Комплексный стенд для исследования процессов теплообмена Советский патент 1992 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к учебным пособиям по теории теплообмена.

Известен лабораторный стенд для изучения процессов теплопереносэ излучением, включающий опытный элемент, включенный в электрическую цепь, и приборы для измерения температуры на его поверхности.

Недостаток заключается в ограниченных функциональных возможностях. Это, во-первых, связано с тем, что он позволяет исследовать излучительную способность только металлического материала (да и то с достаточно большим электросопротивлением). Во-вторых, на нем не представляется возможным проводить лабораторные работы по исследованию других процессов теплообмена. Это ограничивает возможности повышения эффективности проведения учебных занятий, снижает точность проводимых лабораторных исследований.

Известен лабораторный стенд для исследования процессов теплообмена, включающий три опытных цилиндрических элемента с расположенными на них термопарами. Недостатками указанного стенда являются ограниченные функциональные возможности. Это обусловлено тем, что на нем невозможно проводить комплексное исследование теплообменных процессов что могло бы обеспечить существенное повышение эффективности лабораторного практикума.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Для достижения этой цели в лабораторном стенде для изучения процессов теплообмена, включающем опытные элементы в виде трех цилиндрических нагревателей с размещенными на них термопарами, на поверхности этих элементов нанесен слой исследуемого материала и термопары

v|

N

5

расположены на поверхностях этого слоя, элементы параллельно включены в электрическую цепь, причем половина боковой поверхности первого из них имеет покрытие со степенью черноты, близкой к единице, половина поверхности второго имеет покрытие со степенью черноты близкой : единице, а другая - близкой к нулю, поверхность третьего элемента наполовину имеет покрытие со степенью черноты, близ- кой к нулю.

Такое выполнение лабораторного стенда позволяет расширить его функциональные возможности, так как допускает комплексное иослодовап- о .с пиобме ныч процессов, чго cnocoGci вует поз шанмю качества учебных занятий повышает точность провидимых исследований, уменьшает кэлич-эстиО необходимого оборудования, снижав энергозатраты ч а проведение экс- перимента, ум&ньшает время, зафачивае- мое студентам - нз окс.юриме.нг.

На фиг. 1 показан ляборагорный стенд, общий вид; на ф|/ь. - один из опытных элементов стенда, разрез.

Лабораторной стенд включаем опытные злзмерты 1-3 а виде тр.-бчагых О ек гр „ :;;-,г- ревателей одинаковых геометрических р,; j меров и одинакового электрического сопротивления, параллельно подсоединен- ные к электрической сети через регулятоо напряжения и ваттметр (не показан). Опы ные элементы включя-ог нагревателя 4 с нанесеннглм и н их поверхности слоями исследуемого .материала 5 Термопары 6 уста новлены на поверхностях слоев. С к.риов элементов установлены тепловые из..ято- ры 7. Полов пэ РОКОРОЙ поверхности элемента 1 имеет покрытие со степенью черноты, близкой к единице (например. алюминиевая фольга с напылением сажи), ч, другая половина поверхности - caw исследуемый материал. Половина боковой поверхности элемента 2 также имеет покрытие ч, а другая - из алюминиевой фольги, степень черноты которой блиька /. нулю ( ЈD 0,0Л) и обозначена D.

Элемент 3 на половине поверхности имеет покрытие б, другая половина поверхности - сам исследуемый материал с.

Лабораторный стенд работает следующим образом..

В электрической цепи опытных элементов устанавливается посредством регулятора некоторое начальное напряжение и через интервал времени, необходимы, для установления стационарного температурного режима, производят замер параметров (толщину слоя исследуемого материала выбирают такой, чтобы это время было не более 20 мин).

Затем, последовательно увеличивая напряжение, производят еще два опыта на С ационарных температурных режимах, производят обработку опытных данных по методике, соответствующей лабораторной работе.

Лабораторная работа Исследование лучистого теплообмена,

В задачу эксперимента входит определение степени черноты поверхности исследуемого материала с.

Принятая в настоящее время методика пооведения такого исследования предполагает наличие трех опытных элементов: с поверхностью, близкой к абсолютной черной, с поверхностью, близкой к абсолютно белой и исследуемой поверхностью. Далее на каждом чз трех рехммов с помощью регуляторов напряжения нагрузку на каждом из .н ов необходимо подбирать так. чтобы «е перэгуры поверхностей элементов оказались одинаковыми (это обусловлено методикой расчета). Этот момент является Ьоиболе слабым местом известной методики, так как выполнить указанное условие с соблюдением стационарное и режима каждого элементь чрезвычайно трудно (особенно учитывая ограниченность времени учебного занятия). Но если оно выполнено, то для каждого из элементов из (черного - ч , белого - б1, серого - с) можно записать уравнение:

Q -c Uife T lH100

-ч v, - L400

а- г--(Тп -Тв).р((1 +

а F ( Тп - Тв);

п -- - г . F г ( п У - ( в у51 4Uc ic L L адJ ( TOO ) J +

F-Г

TB);

де Оч, Об Ос - величины теплового потока, подводимого к каждому элементу, Вт;

ч , ЕЬ ,Ј с-ксэффициентыстепеничерноты поверхностей;

С - коэффициент лучеиспускания эбсо- пютно черного тела;

а - коэффициент теплоотдачи от поверхности к воздуху;

Тп и Тв - температуры поверхности и воздуха, К.

Далее производим следуюи преобразования:

Q4 - Ос

Qc - Об

(Јч-Јс)С.р-(4)4-(-Й)4

(ec-Ј6)c-F(4)4-()Y

еч - ec Оч - Qc

A;

ec - Јб Qc - Об EC - Јб A

Јc 1 +A

По такой методике функционирует, например известный лабораторный стенд.

В заявленном стенде данную работу оказывается возможным организовать более эффективно для учебного процесса.

В этом случае три рабочие группы студентов (подгруппа из 12 человек делится на три рабочие группы по 4 человека) выполняют замеры на трех температурных режимах. При наличии одного регулятора электрической нагрузки установить одинаковую температуру на поверхностях элементов практически невозможно (тем более, что в пределах каждого опытного элемента через его половины с разным состоянием поверхности проходит одинаковое количество тепла). Однако в заявленном стенде в этом нет необходимости. Опыты производят на трех произвольных режимах тепловых нагрузок (последовательно ее увеличивая). Каждая рабочая группа по полученным данным строит график зависимости: Тп f(Q) (фиг. 3).

Далее для обработки опытных данных во всех группах назначаются одни и те же температуры (ТП1, ТП2 и т.д.) и по ним на каждом графике находят соответствующие значения тепловых нагрузок.

Таким образом, в каждой рабочей группе по ранее приведенной формуле для Јс(при этом каждая группа использует недостающие данные у другой группы, например, группа № 1, имеющая данные по с, и ч, у группы № 2 берет данные по элементу б, а группа № 2, имеющая данные по б и ч, берет в группе № 3 данные по элементу с, а последняя дополняет свои дзнные опытными данными по элементу ч, из группы № 1, может быть найдено соответствующее количеству заданных значений температур число значений Јс . Затем строят графическую зависимость Јс f(Tn), что является задачей лабораторной работы. На этом же лабораторном стенде можно производить по известной методике лабораторные работы Исследование конвективного теплообмена при свободном движении потока, Исследование теплопроводности материала методом трубы. Однако, принципиальное различие здесь заключается в следующем. На известных стендах, за одно учебное занятие можно на трех режимах (на

большее не хватит времени) получить только три опытных точки для установления требуемых в каждой работе зависимостей, что совершенно недостаточно, В заявленном стенде на каждом элементе получается

шесть точек (на двух половинах элемента различные температурные режимы). Кроме того, между группами производится следующий обмен опытными данными: первая группа использует дополнительно данные

второй группы, вторая - третьей, третья - первой.

Таким образом, каждая группа получает для обработки двенадцать температурных режимов.

Используя такой стенд для выполнения лабораторных работ, уменьшают число необходимого лабораторного оборудования (например, при выполнении трех раздельных стендов для указанных лабораторных

работ потребовалось бы пять нагревательных элементов и пять автотрансформаторов, для заявленного стенда - три нагревательных элемента и один автотрансформатор), стоимость стенда, упрощает

его изготовление.

Кроме того, использование комплексного стенда позволяет существенно сократить время, затрачиваемое на проведение эксперимента, так как опытные данные, полученные на первом занятии, могут быть использованы для расчета всех трех лабораторных работ.

Формула изобретения Комплексный стенд для исследования

процессов теплообмена, включающий опытные элементы в виде трех цилиндрических нагревателей с размещенными на них термопарами, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, на поверхности элементов нанесен слой исследуемого материала, а термопары расположены на поверхностях этого слоя, элементы включены в электрическую цепь параллельно, причем половина

боковой поверхности первого из них имеет покрытие со степенью черноты, близкой к единице, половина поверхности второго имеет степень черноты, близкой к единице, а другая - близкую к нулю, половина поверхности третьего элемента имеет степень черноты, близкую к нулю.

Ч

К

Ј Ј t Ј

Изобретение относится к лабораторному оборудованию и может быть использовано при постановке лабораторных работ по теплотехническим дисциплинам. Сущность изобретения: в лабораторном стенде, включающем опытный элемент в виде цилиндрического нагревателя с размещенным на его поверхности слоем исследуемого материала и термопарами на поверхностях этого слоя, таких элементов параллельно в электрическую цепь включается три, причем половина боковой поверхности первого из них имеет покрытие со степенью черноты, близкой к единице (алюминиевая фольга с напылением сажи), а другая - сам материал, половина поверхности второго имеет покрытие со степенью черноты, близкой к еди- нице, а другая - близкой к нулю (алюминиевая фольга), поверхность третьего элемента наполовину имеет покрытие со степенью черноты, близкой к нулю, а вторая - половина - сам материал. Стенд позволит проводить на нем эксперименты по конвективному и кондуктивному теплообмену. 3 ил. (Л С