Комплексный стенд для исследования процессов теплообмена

 

Изобретение относится к лабораторному оборудованию и может быть использовано при постановке лабораторных работ по теплотехническим дисциплинам. Сущность изобретения: в лабораторном стенде, включающем опытный элемент в виде цилиндрического нагревателя с размещенным на его поверхности слоем исследуемого материала и термопарами на поверхностях этого слоя, таких элементов параллельно в электрическую цепь включается три, причем половина боковой поверхности первого из них имеет покрытие со степенью черноты, близкой к единице (алюминиевая фольга с напылением сажи), а другая - сам материал, половина поверхности второго имеет покрытие со степенью черноты, близкой к единице, а другая - близкой к нулю (алюминиевая фольга), поверхность третьего элемента наполовину имеет покрытие со степенью черноты, близкой к нулю, а вторая - половина - сам материал. Стенд позволит проводить на нем эксперименты по конвективному и кондуктивному теплообмену. 3 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4703569/12 (22) 09.06,89 (46) 15.06,92, Бюл, М 22 (71) Брянский технологический институт (72) А,Д. Чумаченко (53) 536.5(088.8) (56) Тепломассообмен. Лабораторный практикум для студентов, Новосибирск, 1989, с.

131. (54) КОМПЛЕКСНЫЙ СТЕНД ДЛЯ VlCCËÅДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА (57) Изобретение относится к лабораторному оборудованию и может быть использовано при постановке лабораторных работ по теплотехническим дисциплинам. Сущность изобретения: в лабораторном стенде, включающем опытный элемент в виде цилиндрического нагревателя с размещенным на его

Изобретение относится к учебным посо биям по теории теплообмена.

Известен лабораторный стенд для изучения процессов теплопереноса излучением, включающий опытный элемент, включенный в электрическую цепь, и приборы для измерения температуры íà.его поверх ности.

Недостаток заключается в ограниченных функциональных возможностях, Это, во-первых, связано с тем, что он позволяет исследовать излучительную способность только металлического материала (да и то с достаточно большим электросопротивлением), Во-вторых, на нем не представляется возможным проводить лабораторные работы по исследованию других процессов теплообмена, Это ограничивает возможности повышения эффективности проведения учебных занятий, снижает точность проводимых лабораторных исследований.

Я2 1741 169 А1 поверхности слоем исследуемого материала и термопарами на поверхностях этого слоя, таких элементов параллельно в электрическую цепь включается три, причем половина боковой поверхности первого из них имеет покрытие со степенью черноты, близкой к единице (алюминиевая фольга с напылением сажи), а другая — caM материал, половина поверхности второго имеет покрытие со степенью черноты, близкой к единице, а другая — близкой к нулю (алюминиевая фольга), поверхность третьего элемента наполовину имеет покрытие со степенью черноты, близкой к нулю, а вторая — половина — сам материал. Стенд позволит проводить на нем эксперименты по конвективному и кондуктивному теплообмену. 3 ил.

Известен лабораторный стенд для исследования процессов теплообмена, включающий три опытных цилиндрических элемента с расположенными на них термопарами. Недостатками указанного стенда являются ограниченные функциональные возможности. Это обусловлено тем, что на нем невозможно проводить комплексное исследование теплообменных процессов, что могло бы обеспечить существенное повышение эффективности лабораторного п ра кти кума.

Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей.

Для достижения этой цели в лабораторном стенде для изучения процессов теплообмена, включающем опытные элементы в виде трех цилиндрических нагревателей с размещенными на них термопарами, на поверхности этих элементов нанесен слой vlc следуемого материала и термопары

1741169 расположены на поверхностях этого слоя, элементы параллельно включены в электрическую цепь, причем полоьина боковой поверхности первою из них имеет покрытие со степенью черноты, близкой к единице, 5 половина поверхности второго имеет покрытие са степенью черно«ы близкой к единице, а другая — близкой к нулю, поверхность третьего элемента наполовину имеет покрытие со степенью черноты, близ- 10 кай к нулю, Такое выполнение лабораторного сгенда позволяет расц«ирить его функциональные возможности. TBK как допускает комплексное исс"..Bäo»BHè:;; .-.:ii:,»>!>.1:eHных 1.

f, ПРОЦ8ССОВ, ЧТО СПОСООСТВiJBT Г«ааыщенИК> качества учебнь|х занятий. nGBÛUJBBT точность и pG Boäèì ых асса .,дава и ий, умен ьшает кали»«естаа ««еабхад маго оборудования, (\ снижает энергазатраты а проведение экс- . 0 перимента, умBHüøBBT время, затрачиваемое студентам:. .,«а зк. перимент. г«а фиГ. 1 показан лааара Оркый с" Генд, общий вид; на фи:,. " — один из GnûTHûõ элементов стенда, ра"-рез. 5

Лабораторный стенд включает опытные злеме«:ты 1-3 в виде то б«атьгх зпект".;нагревателей Одинаковых геамеTpv"Boêíê раз мерав и одинакавага электрическа:а сопротивления, параллел=на подсоединен- . ЗО

HhI8 К ЭЛ8КТРИ -!BСКОЙ ГBТИ Ч8РЕЗ РЕГУЛЯТОР напряжения., и ваггметр(не Г Оказан). С«гьпные элементы включают наГреватели 4 с нанBсеннь!ми H=". их паьеpхнасти слоям,1 исследуемого материала -. Гермапары б уста- 35 новлены на поверхностях слоев. С тсрцав элементов установлены тепловые изоляторы 7. Палов на бс кавай гаверхнасти элемента 1 имеет покрытие са степенью черно ы, близкой к единице (например, 40 алюминиевая фольга с напылением сажи).

"ч", другая половина поверхности — сам исследуемый материал. Половина боковой поверхности злеме Гга 2 также имее покрытие "ч", а другая — из алюминиевой 45 фольги. степень чеаноты которой близка;;. нулю (ес = 0,04) и Обозначера "б".

Элемент 3 на головине поверхности имеет покрытие "б", другая половина поверхности — càì исследуемый материал "с". 50

Лабораторный стенд работает следующим образам„

В электрической цепи опытных элементов устанавливается посредствам регулятора некоторое начальное напряжение и 55 через интервал времени, необходимый для установления стационарно«а температурного режима, производят замер параметров (толщину слоя исследуемо о материала вы" и;4

С «- (, -.—.„-; ) г" ° г. ° (Ъ = аь - С V," (-= - )

« - («и Тв);

Q„- ---.-Ев . F ((„ 0 0-)"

«- - « (п Тв); рв — (— -) )+ 100 (100) 1 где Q, Qi> Q; — величины теплового потока, подвадимого к каждому элементу, Вт;

, Fi>, е,— коэффициенты степени черноты

1О3»8Р» Н Гп 18И

С вЂ” коэффициент лучеиспускания абсолютна черного тела; и — коэффициент теплоотдачи от поверхности к воздуху;

Тп и Тв — температуры поверхности и воздуха, К.

Далее производим следуюв,. - преобразования: бирают такой, чтобы это время было не более >0 мин).

Затем, последовательно увеличивая напряжение, производят еще два опыта на стационарных температурных режимах, производят обработку опытных данных по методике, соответствующей лабораторной работе.

Лаоараторная работа "Исследование лучистого теплообмена", В задачу эксперимента входит определение степени черна гы поверхности исследуемогс материала "с".

Принятая в настоящее время методика пр >ведения такого исследования предполаГа81 на«1ичие трB>(Опытны>: элементов: с поверхностью. близкой к абсолютной черной, с поверхностью, близкой к абсолютно белой !

» исследуемой поверхностью. Далее на каждом из трех. режимов с помощью регуляторов напряжения нагрузку на каждом из зле»:»48.«QB необходимо подбирать так. чтобы;емпературы поверхностей элементов оказались Одинаковыми (эта обусловлено методикой расчета). Этот момент является наиболее слабым местам известной методики. так как выполнить указанное условие с саблюдени. м ст «цианарнос1 и режима каждою элемента черезвычайно трудно (особенHG учитывая ограниченность времени учебного занятия). На если оно выполнено, то для каждога из элементов vi3 (чернога—

"ч", бела о — "б, серого — "с") можно записать уравнение:

1741169 тт 4 Тв 4

- ("-" ((1..) -<ю) ) (Ес — Еб)С. Р((— „" ) — (— „ )41

Еч Ес Оч — Qc А

6 с — <6 - Q c С 6

Ес б A

1+А

По такой методике функционирует, например . известный лабораторный стенд.

В заявленном стенде данную работу оказывается возможным организовать более эффективно для учебного процесса.

В этом случае три рабочие группы студентов (подгруппа из 12 человек делится на три рабочие группы по 4 человека) выполняют замеры на трех температурных режимах.

При наличии одного регулятора электрической нагрузки установить одинаковую температуру на поверхностях элементов практически невозможно (тем более, что в пределах каждого опытного элемента через его половины с разным состоянием поверхности проходит одинаковое количество тепла). Однако в заявленном стенде в этом нет необходимости, Опыты производят на трех произвольных режимах тепловых нагрузок (последовательно ее увеличивая). Каждая рабочая группа по полученным данным строит график зависимости: Тп = f(Q) (фиг. 3).

Далее для обработки опытных данных во всех группах назначаются одни и те же температуры (Тп1, Твг и т,д.) и по ним на каждом графике находят соответствующие значения тепловых нагрузок.

Таким образом, в каждой рабочей группе по ранее приведенной формуле для яс(при этом каждая группа использует недостающие данные у другой группы, например, группа N.1,,имеющая данные по "с", и

"ч", у группы N - 2 берет да ные ffo элементу

"б", а группа N 2, имеющая данные по "б" и

"ч", берет в группе М 3 данные по элементу

"с", а последняя дополняет свои дянные опытными данными по элементу "ч", из группы N 1, может быть найдено соответствующее количеству заданных значений температур число значений ес . Затем строят графическую зависимость ac= т(Тв), что является задачей лабораторной работы. На этом же лабораторном стенде можно производить по известной методике лабораторные работы "Исследование конвективного теплообмена при свободном движении потока", "Исследование теплопроводности материала методом трубы". Однако, прин5

55 ципиальное различие здесь заключается в следующем. На известных стендах, за одно учебное занятие можно на трех режимах (на большее не хватит времени) получить только три опытных точки для установления требуемых в каждой работе зависимостей, что совершенно недостаточно. В заявленном стенде на каждом элементе получается шесть точек (на двух половинах элемента различные температурные режимы). Кроме того, между группами производится следующий обмен опытными данными: первая группа использует дополнительно данные второй группы, вторая — третьей, третья— первой.

Таким образом, каждая группа получает для обработки двенадцать температурных режимов.

Используя такой стенд для выполнения лабораторных работ, уменьшают число необходимого лабораторного оборудования (например, при выполнении трех раздельных стендов для указанных лабораторных работ потребовалось бы пять нагревательных элементов и пять автотрансформаторов, для заявленного стенда — три нагревательных элемента и один автотрансформатор), стоимость стенда, упрощает

его изготовление.

Кроме того, использование комплексного-стенда позволяет существенно сократить время, затрачиваемое на проведение эксперимента, так как опытные данные, полученные на первом занятии, могут быть использованы для расчета всех трех лабораторных работ.

Формула изобретения

Комплексный стенд для исследования процессов теплообмена, включающий оп ытные элементы в виде трех цилиндрических нагревателей с размещенными на них термопарами, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, на поверхности элементов нанесен слой исследуемого материала, а термопары расположены на поверхностях этого слоя, элементы включены в электрическую цепь параллельно, причем половина боковой поверхности первого из них имеет покрытие со степенью черноты, близкой к единице, половина поверхности второго имеет степень черноты, близкой к единице, а другая — близкую к нулю, половина поверхности третьего элемента имеет степень черноты, близкую к нулю.

1741169

Составитель А.Чумаченко

Техред М,Моргентал Корректор Н,Ревская

Редактор Н.Горват

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2088 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при,ГКНТ СССР

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