Устройство для исследования процессов теплообмена внутри и вне замкнутых объемов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА ВНУТРИ И ВНЕ ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Волохов Георгий Михайлович Карбалевич Нина Александровна Лопатов Геннадий Яковлевич Федотов Александр Кириллович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Устройство для исследования процессов теплообмена внутри и вне замкнутых объемов, содержащее модель одноэтажного дома, включающую набор съемных стен различной толщины, изготовленных из различных материалов набор съемных полов с нагревательными элементами различной конфигурации набор съемных крыш с различным характером воздухообмена с внешней средой набор термопарных датчиков блок терморегулирования блок регистрации сигналов с термопарных датчиков блок связи с ПЭВМ ПЭВМ. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок терморегулирования выполнен с возможностью управления мощностью нагревательных элементов, измерения их температуры и мощности по заданной программе и графического отображения временных зависимостей температуры нагревательных элементов на экране ПЭВМ. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок регистрации сигналов с термопарных датчиков выполнен с возможностью управления измерений термоЭДС и температуры по заданной программе и отображения временных зависимостей термоЭДС и температуры в виде графиков и таблиц.(56) 1. Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофизики. - Мн., 1961. - С. 108. 2. Солодов А.П., Цветков Ф.Ф. и др. Практикум по теплопередаче Учеб. Пособие для вузов. - М. Энергоатомиздат, 1986. - С. 153. 47712008.10.30 Предлагаемое техническое решение относится к ряду лабораторных установок для физического практикума и может использоваться в учебных заведениях при проведении лабораторных работ по курсу теплофизики и энергосбережения. Известно, что в области значений произведения критериев Грасгофа и Прандтля 21071013 процесс теплообмена является автомодельным (т.е. его характер не зависит от геометрических размеров модели) 1, что дает возможность исследовать теплообмен на малых моделях. Это имеет большое практическое значение в строительной теплофизике. Известны устройства для исследования теплоотдачи при свободном движении воздуха около вертикальной пластины и горизонтальной трубы 2. Однако результаты этих исследований не могут быть использованы для описания процессов теплообмена в замкнутых объемах. Задачей предлагаемого устройства является создание многофункциональной, компактной, удобной в применении автоматизированной установки, обеспечивающей наглядность эксперимента по изучению процессов теплообмена внутри и вне замкнутых объемов, точность определения поля температур, тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции, коэффициентов теплообмена. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для исследования процессов теплообмена внутри и вне замкнутых объемов, содержащем модель одноэтажного дома,включающую набор съемных стен различной толщины, изготовленных из различных материалов набор съемных полов с нагревательными элементами различной конфигурации набор съемных крыш с различным характером воздухообмена с внешней средой набор термопарных датчиков блок терморегулирования блок регистрации сигналов с термопарных датчиков блок связи с ПЭВМ ПЭВМ, блок терморегулирования выполнен с возможностью управления мощностью нагревательных элементов, измерения их температуры и мощности по заданной программе и графического отображения временных зависимостей температуры нагревательных элементов на экране ПЭВМ, а блок регистрации сигналов с термопарных датчиков выполнен с возможностью управления измерений термоЭДС и температуры по заданной программе и отображения временных зависимостей термоЭДС и температуры в виде графиков и таблиц. Устройство наглядно демонстрирует некоторые закономерности функционирования энергоэффективного дома и создания комфортных условий для проживания в нем, дает наглядную демонстрацию некоторых специальных возможностей и современных способов эффективного использования тепловой энергии, дает возможность поиска оптимальных решений задач энергосбережения. Устройство позволяет изучать влияние различных объектов (нагревательных элементов) и процессов (свободной и вынужденной конвекции) на температурные режимы внутри ограниченных объемов и возможные пути их оптимизации способы минимизации энергопотребления в жилых зданиях и сооружениях, в которых ограждающие конструкции (стены, крыши, окна, полы, потолки, двери и др.) изготовлены из разных материалов экспериментально определять локальные и интегральные значения тепловых потоков,проходящих через ограждающие конструкции, коэффициенты теплообмена при свободной и вынужденной конвекции. Сущность полезной модели поясняется чертежами (фиг. 1-5). На фиг. 1 представлена модель одноэтажного дома. На фиг. 2 представлена блок-схема устройства для исследования процессов теплообмена внутри и вне замкнутых объемов. На фиг. 3 - окно программы,в котором показан один из способов расположения термопарных датчиков и нагревательных элементов внутри конструкции. На фиг. 4 приведены графики зависимости температуры от времени, регистрируемой термопарными датчиками. На фиг. 5 отображены графики зависимости температуры от времени на нагревательных элементах конструкции. Устройство для исследования процессов теплообмена внутри и вне замкнутых объемов (фиг. 2) состоит из модели одноэтажного дома 1, блока терморегулирования 2, блока 2 47712008.10.30 регистрации сигналов с термопарных датчиков 3, блока связи с персональным компьютером 4, персональный компьютер 5. Предлагаемое устройство может работать в разных режимах 1. Исследование процессов конвективного теплообмена в замкнутом объеме при использовании одного нагревательного элемента (цилиндрического или оребренного), двух нагревательных элементов, нагреваемого пола, нагреваемого потолка, нагреваемой стены. 2. Исследование влияния фильтрации воздуха на температурные режимы внутри замкнутого объема при использовании глухих стен, стен с дверью и окнами, крыши с трубой и без нее. 3. Исследование процессов теплопередачи через ограждающие конструкции в условиях свободной и вынужденной конвекции. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Включается персональный компьютер 5. С помощью выключателя Сеть и тумблеров Нагрев 1 и Нагрев 2 осуществляется включение блока терморегулирования 2. Перед началом работы с устройством выбирают режим работы блока регистрации сигналов с термопарных датчиков 3 в виде температурных значений либо значений термоЭДС. Это осуществляется путем запуска компьютерной программы и указанием в ней типов термопар. Если показания термопарных датчиков регистрируются в градусах(С), программа автоматически пересчитывает измеряемую термоЭДС в температуру. Для проведения измерений запускаются две компьютерные программы, одна из которых управляет расположенными внутри дома нагревательными элементами, а вторая управляет сбором информации с термопарных датчиков. При запуске программы измерения температуры Измерение Т открывается окно, в котором указаны места расположения термопар и их номера (фиг. 3). В процессе работы программа снимает показания термопар через каждые 5 с. Зависимости температуры от времени отображаются в виде графиков (фиг. 4) и сохраняются в виде файла. В доме может быть установлено 8 термопар определенного типа. Для задания температурного режима в доме запускается программа управления нагревом. В поле программы Мощность задается значение мощности нагревательных элементов. На графике отображаются зависимости температуры от времени, регистрируемой опорным датчиком (в воздухе вне дома) и датчиками, расположенным на нагревательных элементах (фиг. 5). Отключение нагрева производится путем остановки программы управления нагревом. Измерения теплового потока через ограждающие конструкции модели осуществляются при помощи тепломера - образцового материала (полиметилметакрилата) заданных размеров с известным коэффициентом теплопроводности, на противоположных поверхностях которого укреплены термопары. В стационарном тепловом режиме величина плотности теплового потока, проходящего через тепломер, равна плотности теплового потока, проходящего через элемент ограждающей конструкции. При изучении процессов теплопередачи через ограждающие конструкции тепломер располагается в различных областях элементов ограждающей конструкции. Измеряя перепад температур на нем, рассчитываются локальные и интегральные значения тепловых потоков, проходящих через элементы конструкции, а также суммарный тепловой поток,теряемый вследствие процесса теплопроводности. Рассчитав мощность тепловых источников, расположенных внутри дома, рассчитывается величина теплового потока, теряемого за счет фильтрации воздуха. Используя стены различной толщины, изготовленные из различных материалов (древесина (сосна), полиуретан, плексиглас), сравниваются величины тепловых потерь, обусловленные процессом теплопроводности. Применяя двухслойные ограждающие конструкции, проводятся аналогичные измерения и расчеты. Сравниваются тепловые потери для неизолированных и теплоизолированных конструкций. 3 47712008.10.30 Сравнение этих величин позволяет рассчитать, на какую величину уменьшаются потери тепловой энергии при использовании материалов с меньшим коэффициентом теплопроводности, большей толщины, теплоизолированных элементов по сравнению с неизолированной конструкцией, а также определить, на какую величину можно уменьшить мощность нагревателя для выхода системы на прежний температурный режим. Включив вентилятор, расположенный внутри дома, исследуется процесс теплопередачи в условиях вынужденной конвекции. Измеряя температуры на внутренней и наружной поверхностях стенок в стационарном режиме теплопроводности, а также температуры внутри и вне замкнутого объема вблизи этих поверхностей, рассчитываются коэффициенты теплообмена. Аналогичные измерения проводятся в режиме свободной конвекции. Затем сравниваются тепловые потери в условиях свободной и вынужденной конвекции. При исследовании влияния фильтрации воздуха на температурные режимы внутри замкнутого объема рассчитываются величины тепловых потоков, проходящих через элементы ограждающей конструкции в стационарном режиме, используя глухие стенки,стенки с окнами и дверью, крышу с трубой и без нее. Сравнивая эти значения, делается вывод об источниках тепловых потерь и способах их минимизации. При исследовании процессов теплообмена в замкнутом объеме в стационарном режиме теплопроводности регистрируются двумерные температурные поля при использовании нагревательных элементов различной конфигурации и различного расположения. Определяются условия, при которых температурный режим внутри дома является наиболее оптимальным. Таким образом, предлагаемое устройство за счет введения вышеназванных элементов и связей обладает целым рядом полезных свойств компактность, многофункциональность, удобство в применении, автоматизация, наглядность, высокая точность эксперимента. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6