Экспериментальные установки для исследования теплоотдачи при конвективном теплообмене

АННОТАЦИЯ

В данной работе приведены результаты исследования теплообмена в условиях вязкостно-гравитационного режима течения жидкости в горизонтальном канале вдоль одиночной трубы. Установлена, что при этом изменяется скорость течения охлаждающей HNO₃ и температура входа горячего теплоносителя, что позволило получить данные по теплоотдаче в широком диапазоне.

ABSTRACT

This paper presents the results of the study of heat transfer under the conditions of viscous-gravitational regime of fluid flow in a horizontal channel along a single pipe. It was found that this changes the flow rate of the cooling HNO3 and the temperature of the inlet of the hot coolant, which allowed us to obtain data on heat transfer in a wide range.

Ключевые слова: HNO_3, теплоотдаче, теплообмена, ртутный дифманометр, контактный термометр.

Keyword: HNO3, heat transfer, heat exchange, mercury diphmanometer, contact thermometer.

Исследования теплообмена при вязкостно-гравитационном режиме течения жидкости проводились на двух экспериментальных установках. Схема экспериментальной установки, где подвод тепла осуществлялся по закону t_с=const, показана на рис. 1. В этом случае изменялся только экспериментальный участок, который представлял собой одиночную трубу и пучки с шахматным и коридорным расположением труб, погруженные в горизонтальный корпус прямоугольной формы, в котором протекала воды. Схема измерений при этом оставалась прежней. На другой установке, проводились исследования по изучению местного и среднего теплообмена при граничных условиях второго рода. Подвод тепла при этом осуществлялся при пропускании переменного электрического тока от трансформатора ТСД-2000 непосредственно через экспериментальный участок, который представляет собой трубу из нержавеющей стали 1Х18Н10Т d=30х1, l=2200, погруженную в корпус, в котором протекала вода. Длина обогреваемого участка 70 калибров, длина успокоительного участка 20 калибров. Труба для опытного участка была отобрана из большой партии труб в результате замеров внешнего диаметра. В стенке трубы было заделано пятнадцать термопар хромель-алюмель.

При заделке термопар в стенке трубы высверливались пятнадцать сквозных отверстий диаметром 1 мм, одиннадцать на верхней образующей, на расстоянии 200 мм друг от друга и на расстоянии 100 мм от торцов трубы, и четыре на нижней образующей, на расстоянии 400 мм друг от друга и 500 мм от торцов трубы. В этих отверстиях располагались головки спаев термопар, которые затем герметично заваривались, причем концы термопар проходили внутри трубы и выводились через резиновые уплотнения в торцах трубы. Кроме того, как отмечалось выше, была предусмотрена возможность вращения трубы вокруг оси на угол φ=0°, φ=π/4, φ=π/2, φ=3π/4; φ=π (φ=0 –термопары располагались на верхней образующей трубы). Это позволило получить наиболее полную картину распределения температуры стенки t_s и теплоотдачи по периметру трубы. Мощность на рабочем участке определялась по току I и по падению напряжения ∆U, которые плавно изменялись благодаря увеличению или уменьшению зазора в сердечнике трансформатора.

Величины тока варьировались в пределах I=300-1000 А, что соответствовало плотности теплового потока Вт/м². Величина тока определялась с помощью трансформатора тока И508МТ и подключенного амперметра, а падение напряжения на экспериментальном участке измерялось вольтметром. Кроме того, для выявления расположения трубы в корпусе аппарата на характер развития процесса теплоотдачи была предусмотрена возможность измерения положения оси трубы по высоте канала.

На второй установке проводились исследования средней по длине трубы теплоотдачи при вязкостно-гравитационном течении жидкости в горизонтальном канале вдоль одиночной трубы или пучка с шахматным и коридорным расположением труб, обогревательных по закону t_c=const. При этом изменялась скорость течения охлаждающей HNO₃ и температура входа горячего теплоносителя, что позволило получить данные по теплоотдаче в широком диапазоне изменения числа Релея, характеризующего вклад свободной конвекции в процесс теплоотдачи. Использование в качестве экспериментальных участков пучков с различным расположением труб в пучке на интенсивность теплоотдачи при совместном действии свободной и вынужденной конвекции.

Исходя из физико-механических и диффузионно-тепловых свойств нагреваемой жидкости, а также ее высокую коррозионную активность выбран метод интенсификации теплообмена путем нанесения чередующихся плавно очерченных кольцевых выступов на внутреннюю поверхность трубы [5].

Также проводилось исследования локальной и средней теплоотдачи при вязкостно-гравитационном течении жидкости вдоль одиночной трубы, обогреваемой по закону q_c=const. В процесс исследования изменялась скорость течения охлаждающей воды и плотность теплового потока, за счет изменения силы тока, проходящего непосредственно через стенку трубы. В ходе экспериментов исследовалось распределение поля температур на поверхности трубы с помощью 15 термопар, заделанных в стенке трубы.

Как уже отмечалось выше, в результате проведения экспериментов при t_c=const мы имели возможность получить следующие данные: расход горячего и холодного теплоносителей  (G₁, G₂), температуры входа и выхода горячего (t₁^¢, t₁^²)  и  холодного (t₂^¢, t₂^²) теплоносителей.

В ходе проведения экспериментальных исследований измерялись следующие режимные параметры: температура паров на входе в конденсатор Т_г1, температура конденсата на выходе из аппарата Т_г2 температура воды на входе и выходе из аппарата соответственно Т_х1 и Т_х2. Массовый расход водяного пара G₁, массовый расход HNO₃ G₂ и температура на наружной поверхности трубы по высоте. Температуру паров на входе в теплообменник, температуру конденсата на выходе, температуру HNO₃ на входе и выходе из аппарата измеряли при помощи хромель-копелевых термопар, диаметром термоэлектродов 0,15 мм и подсоединенных к потенциометру КСП-4, ртутных термометров типа ТЛ-4Б с ценой деления 0,1°С. В целях определения истинной температуры, к показаниям каждого использованного термометра алгебраически прибавлялась соответствующая поправка в данной температурной точке, указанная в паспорте термометра. Промежуточные значения определялись методом интерполирования. Многочисленные опыты показали, что расхождение между значениями термопар и термометра не превышало 2°С. Измерение массового расхода HNO₃ производилось при помощи расходомеров марки РС-5 и РС-7, класс точности которых равен 1,0. Контроль измерения расхода производился объемным способом, а измерение согласно Правил 28-64. Трубопровод и измерительная диафрагма изготовлены из нержавеющей стали марки Х18Н10Т. Из-за того, что диаметр измерительной диафрагмы  d£50 мм, а стандартизованные бывают только c условным диаметром  свыше  50 мм, то нами изготовлена согласно требований стандарта диафрагма и  осуществлена  ее индивидуальная тарировка.

Определение температуры стенок трубы осуществлялись термопарами, которые позволяли получить локальные значения температуры стенки, что необходимо для выявления зависимости Т_ст = f (x/H), температуры стенки по высоте трубы. Заделка термопар производилась на поверхности труб в паз глубиной 0,5 мм и шириной 1,5-2 мм, в котором производилась приварка королька термопар контактной сваркой. Термопарные проволоки изолировались друг от друга пропитанным клеем БФ-6 стеклонитью, и выводили наружу через резиновые прокладки фланцевых соединений. По высоте труб на единой образующей были установлены 8 термопар. Перед каждой серией термопары тарировались индивидуально при помощи термостата ТС-24.

Максимальная погрешность проводимых экспериментов определяется в предположении, что:

а) погрешность всех первичных величин имеет максимальное значение;

б) при определении коэффициента теплоотдачи эти погрешности влияют в одну сторону, т. е. Оказывают самое неблагополучное влияние.

Практически подсчитанная погрешность отвечает вероятности не менее 0,997. При расчете погрешности считалось, что измерение величины приборами производится со случайной ошибкой. Распределенной по нормальному закону и при этом максимальная ошибка в определении величины равна утроенному значению среднеквадратичной ошибки.

Максимальная погрешность в определении коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене составил 8,8%, эта погрешность соответствует доверительной вероятности 0,997.

Список литературы:
1. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. - М.: Машиностроение, 1981. – 205 с.
2. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течение жидкости в трубах. – М.: Энергия, 1987. – 411 с.
3. Усманов Б.С., Давлятова З.М., Джурабоев Ш.Р. Теплообмен и гидродинамика при течение вязких жидкостей // Материалы Республиканской научно-технической конференции современные проблемы химической технологии. Фергана, 2006, с. 89-90.
4. Усманов Б.С., Аскарова А.Б., Нурмухамедов Х.С. Концепция компактирования некоторых видов минеральных удобрений методом скоростного гранулирования // Труды Международной конференции по химической технологии. Москва, 6-8 июня, 2007, т.5, С.338-341.
5. Усманов Б.С., Медатов Р.Х., Мамажонова И.Р. Интенсификация теплообмена при течении HNO3 В трубах с кольцевыми турбулизаторами// Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2019. № 10(67). С 35-37. URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/7999