RU180198U1 - Жидкоазотно-термоэлектрический термостат лабораторного назначения - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к испытательной технике для исследования свойств конструкционных материалов в условиях пониженных температур.Предлагаемая полезная модель предусматривает применение комбинированной системы охлаждения с применением жидкого азота и термоэлектрической холодильной системы.Предлагаемая полезная модель обеспечивает следующий технический результат – обеспечение возможности работать в широком диапазоне температур от 0°С до азотных температур (-196°С) с возможностью достаточно точного контроля температуры во всем диапазоне.Предлагаемое устройство состоит из двух теплоизолированных объемов 1 и 2. Объем 1 – рабочий объем, объем 2 содержит емкость 3 с жидким азотом, заливаемым через крышку 4. Объем 2 отделен от объема 1 теплоизолированным шибером, который может передвигаться, отсекая объем 2 от рабочего объема 1. Вентилятор 6 нагнетает пары жидкого при открытом шибере 5 азота в рабочий объем 1. Второе назначение вентилятора 6 – обеспечение циркуляции воздуха в рабочем объеме 1 для обеспечения равномерности температуры в нем.Для поддержания температуры с точностью до ±1°С предназначена системы дозированного впуска паров азота 7, работающая под управлением блока управления 8 совместно с датчиком температуры 9. Шибер 5 используется только для полного отсечения объема 2 от объема 1 при работе с термоэлектрической системой 10. На крышке рабочего объема 1 установлена термоэлектрическая холодильная система 10 (показана условно), состоящая из двух одинаковых блоков, каждый из которых содержит по два термоэлектрических модуля, холодный и горячий радиаторы и вентиляторы, обдувающими как холодный так и горячий радиаторы. Питание постоянным током (24В, 9 А) одновременно обеих термоэлектрических систем осуществляется от блока управления 11 совместно с датчиком температуры 12.Внутри рабочего объема находится механизм 13, с помощью которого исследуются свойства конструкционных материалов на абразивный износ при пониженных температурах. Привод механизма 13 осуществляется от электродвигателя 14.

Description

Полезная модель относится к испытательной технике для исследования свойств конструкционных материалов в условиях пониженных температур.

Механические свойства конструкционных материалов исследуют с применением разнообразных методик, осуществляемых в лабораторных условиях при температурах, отвечающих предстоящим условиям эксплуатации механизмов, для чего разработано соответствующее испытательное оборудование.

В камерах тепла и холода, применяемых для таких исследований, для получения низких температур применяют сжиженные газы, сухой лед или каскадные холодильные системы.

В частности, при температурах до -80°С широко применяют двухкаскадные фреоновые холодильные системы. См, например, http://miroborudovaniya.ru/klimaticheskie_kamery_teplo-kholod/kamera_kholod_-70-80t/ Целая линейка климатических камер компании «Мир оборудования», выполнена с применением двухкаскадных фреоновых холодильных систем.

Недостатками климатических камер с двухкаскадными фреоновыми холодильными системами являются их высокая стоимость и невозможность работы при температуре существенно ниже 80°С. Как правило, нижний предел по температуре определяется температурой кипения фреона R23, применяемого в низкотемпературном каскаде таких холодильных систем.

В последнее время появилась информация об испытательных камерах, двухкаскадные фреоновые системы которых достигают даже -120°С и ниже, что достигается за счет новых марок хладагентов или каких-то других технических приемов.

Желание разработчиков испытательного оборудования уйти от применения естественных для получения низких температур сжиженных газов связана, во-первых, с их высокой стоимостью и, во-вторых, что более существенно, с тем, что высокая точность поддержания температуры (до долей градуса) в камере, работающей с применением сжиженных газов, легко реализуется в диапазоне низких температур, но с большим трудом достигается в диапазоне относительно высоких температур (0…-30°С). Конечно, и это можно получить с применением дорогих современных средств контроля.

В качестве прототипа выбран комбинированный компрессионно-термоэлектрический термостат серии „Миконта“ для низкотемпературных испытаний образцов продукции. В частности, лабораторный термостат „Миконта 60×60“ с комбинированной системой охлаждения имеет объем камеры 60 л и позволяет обеспечить температуру до –60 °C в рабочем пространстве. См. «Компрессионно-термоэлектрические термостаты лабораторного назначения», А. Б. Сулин, И. Н. Богомолов, Изв. Вузов, приборостроение, 2008. Т. 51, № 7.( http://pribor.ifmo.ru/file/journal/115.pdf).

Сущность прототипа заключается в комбинировании двух типов систем охлаждения для получения отрицательной температуры, недостижимой каждой системой в отдельности.

Однокаскадная фреоновая компрессорная система, работающая на низкотемпературном фреоне (типа, например, R404а) не позволяет получать в охлаждаемом объёме температуру воздуха ниже -35-40°С.

Термоэлектрическая система в однокаскадном исполнении тоже не позволяет получать в охлаждаемом объёме температуру воздуха ниже -30°С.

Для достижения нужной температуры в прототипе осуществлено каскадирование двух холодильных систем разного типа: традиционной компрессорной фреоновой и термоэлектрической.

Термоэлектрическая система применена в качестве первого (низкотемпературного) каскада, работающего непосредственно на рабочий охлаждаемый объем, а в качестве второго каскада (высокотемпературного) фреоновой компрессорной холодильной системы. Фреоновая система позволяет отвести тепло с горячей стороны термоэлектрического модуля, обеспечивая на его горячей стороне температуру порядка -30°С. Термоэлектрическая система дополнительно снижает температуру еще на 30°С. В итоге в рабочем объеме удается получить -60°С.

Недостатки данной системы, как и вообще каскадных систем, - сложность изготовления, недостаточно низкая температура в рабочем объеме.

Предлагаемая полезная модель предусматривает применение комбинированной системы охлаждения с применением жидкого азота и термоэлектрической холодильной системы.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает следующий технический результат – обеспечение возможности работать в широком диапазоне температур от 0°С до азотных температур (-196°С) с возможностью достаточно точного контроля температуры во всем диапазоне.

Технический результат достигается тем, что в "Компрессионно-термоэлектрическом термостате лабораторного назначения", включающем теплоизолированный рабочий объём, термоэлектрическую холодильную систему, фреоновую холодильную систему и блок поддержания температуры в рабочем объеме, термоэлектрическую холодильную систему устанавливают на теплоизолированный объём с возможностью её удаления и герметизацией стыковочного фланца теплоизолирующей крышкой, а вместо фреоновой системы охлаждения применяют жидкоазотную систему охлаждения, установленную на теплоизолированный рабочий объём с возможностью отсечения от теплоизолированного рабочего объёма герметичным теплоизолирующим шибером, причем каждая холодильная система имеет свой индивидуальный блок поддержания температуры в рабочем объеме.

Сущность полезной модели поясняется на примере реальной конструкции, изображенной на схеме (Фиг.1).

Предлагаемое устройство состоит из двух теплоизолированных объемов 1 и 2. Объем 1 – рабочий объем, объем 2 содержит емкость 3 с жидким азотом, заливаемым через крышку 4. Объем 2 может быть отделен от объема 1 теплоизолирующим шибером, который может передвигаться, отсекая объем 2 от рабочего объема 1. Вентилятор 6 нагнетает при открытом шибере 5 пары жидкого азота в рабочий объем 1, охлаждая его. Второе назначение вентилятора 6 - обеспечение циркуляции воздуха в рабочем объеме 1 для обеспечения равномерности температуры в нем.

В принципе, регулируя положение шибера 5, можно поддерживать заданную температуру в объеме 1, однако поддержание температуры с приемлемой точностью таким образом осуществить сложно. Для поддержания температуры с точностью до ±1°С предназначена системы дозированного впуска паров азота 7, работающая под управлением блока управления 8 совместно с датчиком температуры 9. Шибер 5 используется только для полного отсечения объема 2 от объема 1 при работе с термоэлектрической системой 10. При работе с жидким азотом шибер 5 полностью открыт.

Объем 2 с крышкой 4, емкостью для жидкого азота 3, шибером 5,системой дозированного впуска паров 7 с блоком поддержания температуры 8 является жидкоазотной холодильной системой.

На рабочем объеме 1 установлена термоэлектрическая холодильная система 10 (показана условно), состоящая из двух одинаковых блоков, каждый из которых содержит по два термоэлектрических модуля, холодный и горячий радиаторы и вентиляторы, обдувающими как холодный, так и горячий радиаторы. Питание постоянным током одновременно обеих термоэлектрических систем осуществляется от блока управления 11 совместно с датчиком температуры 12.

На Фиг.1 схематично изображен внутри рабочего объема 1 механизм 13 с приводом от электродвигателя 14, с помощью которого (в нашем случае) исследуют свойства конструкционных материалов на абразивный износ при пониженных температурах.

При работе с жидкоазотной системой термоэлектрическая 10 с рабочего объема 1 снимается, а на ее место устанавливается теплоизоляционная крышка (или пробка).

Перед началом выполнения измерений для определения степени абразивного износа при температуре ниже 0°С сначала готовят образцы замороженного грунта. Для этого приходится выполнить некоторые манипуляции при отрицательной температуре, получаемой с помощью термоэлектрической системы предлагаемого устройства, а именно: Далее следуют выдержки из "Методики по исследованию износостойкости материалов на абразивную износостойкость при пониженных температурах": Заморозить воду в виде отдельных кубиков, охладить до отрицательных температур и охладить все инструменты и механизм 13, требуемые для работы, охладить порцию абразива ( до -10-15°С). Затем быстро извлечь все на рабочий стол и, не допуская оттайки, раздробить замороженную воду, равномерно смешать определенный объем раздробленного льда с порцией абразива, засыпать полученную смесь в охлажденную цилиндрическую емкость, уплотнить ее там и поставить обратно в охлаждаемый термоэлектрической системой рабочий объем. После замерзания подтаявшей смеси в цилиндрической емкости, на что требуется около 1 часа времени, полученный цилиндрик замороженного льда с абразивом извлекают из охлаждаемого объема 1 и замороженный цилиндр выталкивают наружу. После этого обрабатывают торец замороженного цилиндра для придания ему нужной формы и снова убирают его в охлаждаемый объем, так как замороженный цилиндр, как правило, успевает снаружи подтаять и если его в таком виде установить в уже охлажденный механизм для испытания на износостойкость, замороженный, но подтаявший образец примерзнет к механизму и не будет по мере износа двигаться к вращающемуся исследуемому образцу. Замороженный цилиндр должен быть выдержан при температуре -10-15°С в течение еще не менее 30 минут. Только после этого его можно окончательно установить в механизм для испытания на износостойкость.

Только теперь можно начать устанавливать в охлаждаемом объеме требуемую температуру, и если эта температура требует применения жидкого азота, то только теперь следует залить жидкий азот.

Из сказанного ясно, что начало любого цикла испытаний даже при жидкоазотных температурах начинается с довольно длительной предварительной процедуры, протекающей при температурах порядка всего -10-15°С, требующей неоднократного доступа внутрь охлаждаемого рабочего объема.

Для экономии жидкого азота вся эта высокотемпературная часть работы выполняется с помощью термоэлектрической холодильной системы.

При испытаниях конструкционных материалов на абразивный износ при пониженных температурах обычно стремятся получить кривую изменения степени износа в диапазоне от 0°С, то есть тающий лед, до глубоко отрицательных температур до -100-150°С а иногда и ниже (для космических аппаратов).

Вместе с тем, нередко приходится исследовать и износостойкость при отрицательной температуре вблизи 0°С. Именно в температурном диапазоне от 0 до -20-30°С происходят фазовые изменения водяного льда или снега или ледо-песко-солевых смесей.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает возможность испытания в широком диапазоне отрицательных температур от 0 до -196°С с приемлемой точностью поддержания заданной температуры во всем диапазоне. Стоимость такой системы в разы меньше имеющегося в продаже испытательного оборудования. Надежность и ремонтопригодность холодильной системы, в которой отсутствуют подвижные части, в отличие от двухкаскадных фреоновых или фреоново-термоэлектрических систем, очень высока. Более того, в силу простоты конструкции она может быть легко изготовлена персоналом лаборатории.

Для изготовления рабочих объемов были применены 20 литровые термоконтейнеры, предназначенные для транспортировки лекарственных препаратов. Они изготовлены из пенополиуретана и имеют превосходную теплоизоляцию.

Расход жидкого азота при работе с 20 литровыми контейнерами составляет 16 литровый Дьюар на два рабочих дня.

Данное устройство позволило выполнить исследование износостойкости нержавеющей стали 12Х18Н10Т, титанового сплава ВТ-23М, алюминиевого сплава АМГ-6 при абразивном воздействии на них водяного льда, в том числе соленого льда, льда с включением кварцевого песка, а так же льда с включением глины. Составы абразивных образцов были подобраны таким образом, что бы имитировать ледовое покрытие Северно-Атлантического океана и загрязненное абразивными включениями снеговое покрытие тундры.

Claims (1)

1. Жидкоазотно-термоэлектрический термостат лабораторного назначения, включающий теплоизолированный рабочий объём, термоэлектрическую холодильную систему, фреоновую холодильную систему и блок поддержания температуры в рабочем объеме, отличающийся тем, что термоэлектрическую холодильную систему устанавливают на теплоизолированный объём с возможностью её удаления и герметизацией стыковочного фланца теплоизолирующей крышкой, а вместо фреоновой системы охлаждения применяют жидкоазотную систему охлаждения, установленную на теплоизолированный рабочий объём с возможностью отсечения от теплоизолированного рабочего объёма герметичным теплоизолирующим шибером, причем каждая холодильная система имеет свой индивидуальный блок поддержания температуры в рабочем объеме.

Images