Установка для дослідження динамічних і теплофізичних характеристик газодинамічних об’єктів

1. Установка для дослідження динамічних і теплофізичних характеристик газодинамічних об'єктів, що містить корпус аеродинамічної труби відкритого типу з розміщеною усередині нього мірною ділянкою, робочу ділянку, генератор повітряного потоку, вихідний патрубок якого оснащений підігрівачем і засобами регулювання та контролю температури, яка відрізняється тим, що як робоча ділянка застосований газоочисник, вихідним патрубком приєднаний до мірної ділянки аеродинамічної труби, додатково встановлено три окремих генератора аерозолю барботажного типу: грубодисперсного аерозолю, середньодисперсного аерозолю і U 2 (11) 1 І UA (54) УСТАНОВКА ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ГАЗОДИНАМІЧНИХ ОБ'ЄКТІВ (19) ДЕРЖАВНА СЛУЖБА ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ УКРАЇНИ 3 аеродинамічна робоча ділянка та реєструюче середовище, розміщена на перетині осей каналів формування предметного і опорного пучків, причому за реєструючим середовищем встановлений блок реєстрації інтерферограм. Застосовано нагрівач газу із засобами регулювання та контролю температури. Встановлений в аеродинамічній ділянці патрубок роздачі газу і перешкода забезпечені охолоджуваними сорочками з патрубками підведення та відведення теплоносія, при цьому перешкода встановлена паралельно оптичній осі до вихідної площини патрубка роздачі газу і на відстані від неї, утворюючи робочий об'єм аеродинамічної ділянки, блок реєстрації інтерферограм містить встановлені послідовно за реєструючим середовищем лінзу, екран і фотокамеру та синхронізатор пуску електродвигуна кінокамери, з'єднаний з патрубком роздачі газу. Ознаки, що збігаються з ознаками установки, яка заявляється: корпус аеродинамічної труби відкритого типу з розміщеною усередині нього мірною ділянкою, нагрівач газу із засобами регулювання та контролю температури. За кількістю співпадаючих ознак даний аналог є найбільш близьким. За одержуваним ефектом цей аналог також ближче, оскільки дозволяє визначати теплофізичні характеристики досліджуваного об'єкта. Однак на такій установці без додаткового оснащення не можливо вивчати газові потоки з полідисперсними включеннями. Крім того, неможливо вести обробку даних експериментів в режимі реального часу. Поставлена задача удосконалення установки для дослідження динамічних і теплофізичних характеристик газодинамічних об'єктів, яка додатково оснащена пристроями для дослідження потоків з полідисперсними включеннями інших середовищ та оснащена сучасною цифровою реєструючою апаратурою, що дозволяє розширити область досліджуваних параметрів і вести обробку результатів досліджень в режимі реального часу. Вирішується задача тим, що установка для дослідження динамічних і теплофізичних характеристик газодинамічних об'єктів, що містить корпус аеродинамічної труби відкритого типу з розміщеною усередині нього мірною ділянкою, робочу ділянку, генератор повітряного потоку, вихідний патрубок якого оснащений підігрівачем і засобами регулювання та контролю температури, згідно з корисною моделлю, як робоча ділянка застосований газоочисник, вихідним патрубком приєднаний до мірної ділянки аеродинамічної труби, додатково встановлено три окремих генератори аерозолю барботажного типу: грубодисперсного аерозолю, дрібнодисперсного аерозолю і середньо-дисперсного аерозолю, вихідні патрубки яких з'єднані з входом газоочисника, а вхідні - з генератором повітряного потоку, при цьому кожен генератор аерозолю має підігрівач рідини, а мірна ділянка аеродинамічної труби обладнана контрольно-вимірювальними пристроями. 64322 4 Вихідні патрубки генераторів дрібно- і грубодисперсного аерозолю з'єднані з газоочисником через вихідний патрубок генератора середньо-дисперсного аерозолю, при цьому вихідний патрубок генератора грубодисперсного аерозолю протилежним кінцем занурений у рідину всередині цього генератора. В установці, застосовані цифрові контрольновимірювальні пристрої, які приєднані до персональних комп'ютерів з відповідними програмами. Удосконалення установки для дослідження газодинаміки, теплофізичних характеристик необхідне для моделювання двофазних середовищ газових викидів енергетичних установок, які різні за походженням, складом і параметрами. Ряд викидів містить дорогі матеріали, має високо- і низькопотенційну енергію. Для підвищення якості очищення необхідно проводити дослідження розробленого сепараційного обладнання, що дозволить зменшити забруднення навколишнього середовища. Дисперсні двофазні середовища в енергетичних установках мають широкий полідисперсний склад - від 0,1 мкм до 100-200 мкм, концентрація рідкої фази може досягати 2 3 кг/м . Для створення на стенді умов, відповідних режиму роботи енергетичних установок, обрано напірний варіант руху аерозольного середовища. Як робоче середовище використовується рідка фаза, яка присутня в більшості енергетичних систем. З огляду на необхідність створення двофазного середовища в неізотермічних умовах при температурах до 150°С і витратах до 2000 3 м /год. стенд доцільно виконати у вигляді аеродинамічної труби. Таке рішення ґрунтується на класичних схемах проведення аеродинамічних експериментів. Принципова схема стенда для дослідження динамічних та теплофізичних характеристик газодинамічних об'єктів наведена на рисунку. Універсальність полягає в широкому інтервалі зміни витрат двофазного середовища і концентрації дисперсної фази та температурного режиму. Стенд представляє собою аеродинамічну трубу відкритого типу, забезпечену приладами спостереження та контролю. На сьогоднішній день за допомогою установки є можливість досліджувати газоочисне обладнання з С = 50-600 3 м /год.; при температурному діапазоні від 20 до 150°С; початковій концентрації від 100 до 2000 3 г/м . На стенді використовується сучасне цифрове обладнання, яке дозволяє знизити похибки досліджень та автоматизувати отримання результатів експерименту. Розроблене конструктивне рішення установки відповідає сучасним вимогам. Стенд містить наступні складові частини: високонапірний електровентилятор (повітродувка) 1 з електродвигуном 3; витратомірний колектор 2; мікроманометри чашкового типу 4, 29; мікроманометри диференціальні цифрові 5, 17, 28; електронагрівачі повітряні 6; автотрансформатори змінного струму 7, 43, 67; цифрова фотокамера 9; цифровий мікроскоп 10; ділянка прогріву повітря 11; труба розподілу гарячого повітря і створення 5 пінного шару 12; персональні комп'ютери 8, 15, 16, 38; термопари 13, 24, 45, 59, 62; аналогоцифровий перетворювач (АЦП) 14; фотометричний лічильник аерозольних частинок 18 з перемикачем 19; крани подачі проби суміші 20; алонжі з аналітичними фільтрами АФА 21, 23; аспіратор 22; зонди відбору статичного тиску 25, 55; інерційні зонди 26, 53; пробовідбірники полідисперсного середовища 27, 52; регульований електроклапан 30; заслінка регулювання потоку повітря 31; витратомірна шайба 32; вихідна робоча вимірювальна ділянка 33; досліджуваний газоочисник 34; трубопровід зливу рідини 35; триходовий кран 36; аналітичні цифрові ваги 37; трубопровід підведення рідини в мірну ємність 39; мірна ємність 40; цифрові ваги 41; бак 42 ; електронагрівачі водяні 44, 50, 68; кран дозування стисненого повітря 46; трубопровід подачі рідини з бака 47; трубопровід подачі стисненого повітря 48; генератор високодисперсного аерозолю 49; форсунка подачі стисненого повітря 51; мікроманометр водяний U - подібний 54; електрокомпресор стисненого повітря 56; насос подачі рідини в форсунку генерації грубодисперсного аерозолю 57; трубка подачі дрібнодисперсного аерозолю 58; вхідна робоча вимірювальна ділянка 60; кран дозування рідини 61; ротаметр для визначення витрати рідини 63; форсунка розпилу грубодисперсних крапель рідини 64; гравітаційний елімінатор рідини від повітря 65; камера першого генератора високотемпературного середньодисперного середовища 66; трубопровід підведення 69 і відведення 70 охолоджуючого теплоносія (води) з кранами 71 і ротаметром 72. Стенд представляє собою аеродинамічну трубу відкритого типу, забезпечену засобами вимірювання, обробки результатів, а також регулювання і контролю. Стенд працює наступним чином. Двофазне середовище для дослідження газоочисника повинно характеризуватися полідисперсним складом і містити середньодисперсні частинки діаметром менше 20 мкм (включаючи конденсаційного походження менше 1 мкм) і грубодисперсні частинки діаметром 20-500 мкм і пари речовин. Концентрація рідкої 3 фази має становити 0,5-2,0 кг/м , температура суміші до 120°С. Відповідно наведеним вимогам двофазне середовище на експериментальному стенді створюється таким чином. Високонапірний вентилятор (повітродувка) з електродвигуном 3 збирає зовнішнє повітря через витратомірний колектор (лемніскату) 2 і направляє його для підігріву в ділянку прогріву 11, де розташований електронагрівач 6 з автотрансформатором 7. У цій ділянці температура повітря підвищується до 80120°С. Витрата повітря визначається за перепадом на лемніскаті 2 і витратомірному колекторі 32 за допомогою мікроманометрів 4 і 29, а також диференціальних цифрових мікроманометрів 5, 28 і 29, під'єднаних до персонального комп'ютера 16. Витрата повітря регулюється краном 31 із заслінкою 30. Після ділянки прогріву повітря через розподільну трубу 12 з термопарою 13 надходить в камеру 64322 6 високотемпературного двофазного середовища 66. У цій камері відбувається барботаж гарячого повітря через шар підігрітої рідкої фази. Підігрів рідкої фази здійснюється за рахунок його контакту з водяною гарячою ванною, яку обігріває електронагрівач 68 з автотрансформатором 67 і вимірюється термопарою 62. Охолоджують середовище через трубопровід підведення охолоджувача 69, відведення - 70 з краном 71 та ротаметром 72. Повітря проходить барботажну камеру, спінює нагріту рідку фазу, насичується парами та аерозолем і утворює нагріте задане двофазне середовище. Камера 66 з дозуючою трубою 12 представляє собою генератор середньо-дисперсного аерозолю та парів рідкої фази. Для створення значних концентрацій (до 2 3 кг/м ) грубодисперсних крапель рідкої фази в повітрі (з діаметром від 20 до 500 мкм) і плівки на внутрішній поверхні трубопроводів застосовується генератор грубодисперсних крапель. Він складається з форсунки розпилу 64, в яку подається гаряча рідка фаза високонапірним насосом 57 з бака 42. Рідина в баці підігрівається водяною ванною, в якій розташований електронагрівач 44 з автотрансформатором 43 та термопара 45. Витрата рідини залежить від параметрів насоса 57, регулюється краном 61 і визначається ротаметром 63. Він може досягати 3 до 7,0 м /год при напорі 350 кПа. Бак 42, трубопровід 47, насос 57, кран 61, ротаметр 63 і форсунка 64 утворюють генератор грубодисперсного аерозолю. Для створення значних концентрацій дрібнодисперсного аерозолю із середнім діаметром частинок менше 2 мкм використовується спеціальний генератор 49, в якому рідка фаза підігрівається у водяній ванні з електронагрівачем 50. Високодисперсний аерозоль утворюється за рахунок барботажу стисненого повітря тиском 0,6 МПа, що подається через спеціальну форсунку 51 під шар рідини від компресора 56. Витрата стисненого повітря регулюється краном 46 та трубопровід 48. Генератор високодисперсного аерозолю дозволяє одержувати частки із середнім діаметром 0,3 мкм і 3 концентрацією до 300 мг/м . В усіх генераторах бака використовується рідка фаза. Таким чином, модельне двофазне високотемпературне полідисперсне середовище створюється подачею у вхідну вимірювальну ділянку 60 аерозолю від трьох генераторів: з камери 66 і від форсунки 64 і розпилювача дрібнодисперсного аерозолю 58. У робочій вхідній ділянці 60 полідисперсна суміш перемішується і досягає параметрів, близьких до полідисперсних середовищ систем ЕУ. Для оцінки основних параметрів полідисперсних середовищ є відповідні вимірювальні засоби. Температура суміші вимірюється за допомогою хромелькопелєвих термопар 59, які для автоматизації обробки інформації через аналого-цифровий перетворювач 14 підключені до персонального комп'ютера 15. У вимірювальній вхідній ділянці всі чутливі елементи приладів розташовані на відстані не менше 3-х діаметрів трубопроводу від перетину розпилювачів аерозолю. Статичний тиск вимірюється за допомогою сферичної насадки 55 7 або отворів відбору статичного тиску на стінках трубопроводу (для режиму сухої продувки) за допомогою водяного мікроманометра 54 або диференціального цифрового мікроманометра 17, приєднаного до персонального комп'ютера 16. При відборі статичного тиску передбачена установка бачка 65 з метою відокремлення рідкої фази, яка може потрапляти в трубопровід при роботі стенду. Оцінка дисперсного складу крапель в потоці здійснюється за допомогою інерційного зонду 53. Осаджені крапельки рідини вивчаються на цифровому мікроскопі 10, який підключений до персонального комп'ютера 8. Для зручності також використовується цифрова камера 9. Концентрація аерозолю визначається шляхом пропускання суміші, що забирається пробозабірником 52, виконаним у вигляді трубки повного тиску, через аналітичні фільтри АФА 21, 23, розташовані в алонжі. Вимірювання витрати повітря через фільтри здійснюється аспіратором 22. Зважування аналітичних фільтрів АФА здійснюється на цифрових аналітичних вагах 37, з'єднаних з персональним комп'ютером 38. Дисперсний склад високодисперсних крапель (до 10 мкм) також визначається лічильником аерозольних частинок 18 типу А3-10, з'єднаним через перемикач 19 з краном подачі суміші 20. Далі полідисперсна суміш надходить на досліджуваний газоочисник 34. У газоочиснику відбувається відділення рідини від повітря, яка по зливному трубопроводу надходить в бак 42. Для оцінки кількості вловленої олії використовується 64322 8 зливна труба 35, триходовий кран 36, який може замість бака направляти злиту рідку фазу по трубопроводу 39 в мірну ємність 40, встановлену на цифрових вагах 41, під'єднаних до персонального комп'ютера 38. Для оцінки кількості рідкої фази, яка міститься в повітрі, після газоочисника використовується вихідна робоча ділянка 33. У ній, аналогічно вхідній вимірювальній ділянці, також розташовані такі елементи вимірювальних приладів: термопара 24, забірник статичного тиску 25, інерційний зонд 26, пробозабірник полідисперсної суміші 27. Зазначені елементи підключені до вимірювальних приладів аналогічно вхідній вимірювальній ділянці. Електроживлення стенда здійснюється від електрощита з напругою 220 і 380В змінного струму потужністю до 20 кВт. Розроблено новий універсальний стенд для досліджень газоочисників у вигляді напірної аеродинамічної труби відкритого типу, що дозволяє проводити дослідження в широкому інтервалі можливих витрат двофазного середовища і концентрації дисперсної фази. Універсальність і новизна стенду полягає в тому, що він як нагнітач має високонапірні вентилятори 3 продуктивністю від 100 до 2000 м /год, що охоплює розрахунковий діапазон витрат повітря; також він містить три генератори аерозолю у вигляді барботажних камер з підігрівом повітря і рідини: генератора грубодисперсного аерозолю, генератора дрібнодисперсного аерозолю, та генератора середньодисперсного аерозолю. 9 Комп’ютерна верстка Мацело В. 64322 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601