Учебный лабораторный стенд по термодинамике

 

Изобретение относится к учебнолабораторному оборудованию по термодинамике . Целью изобретения является повышение наглядности и расширение демонстрационных возможностей. Стенд позволяет моделировать прямой и обратный циклы Карно в области насыщенного влажного пара на основе гидроаналогии температуры и потока энтропии. Стенд имеет замкнутый гидравлический контур, содержащий гидравлические имитаторы теплообменников, две обратимые гидравлические машины для имитации турбины и насоса и две обратимые электрические мапшны. Каждая обратимая гидравлическая машина кинематически связана с одной из обратимых элeктp t- ческих машин; включая соответствующим образом гидравлическую мапшну, задают ей режим турбины, а электрической - режим генератора при имитации прямого цикла Карно; при работе гидравлической машины в режиме турбины имитируют обратный цикл Карно; при включении гидравлической машины в режиме насоса и направлении потока сверху вниз через гидравлический дроссель имитируют работу холодильной машины с редукционными клaпaнaм1i, реализуя цикл во влажном паре. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 G 09 В 23/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ll0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 4186382/31-12 (22) 26.01.87 (46) 15,08.88. Бюл. У 30 (71) Красноярский политехнический институт (72) И,И.Андреев и Ю.А.Пшеничнов (53) 621.593(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1309073, кл. G 09 В 23/16, 31.07.86. (54) УЧЕБНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ПО

ТЕРМОДИНАМИКЕ (57) Изобретение относится к учебнолабораторному оборудованию по термодинамике. Целью изобретения является повышение наглядности и расширение демонстрационных возможностей. Стенд позволяет моделировать прямой и обратный циклы Карно в области насыщенного влажного пара на основе гидроаналогии температуры и потока энтропии. Стенд

„„SU„„1417031 А1 имеет замкнутый гидравлический контур, содержащий гидравлические имитаторы теплообменников, две обратимые гидравлические машины для имитации турбины и насоса и две обратимые электрические машины. Каждая обратимая гидравлическая машина кинематически связана с одной иэ обратимых электрических машин; включая соответствующим образом гидравлическую машину, задают ей режим турбины, а электрической — режим генератора при имитации прямого цикла Карно; при работе гидравлической машины в режиме турбины имитируют обратный цикл Карно; при включении гидравлической машины в режиме насоса и направлении потока с сверху вниз через гидравлический дроссель имитируют работу холодильной машины с редукционными клапанами, реализуя цикл во влажном паре. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. 1417031

Изобретение относится к учебно-лабораторному оборудованию по термодинамике, а именно к таким устройствам, в которых тепловые процессы заменяются некоторыми аналогичными процесса5 ми, имеющими иную физическую природу, и может быть использовано при проведении занятий в лабораториях общей физики, теплотехники, технической тер-10 модинамики, энергетических установок электростанций.

Цель изобретения — повышение наглядности и расширение функциональных возможностей путем инверсии направления потока жидкости.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого стенда; на фиг. 2 и 3 — моделируемый цикл Карно

Ф в координатах температура — удельная 20 энтропия и температура - поток энтропии соответственно; на фиг. 4 приведена схема имитируемой силовой установки с электрогенератором полезной нагрузки и электродвигателем собственных нужд привода компрессора; на фиг. 5 — схема имитируемой холодильной установки с турбодетандером; на фиг, 6 — то же, с редукционным вентилем. ЗО

Стенд содержит два гидравлических имитатора теплообменников 1 и 2, выполненных в виде диффузоров, трубопроводы 3, образующие с имитаторами 35 замкнутый гидравлический контур, две емкости 4 и 5, каждая из которых связана с одним из имитаторов системой параллельных трубок 6 и 7 и образует с замкнутым гидравлическим контуром 40 сообщающиеся сосуды, две обратимые гидравлические машины 8 и 9, включенные в замкнутый гидравлический, контур, и две обратимые электрические машины 10 и 11, каждая из которых ки-д5 нематически связана с одной иэ обра4 тимых гидравлических машин. Емкость 4 через расходомер 12 и запорный вентиль 13 соединена с линией 14 подачи жидкости, а через расходомер 15 и эапорный вентиль 16 — с линией 17 слива жидкости. Емкость 5 также через расходомер 18 и запорный вентиль

19 соединена с линией 14, а через расходомер 20 и запорный вентиль 21 — с линией 17., Параллельно обратимой гидравлической машине 8 через двухпозиционный кран 22 включен гидравлический дроссель 23.

Обратимые электрические машины могут быть объединены в единый генератор — двигательный агрегат.

Действие стенда основано на известной аналогии между тепловыми и гидромеханическими величинами — температурой и напором, а также между потоком энтропии и весовым расходом.

Стенд работает следующим образом.

Пример 1. Имитация прямого цикла Карно (силовая установка реализует цикл so влажном паре).

Запорные вентили 13 и 21 закрыты; двухпозиционный кран 22 перекрывает линию гидравлического дросселя 23; обратимые электрические машины 10 и 11 разъединены, машина 10 питается от сети и работает в режиме двигателя, при этом обратимая гидравлическая машина 8 работает в режиме насоса, подавая жидкость снизу вверх и обеспечивая циркуляцию.

Расход жидкости через обратимую гидравлическую машину 2 сверху вниз равен сумме расхода через обратимую гидравлическую машину 8 и расхода иэ линии 14 подачи в линию 17 слива через запорный вентиль 19, расходомер

18, емкость 5, систему параллельных трубок. 7, теплообменник 2, трубопровод 3, теплообменник 1> систему параллельных трубок 6, емкость 4, расходомер 15, запорный вентиль 16.

Таким образом, обратимая гидравлическая машина 9 работает в режиме турбины, благодаря чему обратимая электрическая машина 11 работает в режиме генератора, электрическая мощность которого потребляется имитатором потребителя электроэнергии (например, лампочкой).

Уровни жидкости в емкостях 4 и 5 имитируют температуры соответствующих источников тепла. Расходы жидкости через обратимые гидравлические машины 8 и 9 соответствуют потокам энтропии через компрессор и турбину объекта (фиг. 4) соответственно. Разность уровней в емкостях 4 и 5 имитирует "высоту" цикла Карно, а разность расходов через обратимые гидравлические машины — его "ширину" В координатах температура — цоток энтропии. Эта разность измеряется расходомером 15 или 18 (в стационарном режиме их по" казакия одинаковы). Произведение разностей уровней и расходов (площадь цикла) соответствует максимальной з 141 полезной работе в единицу времени.

Произведения высоты уровней в емкостях 5 и 4 на разность расходов жидкости через обратимые гидравлические машины соответствуют подведенному и отведенному теплу в единицу времени, а разность данных произведений — полезной работе в единицу времени.

Действительная полезная нагрузка равна разности показаний ваттметров обратимых электрических машин 11и 10.

Пример 2. Имитация обратного цикла Карно (холодильная машина с турбодетандером реализует цикл во влажном паре).

Запорные вентили 16 и 19 закрытьц двухпозиционный кран 22 перекрывает линию гидравлического дросселя 23; обратимые электрические машины 11 и

10 соединены одна с другой таким образом, что образуют единый генера— тор — двигательный агрегат, рабоТающий в режиме двигателя и питаемый от сети, причем обратимая электрическая машина 11 работает в режиме двигателя, благодаря чему обратимая гидравлическая машина 9 работает в режиме насоса, подавая жидкость снизу вверх и обеспечивая циркуляцию.

Расход жидкости через обратимую гидравлическую машину 8 сверху вниз равен разности полного расхода через обратимую гидравлическую машину 9 и расхода из линии 14 подачи в линию

17 слива через запорный вентиль 13, расходомер 12, емкость 4, систему параллельных трубок 6, теплообменник 1, трубопровод 3, теплообменник 2, систему параллельных трубок 7, емкость 5, расходомер 20, запорный вентиль 21.

Таким образом, обратимая гидравлическая машина 8 работает в режиме турбины, благодаря чему обратимая электрическая машина 10 работает в режиме генератора, частично покрывающего затраты энергии «а привод обратимой электрической машины 11 (для того, чтобы машина 1О не работала в режиме двигателя, напряжение на ее клеммах не должно быть ниже напряжения сети, что достигается тщательным подбором характеристики машины и напряжения сети), Расходы жидкости через обратимые гидравлические машины 9 и 8 соответствуют потокам энтропии через компрессор и детандер объекта (фиг. 5).

Произведения высогы уровней в ем7031

4 костях 4 и 5 на разность расходов жидкости через. обратимые гидравлические машины соответствуют подведенному и отведенному теплу в единицу вре5 мени, а разность данных произведений — минимальной затраченной работе в единицу времени. Действительная затраченная энергия равна показанию ваттметра генератор — двигательного агрегата.

Пример 3. Холодильная машина с редукционным клапаном, реализующая цикл во влажном паре (фиг. 6).

Запорные вентили 16 и 19 закрыты; двухпозиционный кран 22 перекрывает линию обратимой гидравлической машины 8 и направляет поток жидкости сверху вниз через гидравлический дроссель 23. Электрическая машина 10 откпючена.

Вся мощность, необходимая для привода обратимой гидравлической машины 9, работающей в режиме насоса

25 и обеспечивающей циркуляцию, потребляется обратимой электрической машиной 11 из сети и измеряется ваттметром.

Положительный эффект предлагаемоЗО го технического решения заключается в возможности моделирования нереализуемых на практике, но важных теоретических прямого и обратного циклов

Карно с наглядным представлением изменения потока энтропии и удельной

35 энтропии в теплообменниках и с прямым измерением аналогов тепловых величин, характеризующих цикл, в том числе таких, которые вообще не поддаются

40 непосредственному измерению. При этом в отличие от реальных (т.е. не использующих аналогии) моделей теплосиловых установок гидродинамические модели обладают весьма малой инер45 ционностью что позволяет быстро выУ водить их на стационарный рея-им и менять режим.

По сравнению с прототипом преимуществом предлагаемого технического решения является возможность дополнительно на одном стенде моделировать обратный (холодильный) цикл Карно, что позволяет в сравнении демонстрировать качественные и количественные

55 отличительные особенности прямого и обратного циклов Карно и тем самым дает возможность повысить обучающий эффект лабораторного стенда, т,е, ка2. Стенд по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что параллельно одной из обратимых гидравлических машин через двухпоэиционный кран включен гидравлический дроссель.

5 1417031 ь чество обучения студентов по термоди- с я тем, что, с целью повышения намике и родственным курсам. наглядности н расширения демонстрационных воэможностей, он снабжен двуФ о р м у л а и з о б р е т е н и я мя обратимыми гидравлическими машинами для имитации турбины н насоса, 1. Учебный лабораторный стенд по включенными в замкнутый гидравличестермодинамике, содержащий два гидрав- кий контур, и двумя обратимыми электлических имитатора теплообменников, рическимн машинами, каждая из которых выполненных в виде диффузоров, трубо- 1< кннематическн связана с одной иэ обпроводы, образующие с имитаторами ратимых гидравлических машин. замкнутый гидравлический контур, две емкости, каждая иэ которых связана с одним иэ имитаторов системой параллельных трубок и образует с замкнутым" гидравлическим контуром сообщающиеся сосуды, о т л и ч а ю щ и й, ai оз

9raB2 7пЖи7 ли лба

111111 111 т сп7 merrno

1417031

ОмРоо мгла

ttttttt

Icr)_#_ud теюлз

Pm A те ла

tt)tttf

11 111

ЛЫ и лалла

Составитель Б.Гойфман

Редактор А.Маковская Техред А.Кравчук Корректор Л.Пилипенко

Заказ 4069/49

Тирли 459 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4