Лабораторная установка по термодинамике
Владельцы патента RU 2364945:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU)
Изобретение относится к лабораторным установкам и предназначено проведения учебных занятий по дисциплинам «Техническая термодинамика» и «Теплотехника». Лабораторная установка содержит корпус в виде вертикально установленной трубы, выполненной из стеклянной трубки круглого сечения, с установленным в нем электронагревателем, смесителем потока, установленным за нагревателем, автотрансформатором и ваттметром. Труба корпуса снабжена сужающимся в средней части участком для смешения потока и выходным сужающимся патрубком. На корпусе со стороны его внешней поверхности нанесена тепловая изоляция. Электронагреватель выполнен в виде двух трубок, прикрепленных к корпусу установки и являющихся нижней и верхней частями электронагревателя. Между ними смонтирован промежуточный смеситель потока, выполненный в виде диска из слюды с отверстиями. Изобретение позволяет повысить эффективность нагревания потока воздуха. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Лабораторная установка по термодинамике предназначена для проведения учебных занятий по дисциплинам «Техническая термодинамика» и «Теплотехника».
Известно устройство для определения теплоемкости потока жидкости или газа, содержащее трубку, центральная часть которой снабжена нагревателем с установленными на концах термоэлементами, и измерительную схему. Каждый термоэлемент изготовлен в виде конденсатора, образованного парой концевых электродов, введенных в проточке на трубке, выполненной из термочувствительной керамики (А.с. №2902112, БИ №2, 1971).
Данное устройство является недостаточно эффективным для учебных целей ввиду сложности конструкции.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является лабораторная установка по термодинамике, содержащая корпус в виде вертикально установленной трубы с установленным в нем электронагревателем, смесителем потока, установленным за нагревателем, автотрансформатором и ваттметром, на корпусе со стороны его внешней поверхности нанесена тепловая изоляция, труба корпуса в средней части и выходной патрубок выполнены сужающимися (Патент №2202107, С2, дата приоритета 04.06.2001, дата публикации 10.04.2003, авторы Енютина Т.А. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа является низкая эффективность процесса теплообмена между потоком воздуха и поверхностью электронагревателя вследствие малой площади контакта, при этом слои воздуха вблизи внутренней поверхности трубы не успевают нагреться.
Задачей изобретения является повышение эффективности нагревания потока воздуха.
Для решения поставленной задачи лабораторная установка по термодинамике, содержащая корпус в виде вертикально установленной трубы, выполненной из стеклянной трубки круглого сечения, с установленным в нем электронагревателем, смесителем потока, установленным за нагревателем, автотрансформатором и ваттметром, причем труба корпуса снабжена сужающимся в средней части участком для смешения потока и выходным сужающимся патрубком, на корпусе со стороны его внешней поверхности нанесена тепловая изоляция, согласно изобретению электронагреватель выполнен в виде двух трубок, прикрепленных к корпусу установки и являющихся нижней и верхней частями электронагревателя, между которыми дополнительно смонтирован промежуточный смеситель потока, выполненный в виде диска с отверстиями. Диск с отверстиями выполнен из слюды.
Заявленная лабораторная установка по термодинамике позволяет повысить эффективность процесса теплообмена между потоком воздуха и поверхностью электронагревателя за счет установки промежуточного смесителя между нижней и верхней частями электронагревателя, что позволяет выровнять температуру потока перед верхней частью электронагревателя и приводит к более интенсивному нагреванию потока во второй части электронагревателя.
Заявленная установка удобна в работе, имеет малые габариты, экономична, позволяет быстро устанавливать нужный режим и переходить на новый режим. К установке не требуется применения вентилятора, так как движение воздуха происходит за счет свободной конвекции.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема лабораторной установки по термодинамике.
Заявляемая лабораторная установка по термодинамике содержит корпус 1 в виде вертикально установленной трубы, выполненной из стеклянной трубки круглого сечения, электронагреватель, выполненный из двух трубок, прикрепленных корпусу установки и являющихся нижней 2 и верхней 3 частями электронагревателя с одинаковой электрической мощностью, имеющих трубчатую форму. Обе части нижняя 2 и верхняя 3 электронагревателя крепятся клеем к внутренней поверхности корпуса 1. Общая мощность нижней 2 и верхней 3 частей нагревателя устанавливается лабораторным автотрансформатором 4 и контролируется по ваттметру 5. Между нижней 2 и верхней 3 частями электронагревателя установлен промежуточный смеситель потока 6, выполненный виде диска с отверстиями, изготовленный из слюды.
Корпус 1 в средней части имеет сужение 7, предназначенное для выравнивания температуры потока перед измерением температуры с помощью термопары 8. На внешней поверхности корпуса 1 нанесен слой тепловой изоляции 9 из минеральной ваты для предотвращения потерь теплоты в окружающую среду и повышения точности измерения температуры потока воздуха. Тепловая изоляция 9 легко снимается для демонстрации студентам устройства корпуса. В верхней части корпуса 1 имеется суживающийся патрубок 10 для удобства измерения скорости потока с помощью электронного анемометра.
Установка работает следующим образом.
Включают электронагреватель, состоящий из нижней части 2 и верхней 3 и с помощью автотрансформатора 4 устанавливают определенную мощность, которую контролируют с помощью ваттметра 5. Слои воздуха, обтекающие внутреннюю поверхность нижней части 2 электронагревателя, движутся вверх за счет свободной конвекции. При прохождении через промежуточный смеситель 6 слои воздуха перемешиваются, а затем нагреваются в верхней части 3 электронагревателя. Далее воздух проходит через сужение корпуса 7, перемешивается, после чего термопарой 8 измеряется температура потока. Затем поток проходит через суживающийся патрубок 10, и его скорость измеряется электронным анемометром. Температура окружающего воздуха определяется термометром.
Лабораторная установка изготовлена на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» Института градостроительства, управления и региональной экономики Сибирского федерального университета. Установка показала по сравнению с прототипом следующие преимущества: более высокую эффективность нагрева потока воздуха и при этом установка проста по конструкции, наглядна, дешева, быстро выходит на режим, не требует применения вентилятора.
1. Лабораторная установка по термодинамике, содержащая корпус в виде вертикально установленной трубы, выполненной из стеклянной трубки круглого сечения, с установленным в нем электронагревателем, смесителем потока, установленным за нагревателем, автотрансформатором и ваттметром, причем труба корпуса снабжена сужающимся в средней части участком для смешения потока и выходным сужающимся патрубком, а на корпусе со стороны его внешней поверхности нанесена тепловая изоляция, отличающаяся тем, что электронагреватель выполнен в виде двух трубок, прикрепленных к корпусу установки и являющихся нижней и верхней частями электронагревателя, между которыми дополнительно смонтирован промежуточный смеситель потока, выполненный в виде диска с отверстиями.
2. Лабораторная установка по термодинамике по п.1, отличающаяся тем, что диск с отверстиями выполнен из слюды.
