Установка для исследования теплового потока

 

Изобретение относится к теплообмену при кипении жидкости и может быть использовано для исследования теплообмена при испарении жидкости и режимов испарительного охлаждения теплонапряженных элементов технических устройств в различных отраслях промышленности. Целью изобретения является увеличение теплового потока, расширение диапазона его регулирования, уменьшение объема рабочей жидкости и повышение стабильности процесса, а также его визуализация. Установка содержит цилиндрический закрытый съемной крышкой барабан, внутри которого размещена исследуемая электрообогреваемая пластина с установленным над ней распылителем жидкости. Барабан соединен трубопроводами с конденсатором паров и вакуум-насосом. Распылитель жидкости включает расширенную часть - сепаратор из диэлектрического материала, к которому тангенциально подводится трубопровод подачи жидкости из конденсатора, и капилляр из проводника, соединенный токопроводом с источником высокого напряжения. Распыляемая под действием высокого напряжения жидкость на поверхности электрообогреваемой пластины превращается в пар, который конденсируется в конденсаторе. Конденсат возвращается в распылитель. Установка снабжена датчиками определения температур, давления в барабане, подаваемого на капилляр напряжения, электрической мощности, потребляемой для обогрева пластины и расхода распыляемой жидкости. Снимаемый с пластины тепловой поток определяется как отношение потребляемой мощности к площади пластины. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплообмену при кипении жидкости и может быть использовано для исследования теплообмена при испарении жидкости и режимов испарительного охлаждения теплонапряженных элементов технических устройств в различных отраслях промышленности.

Известен стенд для исследования интенсивности теплообмена, содержащий испытательную камеру с нагревателем и патрубком отвода паров, теплообменник, систему поддержания и измерения давления в камере [1] Известное устройство обладает узкоограниченными функциональными возможностями.

Известна также установка для исследования теплового потока, преимущественно при кипении и испарении жидкости, включающая цилиндрический барабан с днищем и патрубками подачи и отвода жидкости и пара, съемной крышкой и термостатирующим устройством на его стенках, расположенную внутри барабана исследуемую пластину с встроенными датчиками температуры, подключенными к внешнему вторичному прибору, нагревательными элементами, соединенными с внешним регулируемым источником тока и приборами измерения потребляемой мощности, конденсатор, соединенный паропроводом и конденсатопроводом с барабаном и систему поддержания и измерения давления[2] В данной установке отсутствует возможность динамического воздействия на пограничный с исследуемой пластиной слой жидкости, и поэтому являются недостаточно высокими достигаемые значения теплового потока не более критического теплового потока, а возможность его регулирования ограничена только подаваемой на пластину электрической мощностью. Диапазон изменения исследуемых тепловых потоков является при этом узким. Необходимый для исследования объем рабочей жидкости является большим.

Целью изобретения являются увеличение теплового потока, расширение диапазона его регулирования, уменьшение объема рабочей жидкости и повышение стабильности процесса, а также его визуализация.

Поставленная цель достигается тем, что известная установка для исследования теплового потока, преимущественно при кипении и испарении жидкости, включающая цилиндрический барабан с днищем и патрубками подачи и отвода жидкости и пара со съемной крышкой и термостатирующим устройством на его стенках, расположенным внутри барабана на исследуемой пластине с встроенными датчиками температуры, подключенными к внешнему вторичному прибору, нагревательными элементами, соединенными с внешним регулируемым источником тока и приборами измерения потребляемой мощности, конденсатор, соединенный паропроводом и конденсатопроводом с барабаном и систему поддержания и измерения давления, снабжена установленным над пластиной распылителем, преимущественно в виде электропроводного капилляра, на входе которого расположен сепаратор, соединенный тангенциальным входом с конденсатопроводом, причем верхняя часть сепаратора дополнительно соединена газоотводной трубкой с верхней зоной конденсатора, а капилляр подключен электропроводом к высоковольтному источнику регулируемого напряжения, второй полюс которого соединен с пластиной, а также прибором измерения расхода жидкости в конденсатопроводе, причем конденсатор установлен на штативе с возможностью вертикального перемещения. Кроме того, распылитель снабжен насадкой в виде пробки из диэлектрического материала с установленными в ней электропроводными капиллярными трубками, газоотводная трубка и конденсатопровод размещены внутри паропровода, а барабан снабжен иллюминаторами из прозрачного материала на крышке и днище.

Использование совокупности указанных отличительных признаков авторам неизвестно.

На фиг. 1 показана общая схема установки; на фиг. 2 вариант распылителя с насадкой в виде пробки с капиллярными трубками.

Установка для исследования теплового потока содержит цилиндрический барабан 1, конденсатор 2, исследуемую пластину 3, распылитель 4, термостат 5, вакуум-насос 6, регулируемый источник тока 7, высоковольтный источник регулируемого напряжения 8, вторичный прибор 9, штатив 10 и реометр 11.

Барабан 1 (см. фиг. 1) имеет на своей поверхности термостатирующую рубашку 12, соединенную циркуляционными трубопроводами с термостатом 5, съемное днище 13, снабженное патрубками 14 и 15 и прозрачным иллюминатором 16, а также съемную крышку 17 с оптическим окошком 18.

Исследуемая пластина 3 имеет на своих поверхностях нагревательные элементы 19, соединенные токопроводами 20 с регулируемым источником тока 7.

Барабан 1 соединен с конденсатором паропроводом 21, а конденсатор 2 соединен с распылителем конденсатопровода 22 и газоотводной трубкой 23, выполненными из диэлектрического материала и расположенными внутри паропровода 21. Распылитель 4 и исследуемая пластина 3 соединены токопроводами 24 и 25 с разноименными полюсами высоковольтного источника регулируемого напряжения 8. В исследуемую пластину 3, конденсатопровод 22 и барабан 1 встроены датчики температуры 26, 27 и 28, соединенные с вторичным прибором 9. Распылитель 4 включает расширенную часть сепаратор 29 из диэлектрического материала, к которому тангенциально подводится конденсатопровод 22 и от верхней его части отходит газоотводная трубка 23. В нижней части сепаратора 29 установлена электропроводная капиллярная трубка 30. В другом варианте для увеличения интенсивности теплосъема распылитель 4 снабжен насадкой, выполненной в виде пробки 31 (см. фиг. 2) из диэлектрического материала с установленными в ней электропроводными капиллярными трубками 30, подключенными к токопроводу 24. Все элементы установки теплоизолируются.

Установка работает следующим образом. Из предварительно герметизированной установки вакуум-насосом 6 откачивается воздух до остаточного давления 0,01 мм рт.ст. и закрывается кран 32.

В барабан 1 через патрубок 14 единовременно впускается под отрицательным давлением небольшое количество, 200-300 мл, исследуемой жидкости, закрывается кран 33 и включается циркуляция термостатирующей жидкости термостатом 5 через рубашку 12. Температура поддерживается на уровне, достаточном для кипения жидкости внутри барабана 1, что наблюдается через иллюминатор 18. Пары жидкости из барабана 1 по паропроводу 21 поступают в конденсатор 2. В змеевик конденсатора подается холодная вода, пары жидкости конденсируются и образовавшийся конденсат по конденсатопроводу 22 поступает через тангенциальный вход в сепаратор 29, при этом от конденсата отделяются паровые и газовые пузырьки и по газоотводной трубке 23 возвращаются в конденсатор. Освобожденный от пара и газа конденсат поступает в капиллярную трубу. На капилляры 30 подается напряжение в пределах от 3 до 25 кВ. Распыленная под действием электрического поля жидкость в виде мелкодисперсного потока подается на исследуемую пластину 3. Исследуемая пластина нагревается нагревательными элементами 19, подключенными к регулируемому источнику тока 7. Частицы распыленной жидкости, попадая на исследуемую пластину 3, испаряются. Образующиеся пары по паропроводу 21 поступают в конденсатор 2. В дальнейшем режим работы установки стабилизируется в результате установления циркуляции конденсата на горячую пластину 3 и образующихся паров в конденсатор 2. Стабильность теплового режима контролируется датчиками температуры 26, 27, 28 и вторичным прибором 9. Выделяемая в нагревательных элементах 19 тепловая мощность на поверхности исследуемой пластины 3 тратится на испарение напыляемой на нее жидкости, при этом тепловой поток определяется как отношение этой тепловой мощности к величине площади поверхности исследуемой пластины.

Наличие распылителя с капиллярной насадкой, соединенной с высоковольтным источником регулируемого напряжения дает возможность обеспечить условия для достижения максимальных тепловых потоков. Выпариваемая жидкость подается на поверхность теплообмена принудительно и в мелкораспыленном дисперсном состоянии. Каждая капля, попавшая на исследуемую пластину, испаряется при высоком перепаде температур и нестационарном режиме, при этом под действием гидростатического напора и высокого электрического напряжения достигается высокая плотность орошения жидкостью теплообменной поверхности, с другой стороны, имеются благоприятные условия для интенсивной эвакуации образующихся на теплообменной поверхности паров. Таким образом жидкость с высокой скоростью в виде капель подается на поверхность теплообмена, а образующиеся пары с высокой скоростью в промежутках между каплями противоточно удаляются от этой поверхности. Этому способствует также разность потенциалов, поддерживаемая между распылителем и теплообменной поверхностью. В результате достигаются более высокие значения теплового потока, чем при кипении на погруженной в жидкость поверхности.

Снабжение установки высоковольтным источником регулируемого напряжения позволяет изменять разность потенциалов между распылителем и теплообменной поверхностью, тем самым изменять в широких пределах степень дисперсности потока и расход напыляемой жидкости. С увеличением напряжения увеличивается расход жидкости, например при изменении напряжения от 3 до 25 кВ расход изменяется от 50 до 200х10^-5 кг/с. При этом изменяя также электрическую мощность нагревателя исследуемой пластины, можно в широких пределах изменять и замерять величину теплового потока. Расширению диапазона изменения теплового потока способствует также снабжение установки штативом для изменения высоты расположения конденсатора относительно распылителя. С увеличением этой высоты увеличивается гидростатический напор и расход распыляемой жидкости, измеряемый прибором 11, которым также снабжена установка.

Снабжение предлагаемой установки насадкой в виде диэлектрической пробки с электропроводными капиллярными трубками позволяет также увеличивать величину снимаемого теплового потока, а также изменять в широких пределах его величину путем изменения количества капиллярных трубок.

Снабжение установки распылителем жидкости на теплообменную поверхность через тонкие капилляры, отсутствие при этом необходимости заполнения барабана жидкостью, возможность быстрой эвакуации образующихся паров в конденсатор и возврата конденсата в распылитель позволяют значительно сократить объем исследуемой рабочей жидкости, например в 5-10 раз в сравнении с прототипом.

Наличие в установке распылителя, снабженного сепаратором, соединенным тангенциальным входом с конденсатопроводом, позволяет эффективно выделять из конденсата пузырьки пара и газа, а наличие в установке газоотводной трубки от верхней части сепаратора позволяет отводить их в конденсатор. Таким образом пузырьки пара и газа не попадают в капиллярные трубки распылителя, сохраняется высокая стабильность распылителя и всего процесса теплообмена в установке.

Расположение конденсатопровода и газоотводной трубки внутри паропровода способствует меньшему образованию пузырьков пара и газа в конденсатопроводе и более эффективному удалению образовавшихся пузырьков в конденсатор. Это также способствует увеличению теплового потока и стабильности процесса.

Снабжение барабана установки иллюминатором из прозрачного материала позволяет контролировать процесс визуально, а также с помощью фото- и киноаппаратуры.

Формула изобретения

УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА при испарении жидкости, содержащая цилиндрический барабан с днищем и патрубками подачи и отвода жидкости и пара, съемной крышкой и термостатирующим устройством на его стенках, расположенную внутри барабана исследуемую пластину с встроенными датчиками температуры, подключенными к внешнему вторичному прибору, нагревательными элементами, соединенными с внешним регулируемым источником тока и приборами измерения потребляемой мощности, конденсатор, соединенный паропроводом и конденсатопроводом с барабаном, и систему поддержания и измерения давления, отличающаяся тем, что она снабжена установленным над пластиной распылителем преимущественно в виде электропроводного капилляра и расположенным на выходе последнего сепаратором и соединенным тангенциальным входом с конденсатопроводом, источником регулируемого напряжения и прибором измерения расхода жидкости в конденсатопроводе, причем верхняя часть сепаратора дополнительно соединена газоотводной трубкой с верхней зоной конденсатора, а капилляр подключен электропроводом к высоковольтному источнику регулируемого напряжения, второй полюс которого соединен с пластиной, а конденсатор установлен на штативе с возможностью вертикального перемещения.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что распылитель снабжен насадкой, выполненной в виде пробки из диэлектрического материала с установленными в ней электропроводными капиллярными трубками.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что газоотводная трубка и конденсатопровод размещены внутри паропровода.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что барабан снабжен иллюминаторами из прозрачного материала на крышке и днище.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2