Устройство для моделирования конвективных токов в больших объемах Советский патент 1982 года по МПК E21F1/02 

(5) УСТРОЙСТВО для МОДЕЛИРОВАНИЯ КОНВЕКТИВНЫХ токов в БОЛЬШИХ ОБЪЕМАХ

Изобретение относится к горной промышленности вентиляции горных разработок и может бьпь использовано при изучении движения конвективных токов , вызванных разностью температур в замкнутых объемах карьеров, шахт и т.п. Известно устройство для моделирования потоков воздуха в карьерах, включающее модель бортов карьера , позволяющих изменять профиль и аппаратуру контроля 1. Недостатком этого устройства является невозможность одновременной фиксации параметров в различных точках модели, так как их измерение прризардится с помощью серийных термоанемометров, которые создают существенные погрешности при измерениях. Такая модель не позволяет изучение поведения атмосферы при различных температурных режимах. Кроме того, работа этого устройства основана на измерениях параметров в одной точке, и устройство не имеет индикаторов, которые позволили бы одновременно фиксировать эти же параметры во всем объеме модели с дальнейшим переносом состояния атмосферы на натуру. Известно также устройство для моделирования газовых потоков, включающее герметичную камеру., в которой помещена модель горной выработки, и аппаратуру контроля 2. Недостатком этого устройства является то, что с его помощью нельзя производить изучение конвективных токов, возникающих при наличии разности температур. Целью изобретения является исследование на модели конвективных токов различной скорости и направления за счет фиксации температуры, скорости и направления конвективных токов с импульсами возмущения различной длительности в любой точке модели. Цель достигается тем, что устройство снабжено термостатированным шкафом, в котором установлена герметичная камера, выполненная из прозрачного материала, с образованием между ее стенками и стенками термостатированного шкафа полости, разделенной посредством-теплоизоляционной перегородки на две части, фреоновым испарителем, нагревателем и термометром, установленными в полости, венти лятором для циркуляции воздуха в пог лости, возмутителем конвективных токов и индикаторами температуры и направления конвективных токов, помеще ными внутри герметичной камеры,; а так же системой подачи и системой подготовки воды, причем возмутитель конве тивных токов соединен с системой подачи воды, которая соединена с систе мой подготовки воды, а индикаторы те пературы и направления конвективных токов соединены с аппаратурой KOHTPO Возмутитель конвективных токов выполнен в виде плоского теплообменного радиатора. Система подачи воды выполнена в виде термостатированных емкостей. Система подготовки воды выполнена в виде радиаторов с каналами для. циркуляции воды и теплоэлектрических батарей, при этом теплоэлектрические батареи установлены между радиаторами и соединены с ними своими полюсами, а каналы одного из радиаторов соединены с системой подачи воды в возмутитель. Индикаторы температуры и направления конвективных токов выполнены в виде термопар и лепесточков, которые закреплены внутри герметичной камеры посредством горизонтальных нитей. На фиг. 1 показано устройство для моделирования конвективных токов в больших объемах, общий вид; на фиг. 2то же, с установкой в герметичной камере модели карьера; на фиг. 3 индикатор температуры и направления конвективных токов, общий вид; на фиг. k - то же, вид сверху; на фиг. 5 разрез А-А на фиг. 1. Устройство содержит термостатированный шкаф 1, фреоновый испаритель 2, нагреватель 3 и термометр k. Постоянная температура в шкафу поддержи вается компрессором 5, испарителем 2 и подогревателем 3, которые управляются автоматическим регулятором 6, связанным с блоком питания 7 при этом компрессор 5 соединен с испарителем 2 трубопроводом 8, по которому подается жидкий фреон в испаритель 2, термометр 4 связан с автоматическим регулятором 6 проводами 9, а автоматический регулятор 6, в свою очередь, соединен проводами 10 с электрическим нагревателем 3. Внутри герметичногошкафа 1 помещена герметичная камера 11. Камера 11 выполнена из прозрачного материала например органического стекла, а пространство 12, образованное внутренними стенками шкафа 1 и камерой 11, разделено теплоизолирующей перегородкой 13 на две части, между которыми помещен вентилятор 1Л . Внутри герметичной камеры 11 помещен возмутитель 15, который с помощью трубопровода 16 соединен с системой 17 подачи воды. Трубопровод 18 предназначен для слива использованной воды из возмутителя 15. Система 17 подачи воды R возмутитель 15 состоит из термостатированных емкостей 19 и 20. Емкость 19 содержит воду с температурой, отличающейся от температуры атмосферы в герметичной камере 11 и зависит от требуемого возмущения, т.е. необходимого перепада температурi при котором необходимо моделировать конвективные токи внутри камеры 11. Емкость 20 заполнена водой при температуре, равной температуре атмосферы камеры 11. Каждая емкость 19 и 20 снабжены сливными трубопроводами 21 и 22, с помощью которых поддерживается постоянный уровень воды. Система 17 подачи воды содержит вентили 23-27, через которые производится наполнение емкостей 19 и 20 водой и подача ее в возмутитель 15- Система 17 подачи воды соединена трубопроводом 28 с системой 29 подготовки воды, а трубопроводом 30 - с водопроводной сетью. Система 29 подготов.ки воды содержит термоэлектрический генератор холода-тепла, выполненный 8 виде термоэлектрических, батарей 31, которые помещены между радиаторами 32 и 33 с каналами 3 и 35, по которым циркулирует вода. Каналы 3 радиатора 32 соединены трубопроводом Зб с водопроводной сетью, а трубопроводом 28 - с системой 17 подачи воды. Каналы 35 радиатора 33 трубопроводом 37 тоже соединены с водопроводной се;1ью, .а трубопровод 33 предназначен для слива воды. Расход воды, поступающей в систему 29 подготовки воды, регулируется с помощью вентилей 39 и 0. Термоэлектрические батареи 31 питаются от реверсивного регулируемого источника 1 постоянного тока, с помощью которого регулируется холодо производительность генератора холъда тепла. Устройство для моделирование содержит измерительный комплекс 2, содержащий помещенные внутри герметичной камеры 11 термопары 3 рав-, номерно расположенные в вертикальной симметричной плоскости и закрепленные на горизонтальных нитях 4..На этих же нитях 44 закреплены индикато ры конвективных токов 45, выполненные в виде лепестков из легкого гибкого материала, например шелка. Кроме измерительных термопар 3, возле возмутителя 15 установлены термопары 46 и 47, контролирующие температуру воздуха около нижней и верхней теплообменных поверхностей .возмутителя 15, а термопары 48 и 49 - температуру на входе и выходе воды из него. Термопары 43, расположенные в камере 11, выведены на общий клемник 50, расположенный в пространстве 12, и проводами 51 через герметичные проходные устройства 52 соединены с осциллографом 53. Термопары 46-49 выведены на переключатель 54 компенса-г ционными проводами тоже через аналогичные проходные устройства. Переклю чатель 54 через термостатированный сосуд 55 со льдом и помещенной в нем термопарой 56 соединен с потенциомет ром 57- Позицией 58 показана модель карьера. Моделирование конвективных токов в больших объемах с помощью предложенного устройства осуществляется следующим образом. Натурный объем, в котором требует ся изучать конвективные токи, пересчитывается на модель с учетом существующих критериев подобия и геоме рической аналогии. Модель исследуемо го объема помещается в герметичную камеру 11 с возмутителем 15 и индика торами температуры и направления кон вективных токов, состоящих из термопар 43 и лепестков, помещенных на горизонтальных нитях. Температура в воздушном пространстве 12 с помощью автоматического регулятора 6, фреоно вого компрессора 5 с испарителем 2 и нагревателя 3 поддерживается все время постоянной и необходимой величины. Уровень температуры регулирует iся посредством контактного термометра 4. Равномерность температуры по 9 7 объему камеры 11 обеспечивается вентилятором 14, установленным между перегородкой 13. С помощью возмутителя 15 и системы 17 подачи воды в него при различных температурах поступает вода и тем самым атмосфера воздуха в камере 11 возмущается. Эта температура измеряется термопарами 43 и записывается с помощью осциллографа 53, по положению индикаторов направления конвективных токов 45 и скорости, определяемой по осциллограммам, судят о характере конвективных токов в камере 11. Система 17 подачи воды в возмутитель 15 выполнена таким образом, что позволяет возбуждать температуру в камере 11 как длительно так и кратковременно, что осуществляется с помощью вентилей 25, 26 и 27. Если необходимо производитдлительное возмущение, то «при этом, открывают вентили 25 и 27, а вент.иль 26 закрывают. Вода из сосуда 19 при температуре, отличной от температуры воздуха камеры 11, по трубопроводу 16 поступает в возмутитель 15, охлаждает или нагревает его и по трубопроводу 18 сливается. При необходимости импульсного возмущения кратковременно открывают вентили 25 и 27, пропуская мерное количество воды через возмутитель 15, потом закрывают вентиль 25 и открывают вентиль 26, пропуская через возмутитель 15 воду при температуре, равной первоначальной температуре камеры 11. Этим можно создавать импульсное возмущение температуры в камере 11 различной длительности и скорости нарастания фронта импульса. В системе 29 подготовки вода из сети по трубопроводу Зб и вентилю 39 поступает в теплообменник, где охлаждается или нагревается термоэлектрическими батареями 31 ипо трубопроводу 28 подаетdя через вентили 23 и 24 в емкости 19 и 20. Нагрев или охлаждение воды в радиаторе 32 зависит от направления тока в термоэлектрических батареях 31, который регулируется реверсивным источником 41 постоянного тока. По радиатору 33 вода из сети по трубопроводам 37 и 38 поступает на слив и тем самым к одноименным спаям термобатареи 31 подается необходимое количество тепла, которое зависит от того, .какую температуру необходимо получить в радиаторе 32. Вода из водопроводной сети по трубопроводу 30 может подаваться в емкость 20, благодаря чему можно путем смешивания быстро подготовить во ду необходимой температуры. С помощь термопар 6 и 47, потенциометра 57 осуществляется контроль температуры окружающего возмутитель 15 воздуха, а термопарами k8 и контролируется температура входящей и выходящей во; ды из возмутителя 15. Температуры, измеряемые термопарами 6, 7) 8 и 9, посредством нулевой термопары 5б, помещенной в термостатированный сосуд 55-С температурой измеряются потенциометром 57 в абсолютных единицах. Для поочередного подключе ия указанных термопар служит многопозиционный переключатель Предлагаемое устройство используется при моделировании конвективных токов в глубоких карьерах, показывает высокую точность измерения направ ления скорости и температуры воздушных потоков в герметичной камере, что позволяет значительно снизить расходы на исследования атмосферных явлений при различных перепадах температур, так как обеспечивает замену трудоемких натурных испытаний испыта ниями на моделях. Применение предложенного устройства позволяет существенно сократить время и средства при изысканиях и проектировании систем вентиляции большых объемов. Оно может быть использовано для натурного моделирования воздушнь1х потоков применительно к различным средствам искусственной вентиляции карьеров в пе рио/: ы шаилей и инверсий. Ощутимый эф фект данное устройство может дать при выдаче практических рекомендаций по проветфиванию карьеров, подземных камер больших объемов, крупнь1х промышленных зданий, спортивных и други сооружений. Формула изобретения 1. Устройство для моделирования конвективных токов в больших объемах включающее герметичную камеру, в которой помещена модель горной выработ ки, и аппаратуру контроля, отличающееся тем, что, с целью исследования на модели конвективных токов различной скорости и направления за счет фиксации температуры, скорости и направления конвективных токов с импульсами возмущения различ НОЙ длительности в любой точке модели, устройство снабжено термостатированным шкафом, в котором установлена герметичная камера, выполненная из прозрачного материала, с образованием между ее стенками и стенками термостатированного шкафа полости, разделенной посредством теплоизоляционной перегородки на две части, фреоновым испарителем, нагревателем и термометром, установленными в полости, веитилятором для циркуляции воздуха в полоЬти, возмутителем конвективных токов и индикаторами температуры и направления конвективных токов, помещенными внутри герметичной камеры, а также системой подачи и системой подготовки воды, причем возмутитель конвективных токов соединен с системой подачи воды, которая соединена с системой подготовки воды, а индикаторы температуры и направления конвективных токов соединены с аппаратурой контроля. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что возмутитель конвективных токов выполнен в виде плоского теплообменного радиатора. 3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система подачи воды выполнена в виде двух термостатированных емкостей. . Устройство по п. 1 , о т л ичающееся тем, что система подготовки воды выполнена в виде радиаторов с каналами для циркуляции Воды и термоэлектрических батарей, при этом теплоэлектрические батареи становлены между радиаторами и соединены с ними своими полюсами, а каналы дного из радиаторов соединены с системой подачи воды в возмутитель. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что индикаторы температуры и направления конвектйвных токов выполнены в виде термопар и лепесточков, которые закреплены внутри герметичной камеры посредством горизонтальных нитей. ; Источники информации, принятые во внимание при экспертизе Т. Вентиляция шахт и рудников. Сборник, аып, 5, Л., 1978, с. 23. 2. Авторское свидетельство СССР № , кл. Е 21 F 1/02, 1978 (прототип).

WW

/

, J

fuz.2

п

щтт

W / /