Метод измерения локальных значений температуры неоднородного дисперсного потока Текст научной статьи по специальности «Физика»

ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И НАДЕЖНОСТЬ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

УДК 536.5

В. П. Ходунков

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НЕОДНОРОДНОГО ДИСПЕРСНОГО ПОТОКА

Рассматривается метод измерения локальных значений температуры потока, основанный на определении зависимости средней амплитуды пульсаций температуры на границе раздела поверхности с неоднородным потоком от средней разности температур. Представлено теоретическое обоснование, приведены экспериментальные результаты.

Ключевые слова: локальная температура, неоднородный поток, амплитуда, разность температур, зондирование.

Для большинства технологических процессов, основанных на использовании неоднородных дисперсных потоков (обжиг руд в кипящем слое, термообработка, сжигание низкосортных топлив в виброкипящем или фонтанирующем слое, сушка, утилизация отходов и др.) необходимо знать распределение локальных значений температуры в потоке. Сведения о температурных полях позволяют характеризовать протекающие реакции, а также эффективность работы технологического оборудования. Это особенно актуально для создаваемых энергетических установок с возобновляемыми источниками энергии, работающих при температуре 863—1073 К.

Существующие методы, приборы и устройства для измерения температуры не всегда обеспечивают требуемый результат, особенно на стадиях исследования, проектирования и последующей диагностики процесса. Особенно остро данный недостаток проявляется при использовании высокотемпературных крупномасштабных промышленных аппаратов, в которых традиционные зондовые методы измерения температуры (термопары, термометры сопротивления и др.) вследствие оттоков тепла по длине зонда дают скорее интегральные, чем локальные значения температуры потока. Существует также ограничение по глубине зондирования потока, обусловленное прочностными характеристиками термопреобразователей при значительных температурных и механических воздействиях потока. Возможности применения различных видов пирометров (яркостных, радиационных и др.) для измерения температурных полей также весьма ограничены вследствие сложности сканирования через непрозрачные стенки технологического аппарата. Поэтому разработка новых методов измерения локальных значений температуры для таких систем является актуальной задачей.

В настоящей работе представлен метод измерения локальных значений температуры в неоднородных дисперсных потоках.

Исходя из постановки задачи требуется решить две задачи:

— обеспечить локальность измерения температуры потока;

— расширить область применения метода для крупномасштабных потоков в широком диапазоне значений температуры.

Наиболее правильным представляется использовать в качестве базовых зондовые методы термометрии, с помощью которых вторая задача решается за счет применения охлаждаемых зондов, изготовленных из жаропрочных материалов. При этом существенно уменьшается влияние высокой температуры на прочностные характеристики зонда и обеспечивается возможность зондирования потоков большого (промышленного) масштаба.

Рассмотрим процесс нестационарного теплообмена твердого тела (зонда) с неоднородным потоком. Неоднородный поток можно представить в виде совокупности сменяющихся поочередно отдельных ограниченных в пространстве областей, характеризующихся средними по объему теплофизическими свойствами (теплопроводностью \, удельной теплоемкостью сг, плотностью уг-, температурой ТЬ1, температуропроводностью аг и др., г — индекс области). Свойства потока являются интегральными по времени характеристиками данных областей, что справедливо и для температуры потока Т.

Для описания механизма переноса теплоты от поверхности твердого тела к потоку воспользуемся граничными условиями третьего рода:

= агБТ - Ты ¥Т = С У , (1)

где аг- — коэффициент теплоотдачи г -й области с поверхностью, Вт/(м2 К); £ — площадь поверхности теплообмена, м ; dQi — количество теплоты, переданное от г -й области к поверхности (или наоборот), Вт; Т^ — температура поверхности, К; d тг- — текущее время теплообмена г -й области с поверхностью, с; V — объем области, участвующей в теплообмене, м ; dTыi — изменение температуры области за время d тг, К. Преобразовав уравнение (1), получим

dTbi . , .Б

= Aa{dт; A, =-—. (2)

77 ГГГ III-' I T T

w - Tbi ciYiVi

Проинтегрируем (2) по времени:

T Т

JTdTT- = \AialdTl, ln TT (T) = -A , TbiT =0 = Тш, (3)

0 Tw Tbi 0 Tw Tbi0

где Tbi0 — начальная температура i -й области, К.

Из соотношений (3) получим зависимость изменения температуры от времени:

Tbi (Ti) = Tw - (Tw - Tbi0 ) exp(- Aiai Ti) . (4)

Изменение (амплитуда) температуры области за время теплообмена т составит:

ATbi = Tbi (Ti) - Tbi0 = (Tw - Tbi0 ) {exp(-AiaiTi) -1}. (5)

Поскольку нас интересует среднеинтегральная во времени локальная температура потока Tb, начальные значения температуры подходящих к поверхности областей Tbю мало отличаются друг от друга, поэтому примем Tb = Tbi0 = 7^0 = const для времени наблюдения за процессом t » Ti. В таком случае среднее значение амплитуды изменения эффективной температуры областей (i=1, ..., N) за время наблюдения t можно оценить по формуле:

Tw - Tb t

ATb v-^KL J{exp(-4aiTi) -1} . (6)

Метод измерения локальных значений температуры неоднородного дисперсного потока 75

Из (6) следует, что среднее значение амплитуды ДТ прямо пропорционально осредненной разности температур теплообменной поверхности и потока:

__1 ^

АТЬ = к (Т„ - Ть), к = - |{ехр(- А а Т;) -1}. (7)

о

Для отдельно взятой среды (потока) и типа теплообменной поверхности значение коэффициента к есть величина постоянная и не зависящая от разности (Тч - Ть ) . Однако следует иметь в виду, что значения входящего в уравнение для к коэффициента теплоотдачи аг-

зависят от уровня температуры, поэтому сделанный выше вывод справедлив лишь в ограниченном диапазоне изменения температуры. Поскольку изменение температуры ; -й области за время теплообмена с поверхностью составляет 1—10 К, указанной зависимостью можно пренебречь.

Из изложенного следует, что если на поверхности твердого тела, находящегося в состоянии теплообмена с исследуемым потоком, разместить малоинерционный преобразователь, он будет отслеживать изменения условий теплообмена (температуры потока), вызванные прохождением отдельных областей, а средняя во времени амплитуда изменения его собственной температуры ДТч будет прямо пропорциональна разности (Тч - Ть ). Зная значения

АТщ для каждой - -й разности температур (Т^ - Ть ), при условии

ДТ- = о, Тч- = Ть (8)

и выполнив графическую экстраполяцию зависимости ДТч- (Тч-), можно точно определить значение локальной температуры потока Т.

Отметим, что для определения искомой температуры Т достаточно иметь несколько значений АТч- (- = 1, 2,..., п) , Тч- « Ть , что особенно важно для высокотемпературных исследований.

Экспериментальная проверка метода выполнялась в лаборатории кафедры теплофизики СПбГУ ИТМО [1, 2]. В эксперименте определялась температура кипящего слоя, состоящего из частиц кварцевого песка. На рис. 1 представлены результаты лабораторных измерений — точки, прямая — аппроксимация.

Определенные в соответствии с предложенным методом значения температуры слоя (Ть=298,5 К) сравнивались с показаниями хро-мель-копелевой термопары, имеющей погрешность градуировки 3,5 %. Случайная и инструментальная погрешность при измерении данным методом в сумме составила 3,2 %. Расхождение в результатах--2 %.

Для высокотемпературных измерений была разработана конструкция водоохлаждаемого зонда (рис. 2), имеющего в своем составе малоинерционный термометр сопротивления (здесь 1 — корпус; 2 — платиновый термометр сопротивления; 3, 4 — элементы емкостного преобразователя структуры потока; 5 — трубчатые

дтч, к

0,6

0,4

0,2

298 303 308 Рис. 1

У •

/

1

У ® г

( / V

313 Тч, к

0

элементы для подвода теплоносителя). Испытания проводились на обжиговой печи кипящего слоя с температурой 1053—1103 К. Зондирование слоя осуществлялось на глубину 2,5 м.

Рис. 2

Предложенный метод расширяет возможности исследования температурных полей в различных потоках. Главным условием применимости метода является наличие в потоке не-однородностей (областей), обусловливающих изменение интенсивности внешнего теплообмена. Такие неоднородности имеются практически в любых разновидностях потока: в кипящем слое — „пакеты частиц" и „газовые пузыри"; в виброкипящем слое — области с различным эффективным давлением; в газожидкостном потоке — газовая фаза и жидкость; в газовом потоке — области с высоким и низким давлением и т.д. Кроме того, при слабой выраженности неоднородностей в потоке, изменяя положение зонда (например, поворачивая относительно горизонтальной оси), можно варьировать условия теплообмена.

Достоинство метода заключается в возможности точного измерения распределения температур по сечению потока, использования его для высокотемпературных исследований с одновременным повышением надежности и долговечности зондирующих устройств.

Автор работы надеется, что предложенный метод будет полезен для специалистов, занимающихся высокотемпературными измерениями, и послужит основанием для разработки новых измерительных приборов и устройств.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пилипенко Н. В. Нестационарная теплометрия на основе параметрической идентификации дифференциально-разностных моделей теплопереноса в одномерных приемниках. Автореф. дис. ... докт. техн. наук. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2009. 35 с.

2. Пилипенко Н. В., Ключев В. М., Ходунков В. П. Способы и устройства для определения основных параметров двухфазных дисперсных потоков // Мат. всесоюзн. конф. „Методы и средства теплофизических измерений". М.: МВТУ, 1987. С. 38—42.

Вячеслав Петрович Ходунков

Сведения об авторе аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра энергофизического мониторинга и компьютерной теплофизики; E-mail: [email protected]

Рекомендована кафедрой энергофизического мониторинга и компьютерной теплофизики

Поступила в редакцию 14.01.10 г.