Учебный стенд по технической термодинамике

 

Изобретение относится к учебнолабораторному 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 гидроаналогии 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), тегшоприемника. 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1> 4 0 09 В 23/1 6

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ".

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTkPblTHA

Н A BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1309073 (21) 4247773/31-1? (22) 22.05.87 (46) 15.12.88. Бюл. 9 46 (71) Красноярский политехнический институт (72) И.И.Андреев и Y) ° А.пшеничнов (53) 621.593 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1309073, кл. 0 09 В 23/16, 31.07.86. (54) ЬЧКВНЫй СТКНД ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ

ТЕРМОДИНАМИКЕ (57) Изобретение относится к учебнолабораторному оборудованию по термодинамике. Целью изобретения является расширение демонстрационных возможностей путем прямой и обратной циркуляций жидкости одновременно.

Стенд позволяет моделировать прямой цикл Карно в области насыщенного влажного пара и циклы различных

ÄÄSUÄÄ 1444870 А 2 трансформаторов тепла на основе гидроаналогии температуры и потока энтропии. Стенд имеет два аналогичных замкнутых гидравлических контура (основной и дополнительный), связанных между собой трубопроводами с запорными вентилями. Контур содержит гидравлические имитаторы парового нагнетателя, теплоотдатчика, паровой турбины (или турбодея андера), теплоприемника, 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 э.п, ф-лы, 7 ил.

1444870

Изобретение относится к учебно-лабораторному оборудованию по термодинамике, а более конкретно к таким устройствам, в которых тепловые про- 5 цессы заменяются некоторыми аналогичными процессами, имеющими иную физи» ческую природу, и может быть использовано при проведении занятий в лабораториях общей физики, теплотехники, 10 технической термодинамики, энергетических установок электростанций, Цель изобретения — расширение демонстрационных возможностей путем прямой и обратной циркуляции жидкос- 15 ти одновременно., На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого стенда; на фиг. 2 — моделируемый цикл повышающего термотрансформатора; на фиг.3 — 20 условная схема установки, реализующей этот цикл; на фиг. 4 — цикл понижающего термотрансформатора; на фиг. 5 — условная схема установки, реализующей этот цикл; на фиг. 6 — 25 комбинированный цикл термотрансформатора; на фиг. 7 — условная схема установки, реализующей этот цикл.

Стенд имеет два аналогичных замкнутых гидравлических контура: основ- 30 ной и дополнительный. Основной контур содержит имитатор 1 парового нагнетателя (им является гидравлический насос), имитатор 2 теплоприемника (им является конфузор), имитатор 3 паровой турбины (им является гидравлическая турбина), имитатор 4 теплоотдатчика (им является диффузор).

Над и под основным контуром расположены емкости 5 и 6, одна для по- 40 дачи и другая для отвода жидкости.

Емкости 5 и 6 посредством систем параллельных трубок 7 и 8 соединены соответственно имитаторами 4 ч 2, Между имитаторами 1 и 2 установлен об- 45 ратный 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 связан с электродвигателем 14, а имитатор 3 паровой турбины — с злектрогенератором 1 5.

Дополнительный гидравлический контур содержит соединенные по следов ательно имитатор 16 турбодетандера (им является гидравлическая турбина),имитатор 17 теплоприемника (им является конфузор), имитатор 18 парового нагнетателя (им является гидравлический насос), имитатор !9 теплоотдачика (им является диффузор).

Дополнительный контур имеет также

4 вспомогательное регулируемое гидравлическое 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 28, 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 турби-, ны, а в первом контуре наоборот), обратным расположением емкостей для подачи и отвода жидкости.

Стенд работает следующим образом.

В первом режиме имитируется работа тепловой электростанции. Дпя этого выводятся из работы второй контур и принадлежащие ему гидравлические и электрические элементы стенда, Это достигается закрытием :запорных 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 об" разом, в работе остаются первый контур и принадлежащие ему гидравличес-. кие и электрические элементы стенда;

l 444870 приводит в jTåéñòâèå 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 цикла трансформатора тепла.

Во втором режиме моделируется такой случай повышающего термотрансформатора, когда естественный горячий источник ограничен и поэтому отдает тепло только в прямом цикле, а в обратном цикле тепло отнимается от окружающей среды (фиг.2 и 3).

Для этого вентиль 32 должен быть закрыт, а вентиль 31 — открыт; посредством регулирования сопротивлений 13 и 27 создается одинаковый уровень в емкостях 6 и 21. Этот уровень имитирует температуру окружающей среды Т, . Уровень в емкости 5 имитирует температуру естественного горячего источника Т, а уровень в емкости 22 — более высокую (в этом смысле повышающего трансформатора) температуру искусственного горячего источника Т ц.

Расход через сопротивление 28, измеряемый расходомером 26, имитирует 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 источ" ника с температурой Т р Т 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).

Дпя этого вентиль 31 должен быть закрыт, а вентиль 32 — открыт; посредством регулирования сопротивлений

12 и 28 создается одинаковый уровень моделируется только прямой цикл Карно во влажном паре.

Жидкость под действием собственного веса перетекает из емкости 5 в ем5 кость 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- lð обратный цикл в составе бинарного ля электроэнергии (лампочку) и электродвигатель 14. Электродвигатель

14 приводит в действие имитатор который обеспечивает циркуляцию жидкости по основному замкнутому гидрав- 15 лическому контуру. За счет разности расходов жидкости через имитаторы 3 и 1 мощность, вырабатываемая генератором 1 5, превышает мощность, потребляемую двигателем !4, а полезная раз- 2п ность этих мощностей идет на питание имитатора потребителя электроэнергии.

Разность уровней жидкости в емкостях 5 и 6 имитирует разность температур горячего и холодного источников 25 тепла, а разность. расходов жидкости через имитаторы 3 и 1, измеряемая moбым иэ расходомеров 10 или 11, имитирует разность потоков энтропии через паровую турбину и через паровой комп- gp рессор объекта. Произведение этих разностей дает площадь цикла в координатах температура — поток энтропии и измеряет работу цикла в единицу времени. 35

Во втором, третьем и четвертом режимах моделируются циклы различных трансформаторов тепла. Для этого вводится в действие дополнительный замкнутый гидравлический контур и 4р принадлежащие ему элементы, Клеммы электрогенератора 15 замыкаются на клеммы электродвигателя 30, а клеммы электродвигателя 14 — на клеммы электрогенератора ?9. 45

Основной контур работает в прежнем режиме и реализует прямой цикл, но теперь электрогенератор 15 питает не потребитель электроэнергии, а электродвигатель 30, который приво- 50 дит в действие имитатор 18. В результате жидкость перекачивается из емкости 21 через трубки 23, имитаторы 17 — 19 и трубки 24 в емкость . 22. Циркуляция жидкости по дополнительному замкнутому гидравлическому контуру обеспечивается стеканием ч,асти ее через вспомогательное сопротивление 20 и имитатор 16, который

1444870 в емкостях S и 2?. Этот уровень имитирует температуру окружающей среды

Т . Уровень в емкости 6 имитирует температуру естественного холодного источника Т, а уровень в емкости

21 — более низкую (в этом смысл пони" жающего трансформатора) температуру искусственного холодного источника Q, Расход через сопротивление 27,измеряемый расходомером 25, имитирует. поток энтропии от искусственного холодного 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 2g в емкостях 22 и 21 (т,е. площадь обратного цикла на фиг.4) дает ту работу, которая была бы затрачена в холодильной машине, если бы задача создания искусственного холодного источ- 25 ника с температурой Т,

Б ч етв ер том р ежиме (фиг. 6 и. 7 ) моделируется: такой случай, когда, располагая естественной разностью температур ВТ р требуется получить одновременно два искусственных исто ника (горячий и холодный)-с перепадом температур между ними d7> Л Те

Дпя этого перекрываются оба запорных вентиля (32 и 31).

Положительный эффект предлагаемого технического решения заключается в возможности моделирования на одном 4О стенде как одноконтурных циклон Карно во влажном паре, так и бинарных циклов различных трансформаторов теп ла (повышающего, понижающего, комбинированного), а также в возможности равнения разных путей получения искусственных температур, что позволяет повысить обучающий эффект основного изобретения. формулаизобретения

1, Учебный стенд по технической термодинамике по авт.св. Ф 1309С73, отличающийся тем, что, с целью расширения демонстрационных возможностей путем прямой и обратной циркуляции жидкости одновременно, он снабжен дополнительным, аналогичным основному, замкнутым гидравлическим контуром, содержащим последовательно расположенные имитаторы теплоприемника и теплоотдачика, вы- . полненные соответственно в виде диффузора и конфузора, и две гидравлические машины для имитации турбодетандера и парового нагнетателя,электрогенератором, кинематически связанным с имитатором турбодетандера, и электродвигателем, кинематически связанным с имитатором парового нагнетателя, расположенными над и под гид" равлическим контуром емкостями для отвода и подачи жидкости, одна из которых ". системой параллельных трубок соединена с имитатором теплопри" емника, а другая — с имитатором теплоотдатчика,,при "-том емкость для отвода жидкости дополнительного гидравлического контура трубопроводом соединена с емкостью для подачи жидкости основного гидравлического контура, а емкость для подачи жидкостис емкостью для отвода жидкости, 2. Стенд по п.l о т л и ч а юшийся тем, что трубопроводы,сое диняющие емкости для подвода и отвода жидкости дополнительного и основного гидравлических контуров, оснащены запорными вентилями.

3. Стенд по п.l, о т л и ч а ю— шийся тем, что электродвигатель и электрогенератор дополнительного гидравлического контура электрически связаны соответственно с электрогенератором и электродвигателем основного гидравлического контура.!

444870. юг. 2

1444870! 444870

14448 70

Составитель Б. Гойфмян

Техред M.Ходанич.

Редактор Т,Парфенова

Корректор С.Щекмар

Тираж 459

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий!

)3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 6510/53

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Укгород, ул. Проектная, 4