуляцию, потребляется обратимой электрической машиной 11 из сети и измеряется ваттметром.

Положительный эффект предлагаемого технического решения заключается в возможности моделирования нереализуемых на практике, но важных теоретических прямого и обратного циклов Карно с наглядным представлением изменения потока энтропии и удс:тьной энтропии в теплообменниках и с прямым измерением аналогов тепловых ве ттичин, характеризующих цикл, в том числе таких, которые вообще не поддаются непосредственному измерению. При этом в отличие от реальных (т,е, не использующих аналогии) моделей теплосиловых установок гидродинамические модели обладают весьма малой инерционностью, что позволяет быстро выводить их на стационарный режим и менять режим.

По сравнению с прототипом преимуществом предлагаемого технического решения является возможность дополнительно на одном стенде моделировать обратный (холодильный) цикл Карно, что позволяет в сравнении демонстрировать качественные и количественные отличительные особенности прямого и обратного циклов Карно и тем самым дает возможность повысить обучающий эффект лабораторного стенда, т.е, ка514

чество обучения студентов по термодинамике и родственным курсам.

Формула изобретения

i 1. Учебный лабораторный стенд по сермодинамике, содержащий два гидрав- JIH tecKHX имитатора теплообменников, выполненных в виде диффузоров, трубопроводы, образующие с имитаторами Замкнутый гидравлический контур, две ёмкости, каждая из которых связана С одним из имитаторов системой параллельных трубок и образует с замкнутым гидравлическим контуром сообщающиеся сосуды, отличающий

0

тем, что, с целью повьшения наглядности и расширения демонстрационных возможностей, он снабжен двумя обратимыми гидравлическими машинами для имитации турбины и насоса, включенными в замкнутый гидравлический контур, и двумя обратимыми электрическими машинами, каждая из которых кинематически связана с одной из обратимых гидравлических машин.

2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что параллельно одной из обратимых гидравлических машин через двухпозиционный кран включен гидравлический дроссель.

Изобретение относится к учебно- лабораторному оборудованию по термодинамике. Целью изобретения является повышение наглядности и расширение демонстрационных возможностей. Стенд позволяет моделировать прямой и обратный циклы Карно в области насыщенного влажного пара на основе гидроаналогии температуры и потока энтропии. Стенд имеет замкнутый гидравлический контур, содержащий гидравлические имитаторы теплообменников, две обратимые гидравлические машины для имитации турбины и насоса и две обратимые электрические мапшны. Каждая обратимая гидравлическая машина кинематически связана с одной из обратимых элeктp t- ческих машин; включая соответствующим образом гидравлическую мапшну, задают ей режим турбины, а электрической - режим генератора при имитации прямого цикла Карно; при работе гидравлической машины в режиме турбины имитируют обратный цикл Карно; при включении гидравлической машины в режиме насоса и направлении потока сверху вниз через гидравлический дроссель имитируют работу холодильной машины с редукционными клaпaнaм1i, реализуя цикл во влажном паре. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. (Л

2

А Ул

ГЗ 12

20 21 17

f6 /7

фиг.

.3 те/г/7сг

е

WWW W W W W

u/noffff frrerr/ra игЛ

иг.2.

-.

О

O/rfOoff rrrerr a

fftffft

/loaffoff mefr/rcf Фие. 5

Ofnooff /nf/7/та

t Hit ft

t tJ H 11

/rff/r/ra fue.6

e

X

ч