Учебный стенд по технической термодинамике

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 119) 01) 7 О 51)4 009 В 23/ Й КОМИТЕТ СССР РЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙСУДАРСТВЕНДЕЛАМ ИЗ ЕНИ СВИДЕТЕЛЬСТ А ВТОРСН(56) Авторское свидВ 1309073, кл. 0 09 31.07.86. У 4 литехничес В.А.Пиен тельство В 23/16,О ТЕХНИЧ тся к учебнонию по термоения являетционных вози обратной новременно. овать прямой сыщенногоразличных л К п, ф-ль л. ОПИСАНИЕ ИЭОБ(57) Изобретение относи лабораторному оборудова динамике. Целью изобрет ся расширение демонстра можностей путем прямой циркуляций жидкости од Стенд позволяет моделир цикл Карно в области на влажного пара и циклы трансформаторов тепла на основе гидроаналогии температуры и потока энтропии. Стенд имеет два аналогичных замкнутых гидравлических контура (основной и дополнительный), связанных между собой трубопроводами с запор- ными вентилями. Контур содержит гидравлические имитаторы парового нагнетателя, теплоотдатчика, паровой турбины (или турбодея андера), теплоприемника, Контуры отличаются друг от друга порядком включения имитирующих элементов, соотношением мощности гидравлических машин и расположением емкостей для подачи и отвода жидкостей. Включая определенным образом основ- д ной и вспомогательный контуры, обес- Е печивают работу стенда в различных режимах: в режиме моделирования тепловой электростанции или режиме моде- ( ирования повышающЕго понижающего, омбинированного термотрансформатора. ЕИзобретение относится к учебно-лабораторному оборудованию по термодинамике, а более конкретно к такимустройствам, в которых тепловые процессы заменяются некоторыми аналогичными процессами, имеющими иную физическую природу, и может быть использовано при проведении занятий в лабораториях общей Физики, теплотехники, 10технической термодинамики, энергетических установок электростанций,Цель изобретения - расширение демонстрационных возможностей путемпрямой и обратной циркуляции жидкости одновременноНа Фиг,1 представлена принципиальная схема предлагаемого стенда; нафиг. 2 - моделируемый цикл повышающего термотрансАорматора; на фиг.3 - 20условная схема установки, реализую"щей этот цикл; на Аиг. 4 - цикл понижающего термотрансформатора; наФиг. 5 - условная схема установки,реализующей этот цикл; на фиг. 6 - 25комбинированный цикл термотрансАорматора; на Аиг. 7 - условная схемаустановки, реализующей этот цикл.Стенд имеет два аналогичных замкнутых гидравлических контура: основной и дополнительный. Основной контур содержит имитатор 1 парового нагнетателя (им является гидравлическийнасос), имитатор 2 теплоприемника(им является конфузор), имитатор 3паровой турбины (им является гидравлическая турбина), имитатор 4 теплоотдатчика (им является диффузор).Над и под основным контуром расположены емкости 5 и 6, одна для подачи и другая для отвода жидкости.Емкости 5 и 6 посредством систем параллельных трубок 7 и 8 соединены соответственно имитаторами 4 ч 2, Между имитаторами 1 и 2 установлен обратный клапан 9, На входе емкости5 и на выходе емкости 6 установленыотградуированные в единицах потокаэнтропии расходомеры 10 и 11 и регулируемые гидравлические сопротивления 12 и 13. Имитатор 1 парового нагнетателя кинематически связан сэлектродвигателем 14, а имитатор 3паровой турбины - с злектрогенератором 15,Дополнительный гидравлический контур содержит соединенные последовательно имитатор 16 турбодетандера(им является гидравлическая турбина),имитатор 17 теплоприемника (им является конфузор), имитатор 18 парового нагнетателя (им является гидравлический насос), имитатор 9 теплоотдачика (им является диффузор).Дополнительный контур имеет также4 вспомогательное регулируемое гидравлическое сопротивление 20,Под и над дополнительным контуром расположены емкость 21 для подачи и емкость 22 для отвода жидкости,Емкости 21 и 22 посредством системпараллельных трубок 23 и 24 соединены соответственно с имитаторами17 и 19. На входе емкости 21 и навыходе емкости 22 установлены отградуированные в единицах потока энтропии расходомеры 25 и 26 и регулируемые гидравлические сопротивления27 и 28,Имитатор 16 турбодетандера кинематически связан с электрогенератором 29, который электрически связанс электродвигателем 14. Имитатор 18парового нагнетателя кинематическисвязан с электродвигателем 30, который электрически связан с электрогенератором 15, Электрические связина Фиг.1 не показаны.Емкость 21 соединена с емкостью6, а емкость 22 - с емкостью 5 трубопроводами, оснащенньпчи запорнымивентилями 31 и 32 соответственно.Дополнительный гидравлическийконтур отличается от основного порядком включения имитирующих элементов,соотношением мощностей гидравлических машин (в нем насос мощнее турби-,ны, а в первом контуре наоборот), обратным расположением емкостей дляподачи и отвода жидкости,Стенд работает следующим образом.В первом режиме имитируется работа тепловой электростанции. Дпя этого выводятся из работы второй контур и принадлежащие ему гидравлические и электрические элементы стенда, Это достигается закрытием :запорных вентилей 31 и 32 и отключением электрических машин 29 и 30. К клеммам электрогенератора 15 подключаются электро" двигатель 14 и имитатор потребителя электроэнергии (электрическая лампочка, на схеме не показана). Таким об" разом, в работе остаются первый контур и принадлежащие ему гидравличес-. кие и электрические элементы стенда;444870 приводит в действие электрогенератор 29, питающий электродвигатель 14, кинематически связанный с имитатором .Таким Образом, техническая работа, произведенная основным контуром, в конечном счете потребляется дополнительным контуром, который реализует цикла трансформатора тепла.Во втором режиме моделируется такой случай повышающего термотрансформатора, когда естественный горячий источник ограничен и поэтому отдает тепло только в прямом цикле, а в обратном цикле тепло отнимается от окружающей среды (фиг.2 и 3).Для этого вентиль 32 должен быть закрыт, а вентиль 31 - открыт; посредством регулирования сопротивлений 13 и 27 создается одинаковый уровень в емкостях 6 и 21. Этот уровень имитирует температуру окружающей среды Т, . Уровень в емкости 5имитирует температуру естественногогорячего источника Т, а уровень вемкости 22 - более высокую (в этомсмысле повышающего трансформатора) температуру искусственного горячего источника Тр.Расход через сопротивление 28, измеряемый расходомером 26, имитирует поток энтропии к искусственному горячему источнику, а произведение этого расхода на уровень в емкости 22 имитирует полезное тепло, отданное в единицу времени искусственному горячему источнику (без затраты какой-либо энергии). Произведение этого расхода на разность уровней в емкостях 22 и 21 (т,е. площадь обратного цикла на фиг.2) дает ту работу, которая была бы затрачена в тепловом насосе, если бы задача создания искусственного горячего источника с температурой Тр 7 Те решалась без повышающего трансформатора,В третьем режиме моделируется такой случай понижающего термотрансформатора, когда естественный холодный источник ограничен и поэтому отнимает тепло только в прямом цикле, а в обратном цикле тепло отдается окружающей среде (фиг, 4 и 5).Для этого вентиль 31 должен быть закрыт, а вентиль 32 - открыт; посредством регулирования сопротивлений 12 и 28 создается одинаковый уровень моделируется только прямой цикл Карно во влажном паре.Жидкость под действием собственного веса перетекает из емкости 5 в ем 5кость 6 через трубки 7, имитаторы2 - 4 и трубки 8; приводя в действиеимитатор 3 паровой турбины, которыйприводит в действие электрогенератор 15, питающий имитатор потребите обратный цикл в составе бинарного ля электроэнергии (лампочку) иэлектродвигатель 14. электродвигатель14 приводит в действие имитаторкоторый обеспечивает циркуляцию жидкости по основномуфзамкнутому гидравлическому контуру. За счет разностирасходов жидкости через имитаторы 3и 1 мощность, вырабатываемая генератором 1 5, превышает мощность, потребляемую двигателем 4, а полезная разность этих мощностей идет на питаниеимитатора потребителя электроэнергии.Разность уровней жидкости в емкостях 5 и 6 имитирует разность температур горячего и холодного источников 25тепла, а разность. расходов жидкостичерез имитаторы 3 и 1, измеряемая любым иэ расходомеров О или 11, имитирует разность потоков энтропии черезпаровую турбину и через паровой комп- З 0рессор объекта. Произведение этихразностей дает площадь цикла в координатах температура - поток энтропиии измеряет работу цикла в единицувремени. 35Во втором, третьем и четвертомрежимах моделируются циклы различныхтрансформаторов тепла. Для этоговводится в действие дополнительныйзамкнутый гидравлический контур и 40принадлежащие ему элементы, Клеммыэлектрогенератора 15 замыкаются наклеммы электродвигателя 30, а клеммы электродвигателя 14 - на клеммьэлектрогенератора 29, 45Основной контур работает в прежнем режиме и реализует прямой цикл,ио теперь электрогенератор 15 питает не потребитель электроэнергии, аэлектродвигатель 30, который приво Одит в действие имитатор 18. В результате жидкость перекачивается иземкости 21 через трубки 23, имитаторы 17 - 19 и трубки 24 в емкость. 22 е Циркуляция жиДкости по ДОпОлни утельному замкнутому гидравлическомуконтуру обеспечивается стеканиемч,асти ее через вспомогательное сопротивление 20 и имитатор 16, которыйв емкостях 5 и 22. Этот уровень имитирует температуру окружающей среды Т , Уровень в емкости 6 имитирует температуру естественного холодного источника Т, а уровень в емкости 21 - более низкую (в этом смысл пони" жающего трансформатора) температуру искусственного холодного источника .Расход через сопротивление 27,измеряемый расходомером 25, имитирует поток энтропии от искусственного холодного источника, а произведение этого расхода на уровень в емкости 21 имитирует полезное тепло, отнятое в единицу времени от искусственного холодного источника (без затраты какой-либо энергии), т.е. имитирует произведенный холод, Произведение этого расхода на разность уровней 2 О в емкостях 22 и 21 (т,е. площадь обратного цикла на фиг.А) дает ту работу, которая была бы затрачена в хо" лодильной машине, если бы задача соз" дания искусственного холодного источ ника с температурой Т,(Т е решалась без понижающего трансформатора. Проводится сравнение этих вариантов.Б четвертом режиме (фиг. 6 и. 7) моделируется, такой случай, когда, располагая естественной разностью температур ВТе, требуется получить одновременно два искусственных истод" ника (горячий и холодный).с перепадом температур между ними ВТЛ Те, Дпя этого перекрываются оба запорных вентиля (32 и 31).Положительный эффект предлагаемого технического решения заключается в возможности моделирования на одном стенде как одноконтурных циклов Карно во влажном паре, так и бинарных циклов различных трансформаторов теп" ла (повьппающего, понижающего, комбинированного), а также в возможностиравнения разных путей получения искусственных температур, что позволяет повысить обучающий эФФект основного изобретения. Формула изобретения1, Учебный стенд по технической термодинамике по авт.св. У 1309073, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения демонстрационныхвозможностей путем прямой и обратной циркуляции жидкости одновременно, он снабжен дополнительным, аналогичным основному, замкнутым гидравлическим контуром, содержащим последовательно расположенные имитаторы теплоприемника и теплоотдачика, выполненные соответственно в виде Диффузора и конфузора, и две гидравлические машины для имитации турбодетандера и парового нагнетателя,электрогенератором, кинематически связанным с имитатором турбодетандера, и электродвигателем, кинематически связанным с имитатором парового нагнетателя, расположенными над и под гид" равлическим контуром емкостями для отвода и подачи жидкости, одна из которых ; системой параллельных трубок соединена с имитатором теплопри" емника, а другая - с имитатором теплоотдатчикапри этом емкость для отвода жидкости дополнительного гидравлического контура трубопроводом соединена с емкостью для подачи жидкости основного гидравлического контура, а емкость для подачи жидкостис емкостью для отвода жидкости,.2. Стенд по п,1 о т л и ч а ющ и й с я тем, что трубопроводы,сое диняющие емкости для подвода и отвода жидкости дополнительного и основного гидравлических контуров, оснащены запорными вентилями.3. Стенд по п.1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что электродвигатель и электрогенератор дополнительного гидравлического контура электрически связаны соответственно с электро- генератором и электродвигателем основного гидравлического контура, 1444870.14448 70 оставитель Б.Гойфманехред И.Ходанич,Корректор С,Шекмар дактор Т.Парфенов Тираж 459 Государственного комит делам изобретениы и отк осква, Ж, Раушская н Заказ 6510/5 Подписно атий п13035,4/ оизводственно-полиграфическое предприятие, г, Уагород, ул. Проектна