Лабораторная установка для изучения процессов тепломассопереноса

Лабораторная установка для изучения процессов тепломассопереноса

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для исследования процессов, связанных с интенсивным тепломассопереносом в нагреваемом слое жидкости в термосифонах энергонасыщенного авиационного оборудования.

Известна лабораторная установка для изучения тепломассообмена при испарении воды в поток воздуха [RU 64413 U1, МПК G09B 23/16 (2006.01), опубл. 27.06.2007], содержащая корпус в виде трубки, электронагреватель, ваттметр, смесители потока, термопары. Корпус выполнен изогнутым, в вертикальной нижней части установлен электронагреватель. В наклонной верхней части корпуса смонтирован удлиненный опытный участок в виде стеклянной трубки, обернутой с внешней стороны влажной материей. Опытный участок фиксируется в корпусе игольчатыми опорами, имеющими на концах резиновые шарики для предотвращения скольжения. Для удаления излишков воды используется тканевая лента. Смесители потока воздуха выполнены в виде шайб с отверстиями в центре.

С помощью этой установки невозможно исследование процессов испарения или кипения, которые сопровождаются кризисом теплообмена и формированием сухих пятен.

Наиболее близким, принятым за прототип, является лабораторная установка по теплопередаче [RU 2359193 С2, МПК F28D 20/00 (2006.01), опубл. 20.06.2009], содержащая корпус, электронагреватель, патрубки для выхода нагретого воздуха. Вертикальный цилиндрический корпус выполнен из латуни и содержит внутреннюю и наружные трубы, помещенные одна в одну. Внутренняя труба открыта с обеих сторон и содержит установленные в нижней части электронагреватель, присоединенный к находящимся снаружи ваттметру, и ЛАТРу. В верхней и нижней части установлены нижний и верхний смесители воздуха, нижний и верхний патрубки для ввода термопар. Наружная труба открыта в верхней части для входа воздуха, в нижней части имеет коническую форму с выходным патрубком для ввода термопары. Снаружи наружной трубы смонтирован сосуд со льдом и патрубком для слива воды.

Недостатком этой лабораторной установки является сложность ее конструкции, а также невозможность исследования процессов испарения или кипения, которые сопровождаются кризисом теплообмена и формированием сухих пятен.

Задачей изобретения является создание простой конструкции лабораторной установки для исследования процесса испарения и кипения.

Поставленная задача решена за счет того, что лабораторная установка для изучения процессов тепломассопереноса, также как в прототипе, содержит корпус из латуни, внутри которого расположен электронагреватель, термопары.

Согласно изобретению рабочий участок представляет собой прямоугольный корпус, на дно которого поочередно установлены теплоизоляционный материал, электронагреватель в виде плоского нагревательного элемента, подключенный к источнику питания, металлическая пластина и подложка, на которую налита низкокипящая жидкость. На верхней стороне металлической пластины выполнены выемки, в каждой из которых установлена термопара. Симметрично этим термопарам выполнены выемки на нижней стороне металлической пластины, в которых также установлены термопары. Термопара для измерения температуры жидкости погружена в нее. Все термопары через аналого-цифровой преобразователь соединены с персональным компьютером. В верхней части корпуса выполнено отверстие для щупа в виде стальной иглы, закрепленной снаружи на прецизионном устройстве, подключенном к персональному компьютеру. Источник света, диффузор, щит с отверстием, двояковыпуклая коллимирующая линза, прямоугольный корпус, двояковыпуклая конденсирующая линза и видеокамера последовательно расположены на оптической столешнице так, что они размещены на одной оси, проходящей через слой жидкости, налитой на подложку рабочего участка.

Предложенная лабораторная установка позволяет исследовать процессы испарения и кипения. С помощью щупа, закрепленного на прецизионной установке, измеряют толщину слоя жидкости в условиях тепломассообмена с паровой фазой. Посредством видеокамеры, источника света, диффузора, щита с отверстием, двояковыпуклых коллимирующей и конденсирующей линз получают теневое изображение, на котором видны деформационные и волновые процессы на границе раздела двух фаз (жидкой и паровой).

На фиг. 1 представлена принципиальная схема лабораторной установки для изучения процессов тепломассопереноса.

На фиг. 2 представлен общий вид рабочего участка лабораторной установки.

На фиг. 3 представлен видеокадр теневого изображения волнового и деформационного процессов слоя жидкости при ее испарении в паровую фазу.

Лабораторная установка для изучения процессов тепломассопереноса содержит рабочий участок 1 (фиг. 1), который представляет собой прямоугольный корпус 2, выполненный из латуни. На дно корпуса 2 поочередно установлены теплоизоляционный материал 3 (фиг. 2), например минеральная вата, плоский нагревательный элемент 4, металлическая пластина из нержавеющей стали 5 и подложка 6, на которую налита низкокипящая жидкость, например спиртовой раствор. На верхней стороне металлической пластины 5 выполнено три выемки, в каждой из которых установлена термопара 7, симметрично которым выполнены выемки на нижней стороне металлической пластины 5, в которых также установлены термопары 7. Термопара 8 погружена в жидкость, налитую на подложку 6. Плоский нагревательный элемент 4 подключен к источнику питания 9 (ИП) (фиг. 1). Термопары 7 и 8 через аналого-цифровой преобразователь 10 (АЦП) соединены с персональным компьютером 11 (ПК). В верхней части корпуса 2 выполнено отверстие 12 для щупа в виде стальной иглы, закрепленной на прецизионном устройстве 13, подключенном к персональному компьютеру 11 (ПК).

Источник света 14, диффузор 15, щит 16 с отверстием, двояковыпуклая коллимирующая линза 17, корпус 2, двояковыпуклая конденсирующая линза 18 и видеокамера 19 последовательно расположены на одной оси, проходящей через слой жидкости, налитой на подложку 6 рабочего участка.

Прецизионное устройство 13 представляет собой механизм, способный перемещать закрепленный на нем предмет в трех плоскостях. Подложка 6 может быть изготовлена из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например медь, латунь, алюминий.

Лабораторную установку для изучения процессов тепломассопереноса собирают на оптической столешнице, что обеспечивает необходимую точность в настройке оптического оборудования.

При выполнении необходимых исследований на подложке 6 рабочего участка 1 формируют горизонтальный слой жидкости, толщину которого варьируют в зависимости от режимных параметров эксперимента (не более 5 мм). Со стороны подложки 6 с помощью плоского нагревательного элемента 4 равномерно нагревают жидкость, контролируя его мощность посредством источника питания 9 (ИП). При нагреве жидкости происходит ее испарение, и в верхней части рабочего участка 1 образуется паровая фаза. Температуру плоского нагревательного элемента 4 и жидкости измеряют с помощью термопар 7 и 8, сигналы с которых передают через аналогово-цифровой преобразователь 10 (АЦП) на персональный компьютер 11 (ПК). Для измерения и контроля толщины слоя жидкости используют щуп, закрепленный на прецизионном устройстве 13. Положение щупа контролируют посредством прецизионного устройства 13.

Пучок лучей от источника света 14 последовательно проходит через диффузор 15, отверстие в непрозрачном щите 16, двояковыпуклую коллимирующую линзу 17, где, преломляясь, становится параллельным и проходит через слой жидкости. Далее лучи направляются к двояковыпуклой конденсирующей линзе 18, с помощью которой пучок света фокусируется и теневое изображение проецируется на сенсоре цифровой видеокамеры 19. Таким образом, получают теневое изображение волновых и деформационных процессов, происходящих при испарении слоя жидкости в паровую фазу (фиг. 3). По такому теневому изображению судят о геометрических изменениях слоя жидкости в процессе испарения и кипения. Прямые измерения температуры позволяют вычислить коэффициент теплоотдачи подложки.

Лабораторная установка для изучения процессов тепломассопереноса, содержащая корпус из латуни, внутри которого расположен электронагреватель, термопары, отличающаяся тем, что рабочий участок представляет собой прямоугольный корпус, на дно которого поочередно установлены теплоизоляционный материал, электронагреватель в виде плоского нагревательного элемента, подключенный к источнику питания, металлическая пластина и подложка, на которую налита низкокипящая жидкость, причем на верхней стороне металлической пластины выполнены выемки, в каждой из которых установлена термопара, симметрично этим термопарам выполнены выемки на нижней стороне металлической пластины, в которых также установлены термопары, термопара для измерения температуры жидкости погружена в нее, все термопары через аналого-цифровой преобразователь соединены с персональным компьютером, при этом в верхней части корпуса выполнено отверстие для щупа в виде стальной иглы, закрепленной на прецизионном устройстве, подключенном к персональному компьютеру, источник света, диффузор, щит с отверстием, двояковыпуклая коллимирующая линза, прямоугольный корпус, двояковыпуклая конденсирующая линза и видеокамера последовательно расположены на оптической столешнице так, что они размещены на одной оси, проходящей через слой жидкости, налитой на подложку рабочего участка.