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

ни.

4 00

|

о

Изобретение относится к учебно- лабораторному оборудованию по термо- . Целью изобретения является расширение демонстрационных возможностей путем прямой и обратной циркуляции жидкости одновременно. Стенд позволяет моделировать прямой цикл Карно в области насыщенного влажного пара и циклы различных трансформаторов тепла на основе гид- роаналогии температуры и потока энтропии. Стенд имеет два аналогичных замкнутых гидравлических контура (основной и дополнительный), связанных между собой трубопроводями с запорными вентилями. Контур содержит гидравлические имитаторы парового нагнетателя, теплоотдатчика, паровой турбины (или турбодетандера), тегшопри- емника. Контуры отличаются друг от друга порядком включения имитирующих элементов, соотношением мощности гидравлических машин и расположением емкостей для подачи и отвода жидкостей. Включая определенным образом основной и вспомогательный контуры, обеспечивают работу стенда в различных режимах: в режиме моделирования тепловой электростанции или режиме моделирования повышающего, понижающего, комбинированного термотрансформатора. 2 3.п, ф-лы, 7 ил. с S (Л

14)

Изобретение относится к,учебно-лабораторному оборудованию по термоди- намике, а более конкретно к таким устройствам, в которых тепловые про цессы заменяются некоторыми аналогичными процессами, имеющими иную физи ческую природу, и может быть использовано при проведении занятий в лабораториях общей физики, теплотехники, технической термодинамики, энергетических установок электростанций.

Цель изобретения - расширение демонстрационных возможностей путем прямой и обратной циркуляции жидкости одновременно,,

На фиг, представлена принципиальная схема предлагаемого стенда; на фиг, 2 - моделируемый цикл повышающего термотрансформатора; на фиг.З - условная схема установки, реализующей этот цикл; на фиг, 4 - цикл понижающего термотрансформатора; на фиг, 5 - условная схема установки, реализующей этот цикл; на фиг, 6 - комбинированный цикл термотрансформатора; на фиг, 7 - условная схема установки, реализующей этот цикл.

Стенд имеет два аналогичных замкнутых гидравлических контура: основной и дополнительный. Основной контур содержит имитатор 1 парового нагнетателя (им является гидравлический насос), имитатор 2 теплоприемника (им является конфузор), имитатор 3 пдровой турбины (им является гидравлическая турбина), имитатор 4 тепло отдатчика (им является диффузор),

Над и под основным контуром расположены емкости 5 и 6, одна для по- дачи и другая для отвода жидкости. Емкости 5 и 6 посредством систем параллельных трубок 7 и 8 соединены соответственно имитаторами 4 и 2, Между имитаторами 1 и 2 установлен об- Гатный клапан 9, На входе емкости 5 и на выходе емкости 6 установлены отградуированные в единицах потока энтропии расходомеры 10 и 11 и регулируемые Гидравлические сопротивления 12 и 13, Имитатор 1 парового нагнетателя кинематически связйн с электродвигателем 14, а имитатор 3 п.аровой турбины - с электрогенератором 15,

Дополнительный гидравлический контур содержит соединенные последова- тапьно имитатор 16 турбодетандера (им является гидравлическая турби

0

5

5

с

0

дО

30

35

45

50

55

на),имитатор 17 теплоприемника (им является конфузор), имитатор 18 парового нагнетателя (им является гидравлический насос), имитатор 19 теплоотдАчика (им является диффузор). Дополнительный контур имеет также вспомогательное регулируемое гидрав- лическое сопротивление 20,

Под и над дополнительным контуром расположены емкость 21 для подачи и емкость 22 для отвода жидкости. Емкости 21 и 22 посредством систем параллельных трубок 23 и 24 соединены соответственно с имитаторами 17 и 19, На входе емкости 21 и на выходе емкости 22 установлены отградуированные в единицах потока энтропии расходомеры 25 и 26 и регулируемые гидравлические сопротивления 27 и .8,

Имитатор 16 турбодетандера кинематически связан с электрогенератором 29, который электрически связан с электродвигателем 14, Имитатор 18 парового нагнетателя кинематически связан с электродвигателем 30, который электрически связан с электрогенератором 15, Электрические связи на фиг.1 не показаны.

Емкость 21 соединена с емкостью 6, а емкость 22 - с емкостью 5 трубопроводами, оснащенными запорными вентилями 31 и 32 соответственно.

Дополнительный гидравлический контур отличается от основного порядком включения имитирующих элементов, соотношением мощностей гидравлических машин (в нем насос мощнее турбины, а в первом контуре наоборот), обратным расположением емкостей для подачи и отвода жидкости.

Стенд работает следующим образом.

В первом режиме имитируется работа тепловой электростанции. Для этого вьгаодятся из работы второй контур и принадлежагше ему гидравлические и электрические элементы стенда. Это достигается закрытием яапорньпс вентилей 31 и 32 и отключением электрических машин 29 и 30, К клеммам электрогенератора 15 подключаются электродвигатель 14 и имитатор потребителя электроэнергии (электрическая лампочка, на схеме не показана). Таким образом, в работе остаются первый контур и принадлежащие ему гидравлические и электрические элементы стенда;

3IA

моделируется только прямой цикл Кар- но во влажном паре.

Жидкость под действием собственного веса перетекает из емкости 5 в емкость 6 через трубки 7, имитаторы 2 - 4 и трубки 8, приводя в действие имитатор 3 паровой турбины, который приводит в действие электрогенератор 15, питающий имитатор потребите- ля электроэнергии (лампочку) и электродвигатель 14, рлектродвигател1 14 приводит в действие имитатор 1, который обеспечивает циркуляцию жид

кости по основному замкнутому гидрав- is чий источник ограничен и поэтому от- лическому контуру. За счет разности дает тепло только в прямом цикле, а расходов жидкости через имитаторы 3 в обратном цикле тепло отнимается и 1 мощность, вьфабатываемая генера- от окру;кающей среды (фиг.2 и З). тором 15, превышает мощность, потреб- Для этого вентиль 32 должен быть ляемую двигателем 14, а полезная раз-20 закрыт, а вентиль 31 - открыт; пос- ность этих мощностей идет на питание редством регулирования сопротивле- имитатора потребителя электроэнергии. ний 13 и 27 создается одинаковый

Разность уровней жидкости в емкостях 5 и 6 имитирует разность температур горячего и холодного источников тепла, а разность, расходов жидкости через имитаторы 3 и 1, измеряемая любым из расходомеров 10 или 11, имитирует разность потоков энтропии через паровую турбину и через паровой комп- ЗО температуру искусственного горячего рессор объекта. Произведение этих источника Т у.

Расход через сопротивление 28, измеряемый расходомером 26, имитирууровень в емкостях 6 и 21. Этот уровень имитирует TeNmepaTypy окружаю- 25 щей среды TQ. Уровень в емкости 5 имитирует TeNmepaTypy естественного горячего источника Тр, а уровень в емкости 22 - более высокую (в этом смысле повьтающего трансформатора)

разностей дает площадь цикла в координатах температура - поток энтропии и измеряет работу 11икла в единицу времени.

Во втором, третьем и четвертом режимах моделируются циклы различных трансформаторов тепла. Дпя этого вводится в действие дополнительный замкнутьй гидравлический контур и принадлежащие ему элементы. Клеммы электрогенератора 15 замыкаются на клеммы электродвигателя 30 а клеммы электродвигателя 1 4 - на клеммь электрогенератора 29.

Основной контур работает в прежнем режиме и реализует прямой цикл, но теперь электрогенератор I5 питает не потребитель электроэнергии, а электродвигатель 30, который приводит в действие имитатор 18. В результате жидкость перекачивается из емкости 21 через трубки 23, имитаторы 17 - 19 и трубки 24 в емкость 22. Циркуля1щя жидкости по дополнительному замкнутому гидравлическому контуру обеспечивается стеканием чдсти ее через вспомогательное сопротивление 20 и имитатор 16, которьй

ет поток энтропии к искусственному

25 горячему источнику, а произведение этого расхода на уровень в емкости 22 имитирует полезное тепло, отданное в единицу времени искусственному горячему источнику (без затраты

40 какой-либо энергии). Произведение этого расхода на разность уровней в емкостях 22 и 21 (т.е. площадь обратного цикла на фиг.2) дает ту работу, которая была бы затрачена в

45 тепловом насосе, если бы задача создания искусственного горячего источника с температурой решалась без повышающего трансформатора.

В третьем режиме моделируется та50 кой случай понижающего термотрансформатора, когда естественный холодный источник ограничен и поэтому отнимает тепло только в прямом цикле, а в обратном цикле тепло отдается окруgt жающей среде (фиг. 4 и 5).

Для этого вентиль 31 должен быть закрыт, а вентиль 32 - открыт; пос- редством регулирования сопротивлений I2 и 28 создается одинаковый уровень

приводит п действие электрогенератор 29, питающий электродвигатель 14, кинематически связанный с имитатором 1 .

Таким образом, техническая работа, произведенная основным контуром, в конечном счете потребляется дополнительным контуром, который реализует обратный цикл в составе бинарного цикла трансформатора тепла.

Во втором режиме моделируется такой случай повьтающего термотрансформатора, когда естественный горятемпературу искусственного горячего источника Т у.

уровень в емкостях 6 и 21. Этот уровень имитирует TeNmepaTypy окружаю- щей среды TQ. Уровень в емкости 5 имитирует TeNmepaTypy естественного горячего источника Тр, а уровень в емкости 22 - более высокую (в этом смысле повьтающего трансформатора)

ет поток энтропии к искусственному

горячему источнику, а произведение этого расхода на уровень в емкости 22 имитирует полезное тепло, отданное в единицу времени искусственному горячему источнику (без затраты

какой-либо энергии). Произведение этого расхода на разность уровней в емкостях 22 и 21 (т.е. площадь обратного цикла на фиг.2) дает ту работу, которая была бы затрачена в

тепловом насосе, если бы задача создания искусственного горячего источника с температурой решалась без повышающего трансформатора.

В третьем режиме моделируется такой случай понижающего термотрансформатора, когда естественный холодный источник ограничен и поэтому отнимает тепло только в прямом цикле, а в обратном цикле тепло отдается окружающей среде (фиг. 4 и 5).

Для этого вентиль 31 должен быть закрыт, а вентиль 32 - открыт; пос- редством регулирования сопротивлений I2 и 28 создается одинаковый уровень

14AAS70

в емкостях 5 и 22, Этот уровень тирует температуру окружаюп1вй среды ТОР о Уровень в емкости 6 имитирует температуру естественного холодного источника Tg, а уровень в емкости 21 - более низкую (в этом смысл пон.- жающего трансформатора) температуру искусственного холодного источника Ти

Расход через сопротивление 275из- меряемый расходомером 25, имитирует, поток энтропии от искусственного хо лодного источника, а произведение этого расхода на уровень в емкости 21 имитирует полезное тепло, отнятое в единицу времени от искусственного холодного источника (без затраты какой-либо энергии), т.е. имитирует произведенный холод. Произведение этого расхода на разность уровней в емкостях 22 и 21 (т«ев площадь обратного цикла на фиг,4) дает ту работу, которая была бы затрачена в холодильной машине, если бы задача создания искусственного холодного источ ника с температурой. Т {4. Т g решалась без понижающего трансформатора. Проводится сравнение этих вариантов.

В четвертом режиме {фиг 6 и. 7) моделируется: такой случай, когда, располагая естественной разностью температур Tg, требуется получить одновременно два искусственных истот ника (горячий и холодный)-с перепадом температур между ними jT -JTge Ддя этого перекрываются оба запорных вентиля (32 и 31).

Положительный эффекУ предлагаемого технического решения заключается в возможности моделирования на одном стенде как одноконтурных циклов Кар но во влажном паре так и бинарных циклов различных трансформаторов теп ла (повышающего, понижающего, комбинированного), а также в возможности 01равнения разных путей получения искусственных температур, что позволя™ ет повысить обучающий эффект основного изобретения.

ормула

6

и 3 о б

р е т е н и я

g

5

0

П iO

iXH326 28

25 27 4ZHXb

Фае.

L

Фие.г

Г Гос

IUL

I I

-у

I

/У/ yV/ Х/У X// /X/ X

Q)0m6

Т

J

Фиа.

r / x/x /X/ /// X// УХ/ /

/x/ /// //y //X /xv

zt. «f

/// xVx /X/ /хх /vv /vv

Фив.6

$

У/ / Х УХ X/V

/// /У //77

ХХ/ У

ui(/nff.

Фи9.7

xvv x/v xvv Хх