Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 9

При этом соотношение для расчетакоэффициента теплоотдачи со стороны охлаждающей водыбылополучено в предварительных опытах по пленочной конденсации водяногопара на гладкой медной горизонтальной трубе, из которой затемизготавливались оребренные трубы. Обработка результатов предварительныхопытов проводилась по модифицированному методу Вильсона [54]. Согласноэтому методу уравнение (2.3) записывается в виде:111 Rс K 2  F21  F1  2  F2(2.7)Задается вид функциональных зависимостей для 1 и  2 :1  C1  H1(2.8) 2  C2  H 2(2.9)где H1 и H2 - соответствующим образом выбранные выражения, а C1 и C2 искомые коэффициенты. Подставляя (2.8) и (2.9) в уравнение (2.7), получаем: 11 H F1 Rс   H 2  F2   2 2 C1 H1  F1 C2 K 2  F2(2.10)Это уравнение может быть записано в виде:Y  m X bгде:11 1H FY  Rс   H 2  F2 ; X  2 2 ; m ; bC2H1  F1C1 K 2  F2(2.11)(2.12)Таким образом, проведя опыты, можно определить не только искомыйкоэффициент C1, но и коэффициент C2, значение которого позволяеткосвенно судить о погрешности опытных данных.58Для корректного использования модифицированного метода Вильсонанеобходимо, чтобы были соблюдены определенные условия.

Так, всеопытные данные должны быть получены при турбулентном режиме теченияжидкости в трубе. Это необходимо для определенности при выборе видазависимости для H1. Кроме того, для точного нахождения наружного ивнутреннегокоэффициентовтеплоотдачиэкспериментальныеданныедолжны быть получены таким образом, чтобы термические сопротивленияснаружи и внутри опытной трубки и соответственно оба члена в правойчасти выражения (2.7) были одного порядка.Для определения средних коэффициентов теплоотдачи с помощьюмодифицированногометодаВильсонанеобходимозадатьвидфункциональных зависимостей коэффициентов теплоотдачи внутри иснаружи опытной трубки, т.е.

Н1 и H2. Для внутренней стороны можновоспользоваться структурой одной из известных формул, описывающихтеплоотдачу при течении в круглой трубе. Снаружи опытной трубки в случаепленочной конденсации чистого пара на гладкой горизонтальной трубеочевидным является использование формулы Нуссельта с поправкой напеременность физических свойств конденсата.Так как для H1 и H2 используются выражения, при расчете которыхнадо знать температуры внутренней и наружной поверхностей опытнойтрубы (а они в опытах не измеряются), то при обработке опытных данныхпроводятся итерации.

Более подробно порядок проведения предварительныхопытов и их результаты описаны ниже. Оценка погрешностей определениякоэффициентов теплоотдачи «прямым» и «косвенным» методами приведенав Приложении 1.Системаавтоматизацииэксперимента.Модернизацияэкспериментальной установки позволила в автоматизированном режимепроизводить сбор и обработку первичных данных, а также с высокойточностьюуправлятьрежимными59параметрамиэксперимента.Дляавтоматизации использовались модули ввода данных (АЦП) ICP-Con,тиристорныерегуляторымощностиAutonics(поз.15рис.2.1.),электромагнитный расходомер КМ-5 (14), датчик давления КРТ-9 (9),платиновыетермометрысопротивленияКТСПР-001(11,12),медныетермометры сопротивления ТСМ50, а также хромель - алюмелевые и медь константановыетермопары.Сигналыстермометровсопротивленияпередавались на модуль ввода I-7033 (17) по четырехпроводной схеме.

Кэтому модулю также был подключен датчик температуры термостата(ТСМ50). На этапе подготовки эксперимента и проведения предварительныхопытов проводилась тарировка термопар и термометров сопротивленияКТСПР и ТСМ при помощи платинового термометра сопротивления первогоразряда, изготовленного во ВНИИФТРИ. Затем каждые полгода проводилисьповторные тарировочные опыты, направленные на выявление изменений вградуировках термопар и термометров сопротивления.Во время эксперимента данные о температуре стенки опытной трубки ио температуре насыщения передавались на модуль ввода сигналов термопарI-7018 (16). К аналогичному модулю через шунтирующее сопротивление 250Ом подключен датчик избыточного давления КРТ-9, имеющий токовыйсигнал 4-20мА.

Этот датчик предназначен для измерения давления в первомконтуре, но результат измерений предназначен лишь для управления работойустановки. Вся информация с датчиков собирается и обрабатывается в средеLabView 8.6; при помощи этой вычислительной среды организовано такжеуправление работой установки.

Давление в первом контуре поддерживается свысокой точностью при помощи ПИД регулятора, который плавно подбираетнеобходимую мощность парогенератораустановленногоэкспериментапарогенератора,иПИДдействительногорегуляторнеобходимуювзначенийподбираетдлязависимостивыходадавления.мощностьдавленияотразностиВначаленагревателейвконтуренаустановленное значение.

После установления первого стационарного режимаПИД регулятор отслеживает изменения давления при дальнейшем изменении60других режимных параметров установки, например, расхода и температурыохлаждающей воды, и изменяет мощность парогенератора таким образом,что в каждом из опытовизмерения теплоотдачи проводятся при одном,заранее заданном давлении. Алгоритм работы регулятора полностьюреализован в среде LabView и не требует дополнительных физическихконтроллеров – используются только измерительный и управляющиймодули.Управляющийсигналпередаетсяскомпьютеранацифроаналоговый преобразователь (ЦАП) I-7024 (18), а затем в виденормированного сигнала 0-5В - на вход регулятора мощности Autonics SPC35(15), к которому подключены нагреватели парогенератора.

При помощи ПИДрегулятора происходит также управление термостатом вспомогательногоконтура, причем в качестве управляющего параметра выбрана температурастенки опытной трубки, что позволяет получать зависимости коэффициентатеплоотдачи от температурного напора пар-стенка с заданным шагом по ∆Т.Как и ПИД регулятор первого контура, регулятор термостата передаетцифровой сигнал на ЦАП (18). Далее, в виде управляющего напряжения вдиапазоне от 0 до 5В этот сигнал передается на вход тиристорногорегулятора мощности, подключенного к нагревателю термостата.Все модули ввода ICP связаны цифровой сетью RS-485 и работают попротоколу DCon.

К параллельной сети RS-485 подключен электромагнитныйрасходомер КМ-5 (14), работающий по собственному протоколу. Для связиэтих устройств с компьютером использовались конвертеры интерфейсов RS485/USBI-7561(19) производства компании ICP-Con.Помимо управления установкой и сбора данных программа позволяетнастраиватьмодуливвода/вывода,производитьручноеуправлениенагревателями, следит за динамикой развития поступающих данных исигнализирует о выходе параметров эксперимента за допустимые пределы.При подключении образцового платинового термометра сопротивления онапозволяет также в автоматическом режиме проводить тарировку и поверкуосновных средств измерений. Результатом работы программы является61текстовый файл, содержащий как первичные данные эксперимента (давлениенасыщения, температура стенки, температура охлаждающей жидкости навходе и выходе и ее расход и т.д.), так и рассчитанные значениякоэффициентов теплоотдачи.

Во время эксперимента программа в реальномвремени строит график α(ΔТ) и сравнивает результаты измерений склассической зависимостью Нуссельта для пленочной конденсации чистоговодяного пара.Порядок проведения опытов по конденсации паровой смеси. Передпроведением опытов парогенератор заполнялся дистиллированной водой,после чего включался нагрев и задавалась стартовая уставка давленияосновного контура.

Особое внимание было обращено на удаление из контураустановкинеконденсирующихсягазов,котороепроводилосьпутеммногократных продувок из рабочего участка в атмосферу при работеустановки на дистиллированной воде в течение 10-12 часов. После каждойпродувки измерялся подогрев охлаждающей воды. Установление после рядапродувок неизменного значения подогрева охлаждающей воды косвенносвидетельствовало об отсутствии неконденсирующихся газов в контуреустановки. Затем установка еще в течение 3-5 часов выводилась на заданныйисходныйрежим,критериемстационарностикоторогослужиланеизменность во времени давления, температуры стенки, температурыохлаждающей воды на входе в рабочий участок и ее подогрева. После этого вавтоматизированномрежимепроводилисьизмерениякоэффициентовтеплоотдачи при конденсации чистого водяного пара.

В случае хорошегосогласования данных по теплоотдаче с расчетом по формуле Нуссельта (сучетом необходимых поправок)без выключения установки начиналисьопыты по конденсации паровой смеси вода-этанол. Для этого в известныйобъем воды, находящейся в парогенераторе, через шлюзовую камерудобавляли жидкий этанол в количестве, необходимом для получениязначения состава смеси, близкого к требуемому, после чего устанавливалистационарныйрежимипроводили62автоматизированныеизмерениякоэффициентов теплоотдачи при изменении ΔТ с заданным шагом. Затем израбочего участка отбирался небольшой объем паровой смеси, котораянаправлялась во вспомогательный конденсатор, где происходила ее полнаяконденсация.

Состав полученного таким образом конденсата, равный составупаровой смеси в рабочем участке, измерялся с помощью призматическогорефрактометра фирмы Atago с абсолютной погрешностью, не превышающей0,1%. Одновременно таким же прибором измерялся состав пробы жидкойсмеси, котораяотбираласьиз парогенератора.

Состав паровой смеси,рассчитанный по составу жидкости в парогенераторе с помощью диаграммы«температура-состав» для равновесной бинарной смеси вода-этанол, какправило, был достаточно близок к составу паровой смеси в конденсаторе.Следует, однако, отметить, что при минимальном значении массовойконцентрации этанола в паре, составлявшем 0,4 %, концентрация этанола вжидкости, находящейся в парогенераторе, составляла примерно 0,04%, и ееизмерение выполнялось со сравнительно большой погрешностью, т.к.проводилось на пределе чувствительности рефрактометра. В этих случаяхболее надёжными были результаты измерениясостава паровой смеси вконденсаторе, полученные описанным выше способом.Результаты предварительных опытов по конденсации чистого водяногопара. Как уже было сказано выше, для определения коэффициентовтеплоотдачиприконденсациинаоребренныхтрубахспомощью«косвенного» метода необходимо знать термическое сопротивление состороны охлаждающей воды, протекающей внутри опытной трубки.