Учебный лабораторный стенд по термодинамике

) идетельство ССС09 В 23/16,М ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) УЧЕБНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ПОТЕРМОДИНАМИКЕ(57) Изобретение относится к учебнолабораторному оборудованию по термо"динамике. Целью изобретения являетсяповышение наглядности и расширениедемонстрационных возможностей, Стендпозволяет моделировать прямой и обратный циклы Карно в области насыщенноговлажного пара на основе гидроаналогиитемпературы 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 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 потокас сверху вниз через гидравлический дроссель имитируют работу холодильной машины с редукционными клапанаис, реализуя цикл во влажном паре. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.Изобретение относится к учебно-лабораторному оборудованию по термодинамике, а именно к таким устройствам, в которых тепловые процессы заменяются некоторыми аналогичными процесса 5 ми, имеющими иную физическую природу, и может быть использовано при проведении занятий в лабораториях общей физики, теплотехники, технической термодинамики, 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 Фв координатах температура - удельная 20 энтропия и температура - поток энтропии соответственно; на фиг. 4 приведена схема имитируемой силовой установки с электрогенератором полезной нагрузки и электродвигателем собст венных нужд привода компрессора; на фиг. 5 - схема имитируемой холодильной установки с турбодетандером; на фиг, 6 - то же, с редукционным вентилем. 30 Стенд содержит два гидравлическихимитатора теплообменников 1 и 2, выполненных в виде диффузоров, трубопроводы 3, образующие с имитаторами 35замкнутый гидравлический контур, двеемкости 4 и 5, каждая из которых связана с одним из имитаторов системойпараллельных трубок 6 и 7 и образуетс замкнутым гидравлическим контуром 40сообщающиеся сосуды, две обратимыегидравлические машины 8 и 9, включенные в замкнутый гидравлический , контур, и две обратимые электрическиемашины 10 и 11, каждая из которых ки нематически связана с одной иэ обратимых гидравлических машин. Емкость 4через расходомер 12 и запорный вентиль 13 соединена с линией 14 подачи жидкости, а через расходомер 15и эапорный вентиль 16 - с линией 17слива жидкости, Емкость 5 также через расходомер 18 и запорный вентиль19 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 игидромеханическими величинами - температурой и напором, а также между потоком энтропии и весовым расходом.Стенд работает следующим образом,П р и м е р 1. Имитация прямогоцикла Карно (силовая установка реализует цикл во влажном паре).Запорные вентили 13 и 21 закрыты,двухпозиционный кран 22 перекрываетлинию гидравлического дросселя 23;обратимые электрические машины 10 и 11разъединены, машина 10 питается отсети 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 обратимуюгидравлическую машину 2 сверху внизравен сумме расхода через обратимуюгидравлическую машину 8 и расхода иэлинии 14 подачи в линию 17 сливачерез запорный вентиль 19, расходомер18, емкость 5, систему параллельныхтрубок. 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 режиметурбины, благодаря чему обратимаяэлектрическая машина 11 работает врежиме генератора, электрическая мощность которого потребляется имитатором потребителя электроэнергии (например, лампочкой),Уровни жидкости в емкостях 4 и 5имитируют температуры соответствующих источников тепла. Расходы жидкости через обратимые гидравлические машины 8 и 9 соответствуют потокамэнтропии через компрессор и турбинуобъекта (фиг. 4) соответственно, Разность уровней в емкостях 4 и 5 имитирует "высоту" цикла Карно, а разностьрасходов через обратимые гидравлические машины - его "ширину" в координатах температура - цоток энтропии. Этаразность измеряется расходомером 15или 18 (в стационарном режиме их по"казакия одинаковы). Произведение разностей уровней и расходов (площадьцикла) соответствует максимальнойз 141полезной работе в единицу времени,Произведения высоты уровней в емкостях 5 и 4 на разность расходов жидкости через обратимые гидравлическиемашины соответствуют подведенному иотведенному теплу в единицу времени,а разность данных произведений - полезной работе в единицу времени,Действительная полезная нагрузкаравна разности показаний ваттметровобратимых электрических машин 11 и 10.П р и м е р 2, Имитация обратногоцикла Карно (холодильная машина стурбодетандером реализует цикл вовлажном паре),Запорные вентили 16 и 19 закрытьцдвухпозиционный кран 22 перекрываетлинию гидравлического дросселя 23;обратимые электрические машины 11 и10 соединены одна с другой таким образом, что образуют единый генера -тор - двигательный агрегат, рабоТающий в режиме двигателя и питаемыйот сети, причем обратимая электрическая машина 11 работает в режиме двигателя, благодаря чему обратимая гидравлическая машина 9 работает в режиме насоса, подавая жидкость снизувверх и обеспечивая циркуляцию.Расход жидкости через обратимуюгидравлическую машину 8 сверху внизравен разности полного расхода черезобратимую гидравлическую машину 9и расхода из линии 14 подачи в линию17 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 режиметурбины, благодаря чему обратимаяэлектрическая машина 10 работает врежиме генератора, частично покрывающего затраты энергии на привод обратимой электрической машины 11 (длятого, чтобы машина 1 О не работала врежиме двигателя, напряжение на ееклеммах не должно быть ниже напряжения сети, что достигается тщательнымподбором характеристики машины и напряжения сети),Расходы жидкости через обратимыегидравлические машины 9 и 8 соответствуют потокам энтропии через компрессор и детандер объекта (Фцг. 5).Произведения высогы уровней в ем 70314костях 4 и 5 на разность расходовжидкости через. обратимые гидравлические машины соответствуют подведенному и отведенному теплу в единицу временц, а разность данных произведений - минимальной затраченной работев единицу времени. Действительная затраченная энергия равна показаниюваттметра генератор - двигательногоагрегата,П р и м е р 3. Холодильная машинас редукционным клапаном, реализующаяцикл во влажном паре (фиг. 6).Запорные вентили 16 и 19 закрыты;двухпозиционный кран 22 перекрываетлинию обратимой гидравлической машины 8 и направляет поток жидкостисверху вниз через гидравлическийдроссель 23. Электрическая машина 10откпючена.Вся мощность, необходимая дляпривода обратимой гидравлической машины 9, работающей в режиме насоса 25 и обеспечивающей циркуляцию, потребляется обратимой электрической машиной 11 из сети и измеряется ваттметром.Положительный эффект предлагаемо- ЗО го технического решения заключаетсяв возможности моделирования нереализуемых на практике, но важных теоретических прямого и обратного цикловКарно с наглядным представлением изменения потока энтропии ц удельной 35энтропии в теплообменниках ц с прямымизмерением аналогов тепловых величин,характеризующих цикл, в том числетаких, которые вообще не поддаются 40непосредственному измерению, При этомв отличие от реальных (т.е. не ис"пользующих аналогии) моделей теплосиловых установок гидродинамцческцемодели обладают весьма малой цнерционностью что позволяет быстро выУводить их на стационарный режим именять режим. По сравнению с прототипом преимуществом предлагаемого техническогорешения является возможность дополнительно на одном стенде моделироватьобратный (холодильный) ццкл Карно,что позволяет в сравнении демонстрировать качественнь 1 е и количественные 55отличительные особенности прямого иобратного циклов Карно и тем самымдает возможность повысить обучающийэффект лабораторного стенда, т,е. ка2, Стенд по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что параллельно одной из обратимых гидравлических машин через двухпоэиционный кран включен гидравлический дроссель. 5 1 ч 1 З 1 ь чество обучения студентов по термодн- с я тем, что, с целью повышения намике и родственным курсам. наглядности н расширения демонстрационных воэможностей, он снабжен дву- Ф 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 кннематическн связана с одной иэ обпроводы, образующие с имитаторами ратимых гидравлических машин, замкнутый гидравлический контур, двеемкости, каждая иэ которых связанас одним иэ имитаторов системой параллельных трубок и образует с замкнутым" гидравлическим контуром сообщающиеся сосуды, о т л и ч а ю щ и й,оРиГРпоМЫ ли лбат аР ллла1417031 ОмРоо гпгллу Составитель Б.ГойфмаМаковская Техред А.Кравчук ектор Л.Пнлипе едакт 069/49 аб., д оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,ЛЫ и лвглаЯа б ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и113035, Москва, Ж, Раушск Подписноемитета СССРоткрытий