Демонстрационная модель холодильной установки

Модель (рис. 33) собирается из стеклянных трубок на жесткой деревянной вертикальной панели размером 450x220 мм.

Принцип работы: при сжатии сильфона 1 пары эфира, находящиеся в замкнутой системе, через клапан 2 поступают в змеевик3. Змеевик помещен в так называемый «горячий» теплообменник 4, наполненный водой. Сжатые пары конденсируются. Выделяющееся при конденсации тепло передается воде. Сжиженный эфир под давлением поступает в испаритель 5, окруженный водой, налитой в «холодный» теплообменник 6. При растягивании сильфона 1 пары эфира удаляются из сосуда 5 через клапан 7, создавая в нем разрежение. Эфир, вырываясь из узкого распылителя в разреженное пространство, интенсивно испаряется, что приводит к уменьшению внутренней энергии окружающей воды. В результате вода в сосуде 4 нагревается, а в сосуде 6 охлаждается.

Ртутный манометр 8 служит для наблюдения разности давлений эфира до испарителя и после испарителя.

В теплообменниках 4 и 6 помещены закрытые сосуды-термоскопы 9, соединенные внизу горизонтальной трубкой 10 с введенной в нее каплей ртути. При изменении температуры воды в теплообменниках довольно быстро начнется перемещение этой капли ртути относительно шкалы 11. Для того чтобы показать, что при работе установки температура воды в сосуде 4 повышается, а в сосуде 6 понижается, нужно в эти сосуды поместить термометры с хорошо видимыми шкалами.

Модель собирают на панели, закрепленной на основании 12, размером 220x150 мм. Для придания модели жесткости применяют фанерные косынки 13. Панель желательно сделать из фанеры толщиной 15—18 мм. Жесткость более тонкого листа фанеры можно увеличить рейками, прибив их с тыловой стороны.

Сильфон можно использовать любой, в том числе и от старого автомобильного термостата. Если в сильфоне имелась жидкость, то ее необходимо вылить, а затем тщательно промыть сильфон внутри эфиром. В один из его торцов нужно впаять медную или латунную трубку наружным диаметром 5—6 мм и длиной 25— 30 мм, а к другому торцу припаять проволочную петлю. При этом нужно помнить, что пары эфира могут вызвать взрыв при пайке, поэтому сильфон предварительно (для удаления паров эфира) надо тщательно прогреть на водяной бане.

При пайке нужно применять канифоль. Подготовленный сильфон должен быть герметичным.

Клапаны 2 и 7 совершенно одинаковы и представляют из себя кружки толщиной 1,5—2,5 мм, вырезанные из корковой пробки. Кружки должны иметь такой диаметр, чтобы они свободно перемещались в трубках и в то же время перекрывали отверстия в пробках (рис. 34).

На рисунке 34 показано устройство цилиндров с клапанами. В нижнюю корковую пробку 19 вставляют изогнутую стеклянную трубку 18 диаметром 4—6 мм с ровными краями так, чтобы она и меньший торец пробки были на одном уровне. Затем этот торец нужно хорошо отшлифовать на мелкой шкурке, положенной на плоскую поверхность.

Торцы клапанов также следует отшлифовать на шкурке, лежащей на плоской поверхности. Верхняя пробка 20 и отводная трубка 21 такие же, как нижняя пробка и трубка. Сами цилиндры длиной 30—40 мм можно сделать из стеклянной трубки диаметром 12—18 мм. Для лучшей герметичности пробок их следует тщательно залить снаружи менделеевской замазкой или сургучом.

«Горячий» теплообменник 4 изготовляют так. Стенки 22 и дно 23 теплообменника (рис. 35) вырезают из фанеры толщиной 8—10 мм. Размеры их зависят от размеров баллона термостата 9 и змеевика 3. Термостат делают из стеклянной трубки диаметром 15—20 мм. Змеевик надо согнуть из тонкостенной стеклянной трубки так, чтобы в нем не было мест, где бы мог застаиваться жидкий эфир. Выводные патрубки термоскопа 4 и змеевика 3 вставляют на клее БФ-2 в отверстия, подготовленные в дне теплообменника. Они должны плотно входить в эти отверстия. На этом же клее стенки 22 шурупами крепят ко дну 23. Стенки и дно внутри покрывают 2—3 раза клеем БФ-2, каждый раз просушивая. Затем шурупами на клее БФ-2 крепят переднюю 24 и заднюю 25 стенки теплообменника, изготовленные из органического стекла толщиной 2—4 мм.

Высота теплообменника должна быть около 100—120 мм. Нужно стремиться, чтобы в теплообменник входило немного воды, поэтому он должен быть изготовлен по возможности более компактно.

«Холодный» теплообменник изготовляют в том же порядке, что и горячий.

Отверстие распылителя 14 следует сделать диаметром 0,2—0,3 мм, вытянув его из стеклянной трубки диаметром 4-6 мм. При большем диаметре отверстия распылителя установка работает хуже.

Сборку прибора начинают с закрепления готовых теплообменников к панели при помощи шурупов, ввертываемых с тыльной ее стороны в стенки теплообменников. Затем собирают всю систему стеклянных трубок, укрепляя, где это нужно, деревянные бруски-подставки.

Эфир разрушает резину. Поэтому края соединяемых стеклянных трубок должны быть ровными и, насколько возможно, близко подходить друг к другу в местах соединений, чтобы поверхность резиновых соединительных трубочек меньше соприкасалась с парами эфира.

Сильфон нижним торцом закрепляется на кронштейне 15. Конструкция и размеры кронштейна зависят от типа сильфона и поэтому здесь не описываются. Понятно, что своими гофрами сильфон не должен касаться панели.

Патрубок сильфона соединяют с тройником, стоящим между цилиндрами (с клапанами 2 и 7). К проволочной петле, припаянной к верхней крышке сильфона, привязывают прочную нить, продетую через отверстие в деревянном ограничителе 16. К противоположному концу нити нужно привязать небольшую палочку, чтобы за нее удобно было растягивать сильфон. Ограничитель 16 крепится к панели так, чтобы он уже касался проволочной петли, когда давление в системе равно атмосферному.

Все соединения системы (в том числе и манометра) должны быть герметичными, что достигается применением в нужных случаях менделеевской замазки или сургуча. Проверяют систему на герметичность так: через патрубок 17 откачивают воздух насосом Комовского или Шинца до тех пор, пока сильфон почти полностью не спадет, затем закрывают зажим патрубка 17 и в течение 1—1,5 ч следят за сильфоном. За этот срок он не должен заметно выпрямиться.

Затем через патрубок 17 наливают при помощи бюретки ртуть, наклонив притом прибор так, чтобы ртуть стекала в манометр. Ртути нужно столько, чтобы ее уровень был немного ниже середины короткой трубки манометра. Затем в трубку 10 вводят каплю ртути, вынув для этого ее конец из патрубка термоскопа «горячего» теплообменника. После соединения трубки с термоскопом капля ртути должна располагаться ближе к горячему термоскопу. В таком виде и хранят прибор.

К демонстрации установку готовят так: через патрубок 17 в систему наливают эфир, наклонив прибор так, чтобы эфир попадал к тройнику, соединенному с распылителем 14. Эфира нужно налить столько, чтобы он начал переливаться из распылителя 14 в камеру испарителя 5 и чтобы в последнем образовался его слой глубиной 3—4 мм. Поставив прибор горизонтально, теплообменники заполняют водой, имеющей температуру 18—20° С.

К патрубку 17 присоединяют шланг от насоса Комовского или насоса Шинца и медленно начинают создавать в системе разрежение, следя при этом за уровнем эфира в распылителе 14. Очень скоро этот уровень начнет быстро понижаться. Откачивание продолжают. Как только уровень эфира в распылителе понизится до верхнего торца пробки, через которую он проходит, не останавливая откачивание, плотно зажимают патрубок 17.

Система будет заполнена насыщающими парами эфира. При температуре 18—20°С давление этих паров составляет 420— 440 мм pm. cm. и сильфон поэтому оказывается достаточно сжатым.

Если с помощью нитки начать растягивать и отпускать сильфон, то это приведет к некоторому понижению давления в испарителе 5 и к повышению давления в змеевике 3. Эфир будет выбрасываться мелкими каплями через распылитель 14 и, испаряясь, отбирать тепло воды «холодного» теплообменника, а затем, конденсируясь в змеевике 3, отдавать тепло воде «горячего» теплообменника. Через несколько десятков «качаний» сильфона капля ртути в трубке 10 передвинется по шкале 11 влево. Продолжая перекачивание, можно добиться разности температур воды в теплообменниках в 5—8°С.

Если в теплообменники была налита ледяная вода и хорошо произведено откачивание воздуха, то при длительной работе сильфона можно добиться, что на испарителе 5 появится тонкий слой льда.

После демонстрации воду из теплообменников нужно удалить сильфоном или спринцовкой, зажим 17 открыть и сделать несколько качаний, сжимая сильфон рукой, а затем оставить прибор в хорошо проветриваемом помещении.

Методические преимущества прибора: благодаря применению стеклянных трубок и прозрачных передних стенок теплообменников учащиеся могут наблюдать не только изменения давления и температуры, но и видеть, как пары конденсируются в змеевике, эфир сбегает каплями вниз и вновь испаряется, вырываясь из распылителя.

Некоторым неудобством является то, что хранить прибор можно только в вертикальном положении (если из него не вылита ртуть). Когда прибор ставится на длительное хранение, то ртуть нужно вылить через патрубок 17, соответствующим образом наклоняя прибор. Ртутную каплю из трубки 10 при этом также нужно удалить.