Жидкостной термостат Советский патент 1992 года по МПК G01K15/00 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано при изготовлении и поверке термометров.

Известен жидкостной термостат, состоящий из корпуса и крышки, которая несет у цилиндрической стенки резервуара близко расположенные рядом друг с другом нагреватель, термодатчик и вал с приводом от мотора, а другая часть крышки - приспособление для подвешивания термостати руемых элементов в центре резервуара и мешалку.

Мешалка состоит из проходящего по всей высоте резервуара вала, с помещенными на последнем на равном расстоянии горизонтальными круглыми стабилизирующими дисками, между которыми натянута вертикальная проволока. Мешалка уплотнена полуцилиндрическим неподвижным экраном, а между кромками и стенкой резервуара образованы два зазора.

Принцип работы следующий: с помощью мешалки с защитным экраном, помещенной непосредственно у стенки резервуара, создается по всей высоте замкнутый в себе цилиндрический слой жидкости, который выходит с большой скоростью из зазора, образованного между кромкой экрана и стенкой, циркулирует вдоль внутренней стенки резервуара с большой скоростью и входит во второй зазор между кромкой экрана и стенкой опять в мешалку.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является жидкостной термостат, содержащий корпус с помещенным в нем цилиндрическим резервуаром, крышку, на которой закреплены нагреватель, термодатчик и мешалка с приводом от

XI СО

ю

ю

мотора, приспособления для креплениятер- мостатируемых элементов, на крышке установлена платформа с возможностью вращения, в резервуаре расположены стойки, на стойках установлена плита, выравни- ватель температуры теплоносителя, выполненный в виде вала с расположенными по всей его длине на одинаковом рассто- янии одна от другой лопатками и расположенный в центре рабочей части резервуара и закрепленный на стойках, а также направляющие пластины одинакового радиуса кривизны, размещенные на внешней стороне плиты с зазором относительно стоек, причем приспособление для крепления термостатируемых элементов жестко связано с платформой.

Недостатками данного жидкостного термостата являются, непродолжительный срок службы и недостаточная эффективность работы испарителя, обусловленная применением в качестве источника холода нерегулируемого фреонового холодилного агрегата, быстро выходящего из строя; термостат экологически небезопасен в случае утечки фреона в момент пуска системы и аварийной разгерметизации системы (разрушение азонного слоя атмосферы фреоном).

Цель изобретения - повышение эффективности путем обеспечения использования одного охладителя во всем рабочем температурном диапазоне, увеличение срока службы устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве источник холода выполнен в виде вихревой трубы с внутренней футеровкой ее камеры в форме моллированной стек- лянной трубки, через введенный распределительный кран соединенной своими выходными штуцерами с испарителем.

Существенными отличиями предлагаемого устройства является то, что источником холода и тепла является воздушная вихревая труба; внутренняя коническая часть вихревой трубы футерована моллированной стеклянной трубкой; используют энергию воздуха, холодного - для охлаждения, горячего - для нагрева, а в подготовительной части резервуара испаритель соединен через распределительный кран с вихревой трубкой, имеющей выход холодного и нагретого потока к испарителю.

На фиг.1 изображен жидкостный термостат, общий вид; на фиг.2 - вихревая труба с футеровкой конического канала моллированной стеклянной трубкой.

Жидкостной термостат содержит корпус 1, помещенный в нем цилиндрический

резервуар 2, изолированный от корпуса термоизоляцией 3, крышку 4.

Часть резервуара 2, в которой на крышке 4 закреплен нагревательный элемент 5,

термодатчик 6, испаритель 7, мешалка 8 с приводом от мотора 9, накрытая кожухом 10, является подготовительной частью резервуара, так как в ней осуществляется предварительная подготовка жидкости. Над

другой частью резервуара, рабочей, на крышке помещена вращающаяся платформа 11, на ней установлено приспособление 12 для крепления термостатируемых элементов 13.

В центре рабочей части резервуара на стойках 14, жестко связанных с плитой 15, закреплен выравниватель 16 температуры теплоносителя. Управление нагревательным элементом 5 через термодатчик 6 осуществляется электронной схемой, размещенной в пульте 17, здесь же вывод информации в градусах с точностью до одной сотой градуса Цельсия на электронное табло.

Для наблюдения за термостатируемыми элементами (например, термометрами) имеется смотровое окно 18, фонарь 19 подсветки, увеличитель 20, для циркуляции жидкости имеется нижний канал с размещенной в ней направляющей решеткой 21 и верхний канал, регулируемый цилиндрической заслонкой 22.

Рабочая зона цилиндрического резервуара закрывается теплоизолированной

крышкой 23.

Для поддержания температуры теплоносителя в подготовительной части жидкостного термостата служит вихревая труба 24, соединенная с испарителем 7 распределительным краном 25 (фиг.1).

Вихревая труба 24 (фиг.2) состоит из улитки 26, плоской шайбы 27, моллированной конической стеклотрубки 28, установленной в корпусе вихревой трубы 29.

К улитке 26 через штуцер 30 подводится регулируемый воздух под давлением. Холодный воздух отводится штуцером 31, горячий воздух через щелевой диффузор Л, штуцер 34 поступает в теплообменник,

где охлаждается и уже охлажденный поток через штуцер 33 и патрубок 32 вдувается по оси вихревой трубы, увеличивая холодопро- изводительность.

Холодный и горячий потоки воздуха подаются через распределительный кран 25 к испарителю 7. При работе в режиме нагрева, кроме нагревателей 5 от электросети, теплопередача к жидкости осуществляется нагретым потоком от вихревой трубы через

испаритель 7, обеспечивая таким образом более быстрый выход на режим.

Жидкостной термостат работает следующим образом.

Термостатируемые элементы 13 устанавливаются в приспособление 12 для их крепления на глубину, необходимую для контроля через смотровое окно 18. Включение мешалки 8, нагревателя 5 и подвод нагретого воздуха в испаритель 7 при положительных температурах, т.е. в случае нагрева, а при отрицательных температурах, т.е. в случае охлаждения, подвод холодного воздуха к испарителю 7 рукояткой распределительного крана 25 воздуха от вихревой трубы 24 подготавливает теплоноситель и прокачивает через нижний канал резервуара.

В предлагаемом устройстве осуществляется более быстрый нагрев за счет работы нагревателей и нагретого потока от вихревой трубы, и охлаждение, так как испаритель работает на нагретом и на холодном потоке воздуха, что приводит к быстрому выходу на режим и повышению эффективности работы установки в целом.

Изменяя давление на вход вихревой трубы можно регулировать температуру выхода холодного и нагретого потока, приближая ее к заданной в определенных пределах возможностей данной вихревой трубы.

Рассмотрим циркуляционный поток перед теплообменником из уравнения теплового баланса, имея в виду, что воздух проходит испаритель, находящийся в воде „ в термостате.

Тг - (Гс - /Ях + Мг - Тто)/(1 -ft + fi ), где Тто - температура воздуха после теплообменника, зависящая от параметров охлаждающей среды и типа теплообменника.

Для расчета принимают, что среда (вода) имеет температуру 293 К, температурный напор между воздухом на выходе из испарителя и водой составляет 10 К, тогда Тто 303 К.

Мг 0,5

Тг (300-0,3-245 + 0,5 303)7(1-0,3+0,5) 315 К.

Температура нагретого потока на выходе из вихревой трубы будет выше, так как нет расхода тепл ого потока на отдачу энергии тепла воде.

Определяют из уравнения баланса 0,5.

Тг Тс+ АТХ (1тм ),

Тг 300 + ,6/1-0,6 355 К.

Нагретый воздух в вихревой трубе данной конструкции можно использовать до температуры 355 К, эта температура достаточна для нагрева среды (воды) в термостате до заданной температуры.

Подготовленный теплоноситель прокачивается через нижний канал резервуара,

где температура теплоносителя регистрируется термодатчиком 6. Жидкость направляется через решетку 21 снизу вверх через выравниватель 16, обтекая термостатируе- мые элементы 13, протекает через отвер0 стия в заслонке 22 в подготовительную камеру и попадает на нагреватель 5 и испаритель 7.

При обтекании испарителя происходит нагрев или охлаждение в зависимости от

5 того, на каких режимах работает устройство.

Нагрев или охлаждение осуществляется от вихревой трубы 24 через распределительный кран 25.

0 Давление воздуха, поступающее на штуцер 30 (фиг.2), регулируемое, далее воздух поступает на улитку 26 и, выходя из улитки, закручивается, приводя к образованию охлажденного и нагретого потоков, ка5 ак результат перераспределения энергии входящего в вихревую трубу сжатого воздуха. При отсутствии теплообмена с окружающей средой суммарное количество энергии охлажденного нагретого потоков по закону

0 сохранения энергии равно количеству поступающего воздуха, холодный поток проходит через штуцер 31, нагретый поток проходит через щелевой диффузор Д,шту- цер 34, поступает в теплообменник, где от5 дает тепло, и уже охлажденный поток через штуцер 33 и патрубок 32 вдувается по оси вихревой трубы, увеличивая холодопроиз- водительность. Выходные штуцера 31 и 34 соединены с испарителем 7 распредели0 тельным краном 25.

Футеровка внутреннего конуса корпуса вихревой трубы моллированной конической стеклотрубкой позволит улучшить энергетические процессы разделения сжатого возду5 ха, так как чистота внутренней поверхности моллированной конической стеклотрубки равна чистоте поверхности наружного конуса, высокую чистоту которой легко получить полировкой. Получить высокую чистоту по0 верхности конуса трубки в металле гораздо сложнее. Требования, предъявляемые к поверхности разделительной камеры вихревой трубы, следующие: чистота поверхности конуса; износостойкость; термостойкость;

5 коррозионностойкость.

Скорость воздуха в разделительной камере может достигать сверхзвуковой, поэтому малейшая шероховатость приводит к сильным шумовым эффектам, что вредит здоровью обслуживающего персонала.

Материал вихревой камеры, соответственно, должен обладать антикоррозионным качеством, это, в основном, нержавеющие стали и цветные металлы.

Высокая износостойкость может быть достигнута повышением твердости поверхностного слоя металла. Для обеспечения точности и чистоты поверхности внутреннего диаметра разделительной камеры ее футеруют моллированной стеклянной трубкой,

Моллирование осуществляется следующим образом.

В кусок стеклотрубки вкладывают полые калибры (любой формы) из жаропрочной стали и во внутренней полости трубки создают разрежение. Затем трубку в вертикальном положении нагревают в электропечи до температуры размягчения.

Стекло при этом облегает поверхность калибра, чем достигается точность и чистота внутренней поверхности трубки.

После моллирования нарезают заготовки (трубки), которые затем отжигают.

Абразивная твердость стекла выше, чем абразивная твердость металлов. Тоже самое можно сказать и про микротвердость.

Микротвердость оконного стекла (500- 600) HV (кгс/мм ), а микротвердость стекла Пирекс (700-800) HV (кгс/мм2).

Микротвердость бронзы - до 220 НВ, что соответствует 226 HV (кгс/мм2).

Нержавеющие стали с наплавленным слоем из смеси твердых порошков дают HRC 60, что соответствует 695 НV(кгс/мм ), но встает проблема обработки твердой конической поверхности для получения высокой чистоты, ибо после наплавления на поверхности остаются и шероховатости и неровности.

Таким образом, мы определяем, что для повышения эффективности работы термостата и увеличение срока службы вихревой трубы необходимо канал разделительной камеры футеровать наиболее твердым и позволяющим достичь высокой чистоты поверхности материалом - стеклом.

Наиболее твердым является кварцевое стекло, но оно дорогостоящее и плохо поддается моллированию.

Боросиликатное малощелочное стекло Пирекс с содержанием В20з до 10-12% хорошо моллируется, имеет высокую твердость.

Оконное стекло также хорошо моллируется, но его твердость ниже твердости стекла Пирекс на 300 (кгс/мм2) HV. Даже очищенный воздух, а фильтры очищают воздух только до 40 мкм, настолько насыщен микрочастицами, что является абразивным

материалом для внутренней поверхности вихревой трубы в процессе протекания через нее.

Таким образом, применение стекла марки Пирекс позволит увеличить срок службы устройства, приблизительно в 3 раза.

В камере разделения вихревой трубы температура нагретого потока достигает приблизительно 90°С, а холодного приблизительно - 25°С, поэтому стекло должно быть термостойким, т.е. перепад температуры At должен быть выше.

Термостойкость оконного стекла A t 60°С.

Термостойкость стекла Пирекс At 280°С, что удовлетворяет условиям работы камеры разделения в вихревой трубе.

Таким образом, требованиям, предъяв- ленным к поверхности в разделительной камере вихревой трубы, отвечает применение футеровки молилированной стеклянной конической трубкой из стекла марки Пирекс. При работе на влажном воздухе стекло- трубка более устойчива к коррозии, более износостойка.

Улучшение энергетических процессов разделения ведет к повышению эффективности работы вихревой трубы испарителя и установки в целом.

Повышение износостойкости конического канала вихревой трубы ведет к увеличению срока службы самой вихревой трубы, соединенной с испарителем, а следователь- но, к увеличению срока службы всего устройства в целом.

Формула изобретения

Жидкостной термостат, содержащий размещенный в корпусе резервуар с теплоносителем, в подготовительной части кото-, рого установлены нагреватель. испаритель, соединенный с источником холода, и мешалка с приводом, закрепленные на крышке, а в его рабочей части размещены приспособления для крепления термостати- руемых элементов и выравниватель температуры теплоносителя, отличающийся

тем, что, с целью повышения эффективности путем обеспечения использования одного охладителя во всем рабочем температурном диапазоне, источник холода выполнен в виде вихревой трубы с внутренней футеровкой ее

камеры в форме моллированной стеклянной трубки, через введенный распределительный кран соединенной своими выходными штуцерами с испарителем.

21

ФигЛ

10

/

25

2627

Фиг, 2

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при поверке термометров. Цель изобретения - повышение эффективности путем обеспечения использования одного охладителя во всем рабочем температурном диапазоне. В корпусе устройства размещен резервуар с теплоносителем, разделенный на две части - подготовительную, в которой установлены нагреватель, испаритель, соединенный с источником холода, и мешалка, и рабочую часть. В последней размещены приспособление для крепления термостатируемых элементов и выравниватель температуры теплоносителя, закрепленные на крышке корпуса. При нагревании выход термостата на заданный режим обеспечивается за счет работы нагревателя и подвода нагретого воздуха в испаритель от источника холода, выполненного в виде вихревой трубы с внутренней футеровкой ее камеры в форме мол- лированной стеклянной трубки. При охлаждении в испаритель через распределительный кран подается холодный воздух из вихревой трубы. 2 ил. (Л