Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока

 

Установка предназначена для исследования процесса турбулентного перемешивания неизотермических потоков и обеспечивает экспериментальные данные, необходимые для верификации и настройки программ трехмерного теплогидравлического расчета на описание процессов смешения неизотермических потоков.

Технической эффект, заключающийся в:

- повышении достоверности значений измеряемых параметров, представительности измерений для верификации CFD программ к описанию турбулентных температурных пульсаций;

- сокращении времени измерений, т.к. замеры всех параметров и их обработка по специальным программам производятся практически одновременно с тепловизионной съемкой;

- возможности измерения температурного поля в жидкостном потоке достигается за счет того, что в известном устройстве для измерения температурного поля газового или жидкостного потока, содержащем тепловизионную камеру, преобразователь температуры выполнен в виде тонкостенного, плоского Т-образного соединения из нержавеющей стали и толщиной стенки участка измерений не более 0,3 мм.

Установка предназначена для исследования процесса турбулентного перемешивания неизотермических потоков и обеспечивает экспериментальные данные, необходимые для верификации и настройки программ трехмерного теплогидравлического расчета на описание процессов смешения неизотермических потоков. Процесс смешения неизотермических потоков сопровождается пульсациями температур, во многих случаях определяющих надежность и ресурс энергетического оборудования. Поэтому актуальными являются задачи экспериментальных и расчетных исследований процессов смешения.

В настоящее время в РФ и зарубежом активно ведутся работы по адаптации программ трехмерного теплогидравлического расчета (CFD) к описанию неизотермических потоков в элементах энергетического оборудования, причем одной из основных целей внедрения является анализ и обоснование ресурса оборудования, подверженного термоциклическим нагрузкам. Проблемой, сдерживающей внедрение CFD программ, является практически полное отсутствие экспериментальных данных по пульсациям температур в неизотермических потоках.

В соответствии с теоретическими представлениями (например, Колмогоров 1941), в турбулентном потоке должен существовать сплошной спектр частот, характеризующих вихревые движения разных масштабов. Практический интерес, с точки зрения влияния на температурное состояние стенки, оказывают движения с частотами до ~ 5 Гц. Измерить такие частоты существующими средствами не представляется возможным.

Так, известны устройства для измерения температурных полей газовых и жидкостных потоков в виде контактных зондов на основе термоприемников, в которых преобразователями температуры, то есть термочувствительными элементами, являются термопары или термометры сопротивления (см. стр.206-212 и рис.54 на стр.211 в кн. Бошняк Л.Л. Измерения при теплотехнических исследованиях. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974. - 448 с.). Такое устройство (измерительный зонд) устанавливается в точку измерения в газовом или жидкостном потоке и проводится замер температуры методами, соответствующими типу чувствительного элемента. Затем зонд перемещается в следующую точку и цикл измерения повторяется. Данные устройства имеют следующие недостатки. Устройства являются контактными, поэтому размещаемые в потоке зонды возмущают его, нарушают характер течения и тем самым искажают результаты измерения температурного поля. При проведении замеров поля температуры во множестве точек потока такие исследования становятся затяжными во времени и трудоемкими. Кроме того, необходимо иметь дополнительное и достаточно сложное оборудование, обеспечивающее перемещение и точное позиционирование зондов в пространстве (координатники). К недостаткам устройства следует отнести и присущие термоприемникам особенности: инерционность преобразователей температуры, затрудненность точного ориентирования приемных отверстий зондов навстречу потоку, в условиях, когда направление потока неизвестно. Перечисленные недостатки делают невозможным применение данных устройств для измерения температурных пульсаций.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемой полезной модели является устройство для измерения температурного поля газового потока (патент RU 2230300 от 10.04.2002 G01K 13/02), которое принято за прототип. Устройство содержит преобразователь температуры и снабжено тепловизионной камерой. Преобразователь температуры выполнен в виде сетки из нитей, причем материал нитей сетки имеет коэффициент теплопроводности, составляющий 0.951.05 коэффициента теплопроводности газа, толщина нитей сетки составляет 1050 мкм, а расстояние между нитями сетки составляет 100200 толщин нитей, кроме того, сетка выполнена с термоиндикаторным покрытием. Такое выполнение устройства и использование тепловизионной камеры позволяет проводить безинерционные бесконтактные (не возмущающие поток) измерения температуры, что обеспечивает, в том числе возможность представительных измерений температурных пульсаций. Кроме того, обеспечивается одномоментное измерение температурного поля газового потока в максимально большей области потока.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится то, что в известном устройстве присутствует сетка - преобразователь температуры, что позволяет выполнять измерения температурного поля только в газовом потоке, так как жидкость является непрозрачной для инфракрасного излучения, недостоверность и длительное время измерения параметров.

Технической задачей, стоящей перед изобретателем, является обеспечение:

- повышения достоверности значений измеряемых параметров, представительности измерений для верификации CFD программ к описанию турбулентных температурных пульсаций;

- сокращения времени измерений, т.к. замеры всех параметров и их обработка по специальным программам производятся практически одновременно с тепловизионной съемкой;

- возможность измерения температурного поля в жидкостном потоке.

Задача решается тем, что в известном устройстве для измерения температурного поля газового или жидкостного потока, содержащем тепловизионную камеру, преобразователь температуры выполнен в виде тонкостенной, плоской модели.

Тонкостенная, плоская модель выполнена в виде Т-образного соединения.

Тонкостенная, плоская модель выполнена из нержавеющей стали.

Толщина стенки участка измерений модели из нержавеющей стали не более 0,3 мм.

Экспериментальные исследования смешения потоков в Т-образных соединениях являются классическими в задаче подготовки исходных данных для верификации трехмерных теплогидравлических программ. В качестве примера можно привести исследования, описанные в работе Westin J.: Thermal Mixing in a T-Junction. Model Tests at Vattenfall research and Development AB 2006. Boundary Conditions and List of Available Data for CFD-Validation, Report Memo U 07-26, Vattenfall R&D AB, Älvkarleby, Sweden, 2007, pp.1-17. В этой работе измерения поля скоростей выполнено PIV методом, а температуры измерялись термопарами в ограниченном числе точек, что существенно снижало представительность экспериментальных результатов.

В отличие от модели Vattenfall, экспериментальная модель Т-образного соединения является плоской, что обеспечивает двумерность течения.

В этом случае отличие температуры в ядре потока от температуры вблизи стенки может быть определено из следующих соотношений:

ВОД - коэффициент теплоотдачи от воды;

ВЗД - коэффициент теплоотдачи от воздуха;

TВОД - разность температур воды в центре потока и вблизи стенки;

TВЗД - разность температур воздуха средней по помещению и вблизи стенки.

Из (1) непосредственно следует:

В оценке принято, что коэффициент теплоотдачи от воды при турбулентном течении жидкости более чем в 1000 раз превышает коэффициент теплоотдачи воздуха, максимальное отличие температур воды и воздуха не превышает 40ºС.

Зависимость толщины стенки участка экспериментальной модели от максимальной, измеряемой в эксперименте частоты пульсаций температуры может быть приближенно вычислена из следующих соображений.

1. Характерное время прогрева стенки определяется выражением:

- пропускаемая частота пульсаций;

N - коэффициент, принимаемый равным ~ 10.

Для случая плоской стенки характерное время прогрева стенки приближенно определяется формулой:

, - плотность материала стенки;

cP - теплоемкость материала стенки;

- теплопроводность материала стенки;

- толщина стенки.

Подставляя в (4) значение характерного времени из (3) получим следующее соотношение для зависимости толщины стенки от спектра пропускаемых частот:

В частности, из приведенной формулы следует, что для качественного измерения пульсаций температур в потоке теплоносителя с частотами до 5 Гц, толщина участка измерений экспериментальной модели, изготовленного из нержавеющей стали, должна быть ~ 0,3 мм.

2. «Размывание» температурных фронтов за счет теплопроводности вдоль поверхности стенки может быть оценено формулой для задачи передачи тепла через стержень (смотри, например, М.А.Михеев, Основы теплопередачи, М., Госэнергоиздат, 1955):

, где

T(0) - температура стенки и воды вблиз стенки в заданной точке;

ТОС - температура воды, окружающей заданную точку; (6)

ВОД - коэффициент теплоотдачи воды;

- теплопроводность материала стенки;

- толщин а стенки.

Для того, чтобы эффект переноса тепла вдоль поверхности был пренебрежимо мал по сравнению с переносом тепла поперек поверхности, необходимо, чтобы подкоренное выражение в формуле (6) было много меньше 1. В частности, для листа из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм, подкоренное выражение ~ равно 0,25.

При выполнении указанных условий обеспечивается безинерционная связь между температурами внутренней и наружной поверхности экспериментальной модели, минимизируется влияние продольных перетоков тепла на значение наружной температуры стенки, отсутствуют возмущения в потоке, вносимые системой измерений. Но практически исключается возможность обеспечения в эксперименте характерных для элементов энергетического оборудования значений параметров по температурам, скоростям и давлениям теплоносителя.

На фиг.12 изображено предлагаемое Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока, содержащее преобразователь температур (1), выполненный в виде плоской тонкой модели, воспроизводящей геометрию Т-образного соединения, тепловизор (2).

Устройство работает следующим образом.

На вход плоской модели (1) через патрубки (3, 4) подаются потоки теплоносителя с различными значениями температуры и скорости потока.

Смешиваясь в Т-образном соединении (1), потоки через регулирующую арматуру (5) сливаются из модели (1).

С учетом того, что тройник является плоским, температура воды в центре потока незначительно (не более, чем на 0,1ºС) отличается от температуры воды вблизи внутренней поверхности стенки преобразователя температуры, которая, в свою очередь, практически не отличается от температуры внешней поверхности, измеряемой тепловизором.

По аналогии с моделью Т-образного соединения могут быть созданы другие модели, с произвольным количеством входов и выходов.

Таким образом, выполнение преобразователя температуры в виде тонкостенной, плоской модели позволяет достоверно измерять температурное поле не только в газовом, но и в жидкостном потоке, а также сократить время измерений, т.к. замеры всех параметров и их обработка по специальным программам производятся практически одновременно с тепловизионной съемкой.

1. Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока, содержащее тепловизионную камеру, преобразователь температуры, отличающееся тем, что преобразователь температуры выполнен в виде тонкой плоской стенки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тонкая плоская стенка выполнена из нержавеющей стали.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что толщина стенки из нержавеющей стали не более 0,3 мм.



 

Похожие патенты:

Устройство предназначено для определения скорости и расхода газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников загрязнения при контроле выбросов загрязняющих веществ в отходящих от стационарных источников загрязнения атмосферы газах. Согласно российской методике СТО ВТИ 11.001-2012 «Методика выполнения измерений массовых выбросов загрязняющих веществ от котельных установок с применением газоанализаторов с электрохимическими датчиками» при таком контроле необходимо измерять поле концентрации загрязняющих веществ и поле скорости газов переносными средствами измерения и тем самым выполнять многоточечные измерения.
Наверх