Диссертация (Исследование гидродинамики и теплообмена МГД-течений в вертикальной трубе в поперечном магнитном поле), страница 5

труба из нержавеющей стали2. подложка из кварцевой ткани3. нихромовая лента4. изоляция из кварцевой тканиРис. 2.5.Ленточный нагреватель (1 секция)Нагреватель состоит из двух симметричных продольных секций.Каждаясекциявсвоюочередьсостоитизчетырехпродольнорасположенных и соединенных последовательно отрезков нихромовойленты. Предварительно отожженная нихромовая лента сечением 0.2х8 мм2продета в кварцевый чулок.38Секции нагревателя смонтированы на подложке из кварцевой ткани.Подложка и кварцевый чулок пропитаны термостойким лаком КО-08.

Такимобразом обеспечивается практически равномерное распределение плотноститеплового потока по длине рабочего участка. Электропитание нагревателяосуществляется переменным током от сети через стабилизатор напряжения.Электромагнит, охлаждаемый проточной водой, создает однородноепоперечное магнитное поле в зазоре между полюсами на длине 31 калибр.Магнит запитывается от генератора постоянного тока мощностью 90 кВт.Эпюра поперечной компоненты индукции МП показана на Рис. 2.6.Bz/ d-5051015202530354045qРис.

2.6. Эпюра индукции МП по отношению к обогреваемому участкуИзмерения полей температур и интенсивностей температурныхпульсаций осуществляются в сечении на расстоянии 37 калибров от началаобогреваемойзонырабочегоучастка.Этосечениенаходитсянамаксимальном удалении от начала обогреваемого участка в области, где МПеще однородно. Работы по установке и определении характеристик магнитаB(z/d) (Рис. 2.6) были проведены в [6].39ОсновныепараметрыэкспериментальногостендаОИВТРАНприведены в Табл.

2.3.Табл. 2.3. Параметры экспериментальной установкиПараметрЗначениеМодельная жидкостьртутьВнутренний диаметр рабочего участка, мм19Толщина стенки, мм0.5Материал рабочего участка12Х18Н9ТДлина рабочего участка, м2,005 (106 калибров)Длина обогреваемого участка, м0.85 (42 калибра)Длина области воздействия МП, м0.7 (37 калибров)Длина области воздействия однородного МП, м0.5 (31 калибр)Плотность теплового потока для каждой секцииобогрева,кВт0 − 55мНиже в Табл. 2.4 приведены режимные параметры, реализуемые наэкспериментальном стенде.Табл. 2.4.

Режимные параметрыРежимный параметр=Число Рейнольдса:Значение∙=Число Гартмана:Число Грасгофа:0 − 6000 − 0.8 ∙ 10=Характерное магнитное числоРейнольдса:=10 − 10∙0.2 ∙ 10402.2.2 Рычажный зонд со сферическим шарниромДля измерений полей локальных температур и интенсивностипульсацийвданнойработекаки в[6]применяетсярычажныймикротермопарный зонд. Зонд представляет собой рычаг, способныйповорачиваться вокруг сферического шарнира. Более длинное плечо рычага стержень переменного сечения вводится через сильфон в опытный участокнавстречу потоку. На его конце устанавливается медь-константановаямикротермопара.

Королек термопары диаметром 0.3 мм укрепляетсяэпоксидной смолой на конце нержавеющего капилляра наружным диаметром0.6 мм, таким образом, что провода проходят внутри капилляра. Последний всвою очередь вклеивается также эпоксидной смолой в капилляр большегодиаметра 1.0 мм, а затем эта конструкция укрепляется на конце рычага зонда.Другоеплечорычагасвязаноскоординатныммеханизмом,позволяющим перемещать микротермопару по сечению трубы. Посколькудлина стержня зонда (360 мм) велика по сравнению с радиусом трубы (9.5мм) то можно считать, что при повороте стержня термопара, перемещаясь порадиусу, остается практически в одной плоскости, перпендикулярной оситрубы.Перемещение зонда по сечению трубы осуществляется с помощьюкоординатного механизма.

Он представляет собой два микрометрическихвинта, позволяющих перемещать конец зонда, связанный с координатныммеханизмом, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (горизонтальнойи вертикальной) в любую точку поперечного сечения. Два индикатораперемещений часового типа позволяют установить головку зонда сточностью 0.03 мм. Точность позиционирования зонда обусловленаотношением длин плеч зонда, а также точностью используемых индикаторов.Предварительная тарировка координатного механизма зонда проводилась спомощьюкатетометраКМ-8.Конструкцияизмерительногоустановленного в рабочий участок, показана на Рис. 2.7.зонда,41Рис. 2.7.

Рычажный зонд со сферическим шарниром422.2.3 Автоматизированная система научных исследований.Экспериментальный стенд полностью автоматизирован и оснащенавтоматизированной системой научных исследований (АСНИ), выполненнойна базе контрольно-измерительного оборудования «National Instruments», атакжесиспользованиемотечественнойизмерительнойтехники.Принципиальная схема АСНИ изображена на Рис. 2.8.Рис. 2.8. Принципиальная схема АСНИВнедрениеАСНИнаэкспериментальныйстендпозволилосущественно ускорить процесс измерений, увеличив при этом точностьполучаемых данных. В состав АСНИ стенда входят:Вольтметр В7-34Коммутатор Ф7078Многофункциональная плата NI6281USB-адаптер GPIB интерфейсаПерсональный компьютер (ПК)43АСНИ реализована с использованием протокола GPIB (КОП).Программное обеспечение (ПО) комплекса, а также ПО для вторичнойобработки измерений реализованы в среде графического программированияLabVIEW.

Также в среде LabVIEW были разработаны подпрограммы дляобработки и анализа экспериментальных данных.Сбориосуществляетсяпервичнаяподобработкауправлениемэкспериментальныхперсональногокомпьютераданныхчерезспециальное программное обеспечение (Рис. 2.9).Рис. 2.9. Виртуальные панели для проведения экспериментовПроведение эксперимента автоматизировано. Контроль режимныхпараметров, а также расчет основных характеристик ведется в темпеэксперимента.442.3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙЭкспериментальныеисследованияпроводилисьпометодике,основанной на зондовых измерениях, многократно опробованной в работахранее [6], [7], [18], [22].2.3.1 Коэффициент теплоотдачиДля экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи илокальной безразмерной температуры стенки измеряются и рассчитываютсяплотность теплового потока ( ), температура жидкости на стенке (далее«температура стенки») ((), а также среднемассовая температура жидкости).Безразмерные локальные коэффициенты теплоотдачи определяютсяследующим соотношением:=Безразмерная=∙(локальная−(2.1))температурастенкиопределяетсясоотношением:Θ=∙(−)(2.2)Средний по периметру безразмерный коэффициент теплоотдачи(далее «средний») получается из осредненной по периметру безразмернойтемпературы стенки, исходя из определения (2.3):=1(Θ )(2.3)452.3.2 Плотность теплового потокаПри определении плотности теплового потока необходимо знатьтепловые потери.

Для учета тепловых потерь на обогреваемом участке вчетырех сечениях установлены тепломеры потерь, представляющие собойдвадцатикорольковые дифференциальные хромель-копелевые термопары,смонтированные на ленте из кварцевой ткани. Десять спаев термопарынаходятся на одной и десять на другой стороне ленты. Локальная плотностьтеплового потока потерь определяется линейной интерполяцией показанийсоседних тепломеров.Тарировка тепломеров проводилась следующим образом: трубарабочего участка заполнялась материалом с низкой теплопроводностью(ватой), на нагреватель подавалась электрическая мощность до 8% отмаксимальной расчетной мощности по величине которой градуировалисьтепломеры [6].Формула для расчета плотности теплового потока на стенке:=Где2−(2.4)+– напряжение и ток на соответствующей секции нагревателя;– плотность теплового потока потерь;L - длина обогреваемого участка;Средняя по длине трубы плотность теплового потока:=1(2+)=+−1( )(2.5)462.3.3 Температура стенкиТемпература стенки определяется в месте касания стенки термопаройзонда стенки и экстраполяцией температурного профиля по формуле:=Где(2.6)+2= 0.3 мм – толщина королька термопары,– температура жидкости в точке касания стенкиКоординатакасания,определеннаяпредварительнымиопытами,уточняется по излому температурного профиля.

Такой способ определениятемпературы стенки позволяет исключить погрешность, связанную стермическим контактным сопротивлением на границе «жидкость-стенка».2.3.4 Среднемассовая температура жидкостиСреднемассоваятемпературажидкостивизмеряемомсеченииполучается из уравнения теплового баланса, на основании среднемассовыхтемператур входа и выхода рабочего участка. Эти температуры определяютсяпо показаниям хромель-копелевых термопар, установленных на входе (рабочий участок и в его выходной зоне ()в) в камере смешения.Температура на выходе из рабочего участка определяется с учетом поправки:=Где+∙(−)(2.7)= 0.52 ± 0.05 - тарировочный коэффициент [6];– массовый расход;– температура воздуха.Таким, образом получаем выражение для среднемассовой температурыжидкости в измеряемом сечении трубы:,=1+( )(2.8)Возможен расчет по упрощенной зависимости в предположениилинейного изменения среднемассовой температуры по длине:,=+(−)(2.9)472.3.5 РасходРасхода ртути может быть определен двумя способами:1.

по показаниям расходомерного устройства:=∙(−(2.10))∆ℎГде ∆ℎ - разность уровней ртути в дифманометре;- плотность ртути при температуре расходомерного устройства;−- плотности ртути и воды в дифманометре;- градуировочная постоянная ( = ()).2. по тепловому балансу (с учетом свойств ртути)=Где∙(( )−(2.11))( )- тепло, подведенное ко всему рабочему участку с учетомпотерь.Сравнительно точным, ввиду малой теплоемкости ртути, являетсяопределение расхода по тепловому балансу, а данные расходомераиспользуютсядляпредварительнойустановкичислаРейнольдсаинахождения поправок.2.3.6 Индукция магнитного поляИндукция магнитного поля определяется по падению напряжения нашунте [6]:=Где(2.12)- тарировочная постоянная, определяемая с точностью в 2% [6];– падение напряжение, измеряемое на образцовом сопротивлении в цепимагнита.Границы области однородного поля определяются по снижениюиндукции на 5% от максимального значения [6].482.3.7 Поле температурыОсредненная температура в точке потока получается осреднениемизмеряемых осциллограмм температуры во времени:=Где1(2.13)– массив некоррелированных выборочных значений.Частотадискретизацииимеющегося опыта [6].сигналасдатчикавыбранасучетомХарактерная длительность осциллограмм былаопределена опытным путем и составила 60 сек.2.3.8 Статистические характеристики температурных пульсацийИнтенсивностьпульсацийтемпературыопределяласьпоавтокорреляционной функции (АКФ) (2.14)( )=1( )∙ ( + )(2.14)Где ( ) - центрированный сигнал термопары.Квадрат интенсивности пульсаций равен дисперсии и определяется позначению АКФ при нулевом сдвиге:=(0)(2.15)Также важной статистической характеристикой является временнаяспектральная плотность, также называемая частотным спектром.