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Hydromechanisches Modell eines Wärmefeldes
Gegenstand der Erfindung ist ein hydromechanisches Modell eines Wärmefeldes, das auf Grund der hydraulischen Analogie zur Untersuchung von nichtstationären Wärmeströmungen in Körpern auf verhältnismässig einfache und anschauliche Art dient.
Man kann sich den untersuchten Körper in n/gleiche Teile zerlegt vorstellen. In den Achsen dieser einzelnen Teile denkt man sich deren spezifische Wärmespeicherung umgelagert, die in der Modelltechnik einem Kapazitätsrohr von bestimmter freier Flüssigkeitsoberfläche entspricht. Der Wärmewiderstand der einzelnen Teile ist in der Modelltechnik durch ein Widerstandselement ersetzt, mittels dessen ein beliebiger Widerstand gegen die Flüssigkeitsströmung kontinuierlich und in breiten Grenzen eingestellt werden kann. In der Modelltechnik entsprechen die Höhen der Flüssigkeitssäulen in den Kapazitätsrohren den Temperaturdifferenzen in den einzelnen Schichten der untersuchten Körper.
Die Temperaturverhältnisse des inneren und äusseren Klimas können am Modell mittels Überfallgefässen beliebig eingestellt werden, die sich an der Eintritts- und Austrittsseite des Modells befinden.
Auf Grund der geschilderten Analogie zwischen Wirklichkeit und Modell ist die Möglichkeit gegeben, beliebige Fälle nichtstationärer, eindimensionaler Wärmeleitung auf Grund bekannter physikalischer Grössen in die Modelltechnik überzuführen und die Ergebnisse umgerechnet wieder in die Wirklichkeit zu transformieren.
Die sich ergebende zeitliche Reduktion er-
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auf entsprechende Dauer zu verkürzen.
Bekannte Modelle, die mittels hydraulischer Analogie arbeiten, sind konstruktiv so gelöst, dass als Widerstandselemente Röhrchen (Ka- pilaren) von bestimmtem Durchmesser und Länge verwendet werden, die einen gewissen Widerstand ergeben. Eine Änderung des Wi- derstandes wird in diesem Falle durch Austausch von Röhrchen oder Einführen zylindrischer Körper verschiedener Durchmesser bewirkt. Der Nachteil dieser Art des Aufbaues ist der, dass während des Messvorganges die Einstellung des verlangten Widerstandes unmöglich ist und die Manipulation, die bei Erlangung geringerer Genauigkeit die Messdauer verlängert, erschwert ist. Die Wärmespeicherung der einzelnen elementaren Körperschichten wird durch Kapazitätsrohre von verschiedenem Durchmesser dargestellt. Bei jeder Änderung der Wärmespeicherung wird der Austausch der Rohre erforderlich.
Bei dieser Art von Einstellung des Widerstandes oder der Wärmespeicherfähigkeit ist eine kontinuierliche Änderung undurchführbar. Ein weiterer Nachteil dieser Modelle ist die notwendige Lagerhaltung einer grösseren Menge von Kapillaren und Rohren.
Bekannt ist es auch, die erwähnten thermischen Probleme mit Hilfe eines elektrischen Modelles zu untersuchen. Bei diesem werden die betreffenden Grössen durch Kondensatoren und Widerstände dargestellt und der elektrische Strom tritt an Stelle der Wärmeströ- mung. Solche Modelle sind aber im Betriebe
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Regelung und sind nur mit hohem Kostenaufwand zu erstellen.
Die Erfindung zielt dahin, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und ein hydromechanisches Modell eines Wärmefeldes zu schaffen, bei dem eine kontinuierliche Regelung der hydraulischen Elemente auf verlangte Werte, entsprechend den physikalischen Grössen der wirklich ablaufenden Vorgänge im Betriebe, ermöglicht wird. Als Arbeitsflüssigkeit wird Transformatoröl verwendet, das die laminare Strömung in den Regel-Widerstandselementen gewährleistet, was als grundsätzliche Voraussetzung der hydraulischen Analogie des Modelles angesehen werden kann.
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Gemäss der Erfindung ist ein hydromechanisches Modell eines Wärmefeldes, das zur Untersuchung von nichtstationären Wärmevorgängen in Körpern auf Grund der Differenzmethode dient, dadurch gekennzeichnet, dass einstellbare hydraulische Durchfluss-Wider- standselemente mit einer streng linearen Charakteristik und gegenüber der Lotrechten um vorbestimmte Winkel einstellbare Standrohre hydraulisch miteinander in Serie geschaltet vorgesehen sind, um dieses so gebildete hydraulische Widerstands-Kapazitätssystem von einer Messflüssigkeit von vorbestimmter Viskosität durchflossen ist, und am Ein- und Ausgange des Systems in der Höhe verstellbare überlaufgefässe angeordnet sind,
wobei die Höhenverstellung der überlaufgefässe entsprechend dem durchzuführenden Temperaturprogramme vermittels Schablonen bewirkt wird.
Die Erfindung betrifft weiters die Ausgestaltung der hydraulischen Widerstandselemente, der als Kapazitäten dienenden Steigrohre sowie die Steuerung der Höhenverstellung der überlaufgefäss durch einen von Schablonen gesteuerten elektrischen Servoantrieb und die dazugehörigen Netzwerke.
Die diesbezüglichen Einzelheiten werden in der Folge noch näher hervorgehoben.
Ein Ausführungsbeispiel eines hydromechanischen Modells nach der beschriebenen Erfindung ist in den beigelegten Zeichnungen dargestellt. Fig. 1 zeigt das hydromechanische Modell, Fig. 2 das Regelelement, Fig. 3 das Gelenk der Kapazitätsrohre, Fig. 4 eine Seitenansicht davon, Fig. 5 den elektrischen Geber, Fig. 6 die elektrische Schaltung.
Aus Fig. 1 ist die Konstruktion des hydromechanischen Modells ersichtlich. Auf dem Tisch, der aus einer zweiteiligen Konstruktion besteht, ist ein Rahmen mit Kapazi- tätsrohrgelenken. ? befestigt. Auf der Vorderseite des Tisches ist ein Winkeleisen angeschweisst, worauf einzelne Regel-Widerstandselemente 2 mittels Bügel befestigt sind. Die Kapazitätsrohre 33 sind mit den Widerstands- elementen mittels Polyvinylchloridrohren verbunden. Das erste Regel-Widerstandselement ist mit dem Verbindungsgelenk der Eintritts- seite 3a, das letzte mit der Austrittsseite 3b verbunden. Beide Verbindungsgelenke sind mit Absperrventilen versehen, mittels deren der Zufluss der Arbeitsflüssigkeit in das Modell- system unterbrochen werden kann.
Die über- fallgefässe, Verbindungsgelenke samt Verbin- dungsrohren und Anschlussgelenken mit den Absperrventilen dienen in ihrer Gesamtheit zur Einstellung der jeweils vorgegebenen Tem- peraturverhältnisse, der sogenannten Grenz- bedingungen", und sind in den seitlichen Tür- men an beiden Enden des Modells ange- bracht.
Die Temperatur an der Eintrittsseite wird durch das Überfallgefäss 4a, das Gelenk 5 und das Anschlussgelenk 3a, an der Austrittsseite durch das Überfallgefäss 4b, das Verbindungsgelenk 5 und das Anschlussgelenk 3b nachgebildet. Diese Anordnung erlaubt eine gleichmässige Höhenverstellung der Überfallgefässe bei gleichbleibendem Inhalt der im System eingeschossenen Flüssigkeit, sowie gleichbleibendem hydraulischen Widerstand beim Durchfluss der Arbeitsflüssigkeit durch das System, während der Höhenverstellung der überfallgefässe.
Die Höhenve-'ste'Iung der Überfallgefässe bewirken die Elektromotoren 6a, 6b mit dem Antriebsgehäuse 7a, 76 samt zwei Antrieben. Einer der Antriebe ist mit der Bewegungsspindel der Überfallgefässe verbunden, der zweite treibt über zwei Kegelradübersetzungen die Bewegungsmutter des unteren Geberlagers 8, 8'.
Der elektrische Geber 9a, 9b bewirkt die Einschaltung des Elektromotors, der die Ein- stellung der Überfallgefässe gemäss dem gewünschten Programm bewirkt.
Zur Festlegung des Temperaturprogramms wird ein SchabionenabwäJzsystem verwendet.
Die Schablone für beide Grenztemperaturen ist auf jeweils einem Rollwagen 10a, lOb befestigt, der mittels einer Spindel, angeschlossen an ein dreistutiges Wechselgetriebe 11, betrieben wird.
Dieses Getriebe ermöglicht drei verschiedene Geschwindigkeiten des Rollwagens auf der Rollbahn 12a, 26. Die Bewegungsge- schwindigkeiten beide"Schablonen-Rollwagen sind gleich, die elektrischen Geber aber arbeiten voneinander unabhängig.
Auch die beiden Umlaufpumpen 13a, 13b, die die Arbeitsflüssigkeit in die beiderseitigen überfallgefässe fördern, arbeiten voneinander
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ruhen auf den Waagen 14, wodurch die Kontrolle ihrer Menge gewährleistet ist.
Die einzeinen Widerstandselemente (Fig. 2) ermöglichen eine kontinuierliche Änderung des hydraulischen Widerstände'unter Beibehaltung laminarer Strömung der Arbeitsflüssigkeit.
Ausserdem werden bei der Verwendung dieses Elementes stets dieselben Messergebnisse erzielt, d. h., dass gleiche Einstellungen des Elementes stets gleichen Werten des hydrau- lischen Widerstandes entsprechen.
Der wichtigste Bestandteil des Widerstandselementes ist der kegelförmige Dorn. ? 6 im Gehäuse 15. Der Dorn ist von dem vorderen (17) und dem hinteren (18) Leitstift geführt. Auf der Eintrittsseite des Gehäuses 15 ist der Dorn in der Leitbüchse 19 und auf der Austrittsseite im Körper des Elementes 20 geführt. Gegen Verdrehung ist der Dorn durch einen Führungsarm 21 gesichert, der in eine
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Nute im Elementenkörper 20 ragt. Auf der Austrittsseite wird zur Abdichtung des Leitstiftes 18 eine Guffero"-Dichtung 22 verwendet, welche in einer ringförmigen Ausnehmung des Elementenkörpers 20 untergebracht ist.
Auf der Austrittsseite ist der Leitstift 18 mit einer Feingewinde-Einstellschraube 25 über eine zweiteilige Unterlagsscheibe 23 und Schraube 24 drehbar verbunden. Diese Einstellschraube 25, die in den verlängerten Teil des Elementenkörpers 20 ragt, ermöglicht die Schubbewegung des Dornes 16.
Die Einstellkontrolle wird mittels eines Stellringes 26, welcher mit einer mikrometrischen Teilung versehen ist, durchgeführt.
Dieser Stellring ist auf den Pührungsring 27 aufgeschoben. Der Führungsring 27 ist fest mit der Einstellschraube 25 verbunden. Beim Justieren wird die tatsächliche Lage des Dornes 16 im Gehäuse 15 auf hydraulischem Wege bestimmt und diese Lage dann durch Verstellung und Arretierung des Stellringes 26 am Führungsring 27 festgelegt.
Der Elementenkörper 20 wird mit dem Gehäuse 15 des Kegels 16 mittels einer überwurfmutter 28 verbunden. Die Abdichtung erfolgt durch einen Pressring 29 mit einer Stopfbüchse.
Auf der Eintrittsseite des Widerstands ele- mentes wird die Verbindung zwischen diesem und dem Vorlaufrohr 101 durch einen Rohransatz 102 mit einer überwurfmutter 103 bewerkstelligt. Die Abdichtung wird hier durch Anziehen des Dichtungsringes zwischen Führungsbüchse und Rohransatz erzielt.
Auf der Austrittsseite ist in den Elementenkörper 20 ein hartverlöteter Stutzen 30 eingesetzt. Die Verbindung der Austrittsseite des Elementes 20 mit der Rohrleitung 104 wird mittels eines Rohrstutzens durchgeführt, der mittels einer überwurfmutter 105 an den Stutzen 30 über einen Packungsring angepresst wird.
Hauptbestandteil der Einrichtung für die kontinuierliche Kapazitätsänderung ist das Gelenk 1 des Kapazitätsrohres (Fig. 3), das die hydraulische Verbindung zwischen dem Kapazitätsrohr 33 und den Widerstandselementen herstellt.
Das Gelenk 1 des Kapazitätsrohres ermöglicht eine kontinuierliche Änderung der Kapazität im Bereiche vom vorgeschriebenen.
Minimum bis zum Maximum.
Konstruktiv ist die Möglichkeit der kontinuierlichen Kapazitätsänderung gegeben einerseits durch teilweises Neigen der Kapazitätsrohre 33, wodurch sich die Spiegelfläche der Arbeitsflüssigkeit in den Rohren im engeren Masse kontinuierlich ändert, anderseits durch Einführen von zylindrischen Einlagen in die Kapazitätsrohre, wodurch sich die Grösse der Spiegelfläche sprungweise im grösseren Aus- masse ändert.
Das Gelenk 1 der Kapazitätsrohre besteht aus dem zylindrischen Körper 31 mit Kopf 32, in dem sich das Kapazitätsrohr 33 befindet.
In den zylindrischen Körper sind zwei Hohlzapfen 34,35 eingesetzt, deren Stirnseiten durch zweiteilige Lager 36 befestigt sind. Der Zapfen 35 ist mit einem Stutzen für den Standzeiger 37 versehen und beide Zapfen sind mit je zwei Rohrstutzen 38 versehen, die mittels überwurfmutter an die Rohrleitungen befestigt sind.
Die Abdichtung der Zapfen im Gelenkkörper 31 beim Neigen der Kapazitätsrohre ist mittels Guffero"-Ringe 39 durchgeführt.
Am Kapazitätsrohr 33 ist ein Umfassungsring 40 befestigt, der mit einer Klemmschraube 40'ausgerüstet ist. Die Sicherung der Zapfen 34,35 gegen Verdrehung sowie ihre Anpressung in den Gelenkkörper 31 bewerkstelligen die verschiebbaren Keile 41, welche durch die Schrauben 42 bewegt werden. Die Schrau- ben 42 sind im unteren und oberen der Lager 36 befestigt und axial mittels Sicherungsdeckel 43 gesichert. Die unteren und oberen Lagerhälften samt Sicherungsdeckel sind mit dem Modelltisch mittels Befestigungsschrauben verbunden.
Durch Anziehen der Keile 41 werden dann nach und nach die einzelnen Gelenkzapfen gegenseitig axial und radial befestigt.
Das Neigen der Kapazitätsrohre um einen bestimmten Winkel aus der vertikalen Lage wird wie folgt durchgeführt :
Zuerst wird die Mutter 44 von der Schraube 45 gelockert, welche am Modellgerüst befestigt ist und sich frei durch die Nut der Zugstange 46 bewegt, die mit einer Teilung versehen ist. Dadurch wird die Klemmung der Zugstange gelöst und die Neigung kann vorgenommen werden. Durch Anziehen der Mutter 44 wird das Rohr in der eingestellten Lage gesichert.
Der elektrische Geber (Fig. 5) bewirkt die kontinuierliche und programmässige Höheneinstellung der überfallgefässe entsprechend der vorgeschriebenen Temperaturänderung. Die Führungsstange 47 des elektrischen Gebers ist mit einer Schraube 47'versehen. Durch Verdrehen der Verstellmutter 47" des unteren Lagers des Gebers verschiebt sich die Führungsstange 47 axial in der Führung des Geberständers 48.
Ein Kontakthebel 49 mit dem Abnahmestift 50 ist auf einem Zapfen 51 bewegbar, welcher im Traghebel 52 befestigt ist. Der Traghebel 52 ist in der Führungsstange 47 axial verschiebbar. Der Kontakthebel 49 arbeitet als Doppelhebel, welcher mittels Spiralfedern 53 in neutraler Lage gehalten wird. Eine Schaltstange 54 überträgt die Schwan-
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kungen des Hebels und bewirkt die Einschaltung der Kontakte des Schnellschubes aufwärts, der sogenannten Spreizkontakte 55. Das Einschalten der Spreizkontakte erfolgt in beiden Richtungen und sie verhindern eine eventuelle Deformierung des Abnahmestiftes. Durch die Härte der Spiralfedern wird der Widerstand gegen das Schalten der Spreizkontakte reguliert.
Die am Wagen befestigte Schablone fährt unter den Abnahmestift, der ihrer Form folgt und, je nach der Tendenz der Schablone, entweder mit dem Hebel durch sein Eigengewicht sinkt oder nach oben gedrückt wird. Der walzenförmige Teil "des Traghebels 52 überträgt die Bewegung auf den auf dem Zapfen 57 drehbaren zweiarmigen Hebel 56, welcher auf'der Schalttafel 58 befestigt ist.
Das Verhältnis der Arme des Schalthebels ist mit Rücksicht auf die Empfindlichkeit des Gebers von Bedeutung. Der Schalthebel 56 ist mit Kontakten versehen und wirkt auf ein System feiner Flachfedern 59 mit Kontakten, die auf der Schalttafel 58 angebracht sind. Durch gegenseitige Verbindung der Kontakte in einer bestimmten Anordnung wird der Arbeitskreis des Elektromotors mittels eines Relaissystems gelenkt. Dieser Elektromotor ist eine Kommutatormaschine mit Reversierungsmöglichkeit und veränderbarer Umdrehungszahl und treibt über ein Getriebe die Verstellschraube der überfallgefässe und das untere Lager des Abnehmers an. Der Schub der Überfallgefässe erfolgt in einem bestimmten Verhältnis zum Schub des Abnehmers. Es ist ein mässig steigender Abschnitt der Schablone vorhanden.
Der Abnahmestift wird nach oben gedrückt. Der Schalthebel schaltet die entsprechenden Kontakte ein, der Elektromotor empfängt den Impuls, das Oberfallgefäss bewegt sich gleichzeitig mit dem Abnehmer. Dadurch wird der Druck der Schablone auf den Abnahmestift aufgehoben, der Schalthebel unterbricht die Verbindung der Kontakte für den Schub nach aufwärts und der Elektromotor setzt aus.
Im Falle eines steilen Steigens der Schab- ione, wo die Gefahr einer eventuellen Deformierung des Abnahmestiftes droht, überwältigt der Druck der Feder den Seitendruck, hervorgerufen durch die Verschiebung der Schablone, der Abnahmehebel weicht aus seiner neutralen Lage und ermöglicht ein Schlie- ssen der Spreizkontakte 55, wodurch der Schnellschub aufwärts eingeschaltet wird. Dieser Zustand dauert so lange an, bis der Seitendruck der Schablone auf den Abnahmestift schwindet.
Die elektrische Schaltung (Fig. 6) ist ein Bestandteil der programmässigen automatischen Einstellung der Temperaturverhältnisse, die sich gemäss den vorgeschriebenen zeitlichen Temperaturen ändert. Im Schema sind die Kontakte des Gebers angedeutet. Durch deren verschiedene Schaltung wird der elektrische Arbeitskreis des Motors beherrscht, der die Bewegung der Überfallgefässe in Auf- oder Abwärtsrichtung bewirkt. Wegen der Eigenschaft, die Änderung des Drehsinnes sowie der Toure'1zahl leicht zu e'möglichen, wurde für den gegebenen Fall ein Einphasen-Serienkommutatormotor gewählt. Die Änderung des Drehsinnes wird durch Umschaltung der Kollektorbürsten bewirkt. Der Arbeitskreis wird aus einem Netz mit 220V gespeist.
In die zum Motor führende Leitung ist ein Widerstand 60 eingeschaltet, mittels dessen die Tourenzahl des Elektromotors herabgesetzt werden kann. Der Widerstand kann durch Einschalten der Kontakte 61 bzw. 62 ausgeschaltet werden. Die Änderung des Drehsinnes wird durch Einschaltung der Schalter 63a und 63b bzw. 64a und 64b bewirkt. Sind alle Kontakte ausgeschaltet, ist der Motor in Ruhe.
Die entsprechende Schaltung des Netzes wird mittels Relais hergestellt. Der elektrische Kontaktgeber ist in den Hilfskreis eingeschaltet und seine Kontakte sind im Schema mit den Zahlen 65, 66,67, 6S, 69 bzw. 70 bezeichnet. Der Hilfskreis wird über eine Sicherung 71 und Hauptschalter 72 aus einem Gleichstromnetz mit 24V gespeist. Bei der automaischen Schaltung fliesst der Strom aus dem Gleichstromnetz über die Spule des Relais 73, 74 und Hauptstromwindung des Hilfsrelais 75 und dessen Schalter 76. Parallel zum Schalter 76 ist eine elektrische Glühbirne 77 eingeschaltet.
Bei direktem Kurzschluss springt das Relais 75 an, der Schalter 76 wird ausgeschaltet und der Strom fliesst lediglich durch die Glühbirne 77, die aufleuchtet. über die Kontakte können nachfolgende Verbindungen entstehen :
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Langsamschub65-66-67... Stillstand, 65-67...... Langsamschub aufwärts,
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- 67 - 68... Schnelhchubspringt das Relais 74 an und durch das Anziehen seines Ankers werden im Arbeitskreis die Schalter à und 64b verbunden, wobei der Widerstand 60 eingeschaltet wird. Damit wird der Langsamschub abwärts bewirkt.
Durch Verbindung der Kontakte 65,66, 67 bleibt das Relais 7. angesprungen und gleichfalls springt auch das Relais 78 an, das den Schalter 61 verbindet, wodurch der Widerstand 60 ausgeschaltet wird. Der Elektromotor erhält hiermit die volle Spannung und erhöht seine Tourenzahl. Durch Verbindung der Kontakte 65,66, 67 entsteht ein direkter Kurzschluss der Relais 73, 74, wodurch die
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Schalter 63a, 63b, 64b abfallen, und der Motor zum Stillstand gebracht wird.
Bei der Verbindung der Kontakte 65-67 springt das Relais 73 an, wodurch die Schalter 63a, 63b eingeschaltet werden, und der Elektromotor nun im entgegengesetzten Sinne als vorher läuft. Bei Verbindung 65-67-68 wird durch Anspringen des Relais 79 der Widerstand 60 ausgeschaltet und der Lauf des Motors wird dadurch beschleunigt. Durch Einschalten des Schalters 70 springt das Relais 80 an. Durch Anziehen des Relaisankers 80
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wodurch die Relais 73 und 79 anziehen und der Schalter 82 ausgeschaltet wird. Dies bewirkt den Schnellschub aufwärts.
Zur manuellen Bedienung des Motors der überfallgefässe dienen die Schalter 83, 84 und 85. Durch Einschalten des Haqptschalters 83 des Stromkreises für manuelle Bedienung wird gleichzeitig der Hauptschalter 86 des automatisch wirkenden Kreises ausgeschaltet, was nur dann möglich ist, wenn die Schablone nicht eingeschoben ist. Hiermit wird ein übergreifen beider Bedienungsarten verhindert.
Durch Einschalten der Schalter 84 springt das Relais 87 an, das die Kontakte 88a und 88b ein- und ausschaltet. Bei dieser Schaltung durchfliesst der Strom vorwiegend nur die Relais 73,79, die den Schnellschub aufwärts verursachen. Bei Einschalten des Schalters 85 verbindet das Relais 89 die Kontakte 90a, 90b und löst den Kontakt 90c aus. Gleich wie im ersten Fall ziehen die Relais 74 und 78 an, wodurch der Schnellschub abwärts einsetzt. Zur Begrenzung der maximalen bzw. minimalen Verstellung der Überfallgefässe sind am oberen und unteren Ende der Gefässlaufbahn die Begrenzungsschalter 91a und 91b angebracht. Im Falle, dass das überfallgefäss an einen der beiden Schalter anstösst, schaltet dieser aus, wodurch der Hilfskreis ebenfalls ausgeschaltet wird.
Das Wiedereinschalten geschieht durch den handbedienten Schalter 92, der das überbrücken der ausgeschalteten Schalter 91a bzw. 91b bewirkt. Durch Umschalten des handbedienten Schalters 93 leuchtet die Glühbirne 77 auf und der Motor wird sofort zum Stillstand gebracht. Auf diese Weise kann man den Schalter 93, wie zur Kontrolle der Stromzufuhr, so auch zum vollstän- digen Ausschalten der Relais 73 und 74 benutzen.
Bei Darstellung von Fällen eindimensionaler nichtstationärer Wärmeleitungen mittels des hydromechanischen Modells ist die Kenntnis der physikalischen Eigenschaften der verwendeten Baumaterialien nötig. Auf Grund der hydraulischen Analogie zwischen Wirklichkeit und Modell werden die-angeführten physika- lischen Grössen auf den entsprechenden hy- draulischen Widerstands-. und Kapazitätswert der einzelnen Elementarteile umgerechnet.
Nach Einstellung der Regel-Widerstandsele- mente und der Kapazitätsrohre auf die errechneten Werte kann der eigentliche Versuch vorgenommen werden, wobei entweder vom stationären Zustand des Temperaturfeldes oder vom quasistationären Zustand der Temperaturschwingung ausgegangen werden kann.
Gemäss den vorgeschriebenen Temperaturänderungen werden die Grenzbedingungen eingestellt. Ausser den programmässigen Tem- peraturänderungen können am Modell auch Fälle adiabatischer Auskühlung durch entsprechende Einstellung der Randbedingung vorteilhaft durchgeführt werden. Während des Versuches können sowohl die Höhenänderungen der Arbeitsflüssigkeit in den Kapazitätsrohren, wie auch die Änderungen der Arbeitsflüssigkeitsmenge auf den Waagen festgestellt werden.
Die Auswertung der Messergebnisse wird so durchgeführt, dass das Temperaturfeld, sowie auch der Wärmefluss in der vorliegenden Konstruktion mittels der hydraulischen Analogie festgestellt wird, wobei durch Rücktransformation die Modellergebnisse in die Wirklichkeit übertragen werden Die Realisierung des hydromechanischen Modells ermöglicht auch die Lösung der Fourrier'schen partiellen Differentialgleichung.
Hauptvorteil der beschriebenen Konstruktion des hydromechanischen Modells bei der Durchführung von Messungen ist die Verwendung der regelbaren Widerstandselemente und die kontinuierliche Änderbarkeit der Kapazität, einerseits durch Neigen der Kapazitätsrohre, anderseits durch Einführen von zylindrischen Einlagen. Die kontinuierliche Änderung des hydraulischen Widerstandes wie auch der Kapazität ermöglicht die Änderung der physikalischen Grössen des untersuchten Körpers während des Versuches entsprechend dem in. Wirklichkeit verlaufenden Prozess (z.
B. die Feuchtigkeitsänderung der Wände).
Ausserdem kann man mittels profilierter Einlagen in die Kapazitätsrohre eine beliebige Abhängigkeit der Wärmespeicherung von der Temperatur erzielen.
Das hydromechanische Modell findet nicht nur Verwendung bei Lösungen von Fällen nichtstation rer Temperaturändcrungen in Wänden beliebiger Zusammensetzung, sondern auch in allen jenen Fällen, in welchen die Wärme als wichtiger Faktor bei technischen Prozessen existiert, wie z. B. bei Beschleunigung des Härtens von Beton und anderen Kalziumsilikaten mittels Dampf, bei Betonierung während eines Frostes, bei Abkühlprozessen beim Bau von Talsperren, beim Bau von Öfen, Kesseln, Regeneratoren und Trokkenanlagen, bei manchen Fällen der Unter- suchung und Auswahl von Isolationen, bei der Wärmebearbeitung und Vergütung von Metal-
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Jen, bei Abkühlung von Ingoten, Abgüssen u. dgl.
Durch Vergleichen verschiedener Methoden, die zur Lösung von Fällen nichtstationärer Wärmeleitung führen, hat sich gezeigt, dass die Art der Modellösung im Gegensatz zu anderen Methoden einfacher, rascher und anschaulicher ist und das mit voll entsprechender Genauigkeit. Ein weiterer Vorteil des Modells besteht darin, dass bei seiner Anwendung komplizierte Fälle von nichtstationären Wärmeleitungen, bei welchen die mathematische oder die graphisch-numerische Methode sehr kompliziert, in vielen Fällen unmöglich erscheint, lösbar sind.
Bei Lösungen von Fällen nichtstationärer Wärmeleitungen in Wänden, die aus mehreren Schichten bestehen (z. B. vorfabrizierten Paneelen), erscheint es erforderlich, das hydromechanische Modell um mehrere Elemente zu erweitern, um dadurch eine genügende Genauigkeit der Messresultate zu erzielen.
Beispiel zur Verwendung des hydromechanischen Modells :
Es sei festzustellen, welche zeitlichen Temperaturänderungen im Querschnitt einer zweischaligen vorfabrizierten Aussenkonstruktion während ihrer Wärmebearbeitung in einem Tunnel eintreten, vorausgesetzt, dass das Vorfabrikat durch einen Tunnel von verschiedenen örtlichen Temperaturen hindurchgeleitet wird. Ausser dem Temperaturfeld soll gleichzeitig auch der Wärmefluss ermittelt werden.
Zur Lösung dieses Beispieles ist die Kenntnis der nachstehenden Angaben erforderlich :
1. Die eigentliche Zusammensetzung der Konstruktion (die Dimensionen der einzelnen Schichten).
2. Die physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialien u. zw. : das spez. Gewicht "r (kgfm3) die Wärmeleitfähigkeit X (kcal/mh''C) die spezifische Wärme c (kcal/kg C).
3. Der Verlauf der Randbedingungen, d. h. der zeitliche Verlauf der Temperaturänderung auf beiden Seiten des Fertigteiles.
4. Die Wärmeübergangskoeffizienten auf beiden Seiten des Fertigteiles.
5. Die Zeitdauer des Versuches und die Temperaturspanne.
Mittels dieser Angaben wird die Berechnung der Einstellung des hydromechanischen Modells auf nachfolgende Weise weiter durchgeführt :
1. Es wird eine solche Zeit und Temperatur gewählt, die dem vorausgesetzten Bereich entspricht.
2. Die untersuchte Wand wird in zwölf gedachte Schichten zerlegt und die Wärme- speicherfähigkeit dieser einzelnen Schichten, auf 1 m2 bezogen, bestimmt. Die entsprechen- den Einlagen in die Kapazitätsrohre, sowie ihre Neigung, werden so bestimmt, dass die freie Oberfläche der in den Kapazitätsrohren eingeschlossenen Flüssigkeit der Wärmespeicherfähigkeit der einzelnen Schichten der Wand entspricht.
3. Es wird der Wärmewiderstand zwischen den Achsen der einzelnen Schichten berechnet und mittels bei einer vorhergehenden Justierung bestimmter Kurven wird die Einstellung der Widerstandselemente entsprechend der erzielten Öltemperatur bestimmt.
4. Es wird die Umrcchnungskonstante der Wärmemenge bestimmt.
5. Bei der Verwendung der automatischen Einstellung der Randbedingungen wird die Form der Schablone, entsprechend der vorausgewählten Zeitkonstante, festgelegt.
Die Durchführung der Messung geschieht folgendermassen :
1. Gemäss der Einstellberechnung werden die Kapazitätsrohre mit entsprechenden Einlagen versehen und um den vorgeschriebenen Winkel geneigt. Gleichfalls wird die Einstellung der Widerstandselemente 2 mittels der Mikrometerschraube vorgenommen.
2. Auf dem Schablonenwagen 10 werden die Schablonen befestigt.
3. Die Randgefässe 4a bzw. 4b werden auf
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4. Zum Schluss werden die Förderpumpen 13 angelassen.
Nach Erreichen der Ausgangsstellung der Flüssigkeitssäulen in den Kapazitätsrohren wird mit der eigentlichen Messung begonnen, d. h. dass der Antrieb der Schablonenwagen 11 eingeschaltet und die Gewichtsanzeige an den Waagen 14 sowie der Flüssigkeitssäulen in allen Kapazitätsrohren abgelesen wird. Während der Messung werden sowohl die Anzeigen der Waagen als auch der Flüssigkeitssäulen in den Kapazitätsrohren in bestimmten, vorausberechneten Zeitabständen abgelesen. Alle Werte werden in das Protokoll eingetragen. Nach der Messung folgt die numerische und graphische Auswertung des Versuches, die auf Grund der Umrechnungskoeffizienten für Zeit, Temperatur und Wärmemenge durchgeführt wird.
Als Ergebnis dienen die Kurven des Temperaturfeldes für die einzelnen Zeitintervalle und Kurven, die den Zeitverlauf der Wärmemenge, die von beiden Seiten in den Fertigteil eindringt, darstellen.
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