автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы и устройства для измерения эффективных теплофизических характеристик потоков технологических жидкостей

КОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

РГб ОА

1 3 ОВ

На правах рукописи

ПОНОМАРЕВ Сергей Васильевич

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ »ФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1995

.- ¡Ь '/О-. '

Работа выполнена на кафедре "Автоматизированные системы контроля" Московской государственной академии химического машиностроения и на кафедре "Автоматизированные системы и приборы" Тамбовского государственного технического университета.

Официальные оппоненты:

Академик АН Белоруссии, доктор технических наук,

профессор А.Г.Шашков

доктор технических наук,

профессор С.А.Улыбин

доктор технических наук,

профессор Б.А.Арутюнов

Ведущая организация - Институт синтетических полимерных материалов Российской Академии Наук, г. Москва.

Зашта диссертации состоится 23 февраля 1995 г. в 14 час в аудитории В-13 на заседании специализированного совета I 063.44.02 в Московской госудаственной академии химического машиностроения по адресу: 107884, ГСП, Москва, Б-66, ул.Старая Басманная, 21/4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан 23 января 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент " Г.Д.Шишов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Современные условия дефицита энергетических и материальных ресурсов предъявляют все возрастающие требования к повышению эффективности проектируемых технологических процессов, аппаратов и оборудования. Наиболее полно эта проблема решается с применением систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих сформировать, сравнить и оценить большое количество вариантов проектных решений. При этом в САПР технологических процессов, протекающих в потоках жидкостей при неизотермических условиях, широко используют математические модели процессов теплопереноса в виде краевых задач, параметрами которых являются эффективные теплофизические характеристики (ТФХ) (тепг. лопроводность, температуропроводность, теплоемкость и др.) потоков технологических жидкостей (см. примечание на стр. 32).

Потоки реальных технологических жидкостей в большинстве случаев представляют собой дисперсные системы (суспензии, эмульсии или жидкостно-газовые смеси), эффективные значения ТФХ которых могут быть измерены только в процессе течения. При , остановке течения происходит разделение реальных технологических жидкостей на их компоненты. При этом, твердые частицы суспензий, выпадают в осадок, эмульсии расслаиваются, мелкие пузырьки газов выделяются из жидкостно-газовых смесей.

Традиционные методы и приборы теплофизических измерений основаны на предположении, что образец исследуемой жидкости в процессе измерения должен находиться в неподвижном "квазитвердом" состоянии (в образце не должно быть конвективного переноса теплоты). Поэтому эти методы и приборы не пригодны для измерения эффективных ТФХ потоков реальных технологических жидкостей.

Проведенные исследования показали, что наиболее подходящими для измерения эффективных ТФХ потоков технологических жидкостей являются так называемые методы ламинарного режима (.МЛР). Достоинствами МЛР являются как возможность непрерывного во времени измерения ТФХ технологических жидкостей в процессе течения через измерительные устройства, так и возможность экспериментального исследования зависимости теплопроводности жидкостей от скорости сдвига. Это второе достоинство МЛР имеет особенно большое•значение в связи с тем, что в последние десятилетия в научно-технической литературе публикуются работы, посвяшенные те.оретическому исследований эффектов анизотропии переноса теплоты .в,конвектив-

т 1 1

ных потоках жидкостей. Однако, экспериментальных данных, свидетельствующих о проявлении анизотропии теплопроводности при течении жидкостей, до последнего времени опубликовано не было.

Важным аспектом при разработке и использовании методов измерения ТФХ жидкостей в процессе течения, является.', проблема автоматизации измерительных операций и процессов обработки экспериментальных данных, решение которой позволяет исследователям получать необходимые сведения о характере и величине изменений ТФХ в ходе эксперимента и, в соответствии с этими сведениями, управлять условиями эксперимента для получения необходимых результатов, например, получения потоков жидкостей с заданными ТФХ. Наиболее полно и. эффективно эта проблема может быть решена путем создания автоматизированной системы научного исследования (АСНИ) ТФХ потоков технологических жидкостей.

Исходя из изложенного выше разработка и исследование методов и устройств для измерения эффективных теплофизических характеристик потоков технологических жидкостей, пригодных для использования в составе АСНИ ТФХ, является актуальной проблемой.

Цель работы состоит в повышении точности определения эффективных ТФХ потоков технологических жидкостей в процессе течения путем создания методов и измерительных устройств с улучшенными . техническими и метрологическими характеристиками.

Задачи работы. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: 1) разработаны теоретические основы измерения ТФХ жидкостей в процессе ламинарного течения в измерительных устройствах; 2) выполнен анализ источников погрешностей измерений и даны рекомендации по выбору режимных и конструктивных параметров измерительных методов и устройств; 3) разработаны новые методы и конструкции измерительных устройств, создано техническое, алгоритмическое, программное и метрологическое обеспечение АСНИ ТФХ потоков жидкостей; 4} получены оценки случайных и систематических погрешностей измерений ТФХ с применением разработанных методов и устройств, предложены алгоритмы введения поправок в результаты измерений; 5). разработанные методы и устройства применены для измерения и контроля ТФХ жидкостей.

Научная новизна. Разработаны теоретические основы измерения коэффициента температуропроводности а и комплексного тепло-физического параметра ц-а, представляющего собой произведение

коэффициента динамической вязкости ц на коэффициент темпе- Г ;;

ратуропрополности а, в процессе напорного ламинарного течения исследуемой., .жидкости через измерительные трубки с постоянной температурой стежки теплообменного участка.

Разработаны теоретические' основы измерения теплопроводности х, коэффициента температуропроводности а, объемной теплоемкости с-р и комплексных теплофизических параметров ц-а и с-р/ц в процессе напорного ламинарного течения исследуемой жидкости через измерительные трубки, стенки теплообменных участков которых обогреваются электронагревателями.

Разработаны теоретические основы измерения теплопроводности коэффициента температуропроводности а и динамической вязкости и, а также комплексного теплофизического параметра ц/\ в процессе сдвигового ламинарного течения исследуемой жидкости в зазоре между двумя коаксиально расположенными цилиндрами при вращении внешнего цилиндра с постоянной угловой скоростью.

Разработаны новые методы измерения ТФХ и конструкции измерительных устройтв, защищенные авторскими свидетельствами.

Впервые выполнен анализ источников погрешностей измерений ТФХ с применением разработанных методов и измерительных устройств. Решены задачи но выбору оптимальных режимных и конструктивных параметров этих методов и устройств.

Экспериментально определены зависимости от скорости сдвига вторых диагональных компонентов тензоров теплопроводности и температуропроводности ряда полимерных жидкостей,- эти результаты подтверждают положение, что при математическом моделировании теплопереноса в ламинарных потоках вязкоупругих жидкостей следует использовать тензорную форму записи уравнения энергии.

Практическая ценность работы Разработанные теоретические основы измерения ТФХ жидкостей реализованы в виде новых методов ламинарного режима и четырех типов конструкций проточных измерительных трубок, предназначенных для непрерывного измерения и контроля ТФХ жидкостей в ходе научного эксперимента.

Разработаны методы и практическая конструкция измерительного устройства, предназначенного для измерения ТФХ исследуемой жидкости, находящейся в зазоре между двумя коаксиально установленными цилиндрами в состоянии сдвигового - ламинарного течения, создаваемого за счет вращения внешнего цилиндра.

Созданы необходимые элементы математического, алгоритмического, программного, метрологического и технического обеспечения АСНИ ТФХ, ориентированной на использование разработанных методов и измерительных устройств.

Получены оценки случайных и системетических погрешностей измерений ТФХ с применением разработанных методов и устройств, созданы алгоритмы введения поправок в результаты измерения ТФХ жидкостей, позволившие уменьшить значения систематических погрешностей измерений на 3...5%.

Разработанные методы и измерительные устройства применены для измерения и контроля ТФХ ряда технологических жидкостей.

На основе экспериментально обнаруженных в процессе исследований эффектов предложены методы и устройства: 1) для измерения и контроля вязкости жидкости по величине расхода, соответствующего переходу ламинарного режима течения в турбулентный; 2) для контроля момента окончания реакции диазотирования по величине интенсивности газовыделений в реакционной среде.

Реализация научно-технических результатов. Результаты работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ и переданы для использования предприятиям: НИИХимполимер (г.Тамбов, 1976 г.); ПО "Пигмент»' (г.Тамбов, экон. эффект 11 тыс.руб., 1976 г.); Тамбовский филиал ВИЭСХ (г.Тамбов, 1976 г.); ПКБпластмаш (г.Краснодар, экон. эффект 15 тыс. руб, 1978 г.); ВНИШМ (г.Тула, экон.эффект 50 тыс. руб, 1991 г.); УкрНИИСП (г.Киев, экон. эффект 100 тыс. руб., 1992 г.); ГосНШХП (г.Казань, экон. эффект 3 млн. руб, 1993 г.); А/О НИИРТМаш (г.Тамбов, экон. эффект 900 тыс. руб., 1993 г.); институт синтетических полимерных материалов РАН (г. Москва, экон. эффект 10 млн. руб, 1993 г.); НПП "Модуль" (г.Тамбов, экон. эффект 3 млн. руб., 1993 г.), А/0 "Кристалл" (г. Кирсанов Тамбовской области, экон. эффект 3 млн. руб, 1994 г., ожидаемый экон. эффект 20 млн. руб, ); ТГТУ (г.Тамбов, 1994 г.). Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет около 20 млн. руб. Материалы диссертации используются в учебных курсах ТГТУ при обучении студентов специализации 21.03.17 "Автоматизация анали- тического контроля технологических процессов и производств».

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на VI Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам вешеств

(г.Минск, 1978 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия" (г. Москва, 1982 г.); Всесоюзных научных конференциях "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" (г. Тамбов, 1986,1988 г.г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Тепло-физические измерения в решении актуальных задач современной науки и техники" (г.Киев , 1987 г.); vnr Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Новосибирск, 1988 г.), Всесоюзной конференции "Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизированных производств" (г.Тамбов, 1989 г.); ix и х Всесоюзных теплофизических школах (г.Тамбов, 1988,1990 г.г.); Третьей Всесоюзной;;конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" *( г. Воронеж, 1 1990 г.); Международной школе-семинаре "Геофизика и теплофизика неравновесных систем" (г.Минск, 1991 г.); xliv и xlv научно-технических конференциях МИХМ (г.Москва, 1991, 1992 г. ); Всесоюзном семинаре по процессам переноса в химической технологии (С:- Петербург, 1991 г.); И симпозиуме по тейлофизическим свойствам (г. Боулдер, США, 1991 г.); Международной выставке-конференции "Мера - 92" (г.Москва, 1992 г.); Международной тешюфизической школе {г.Тамбов, 1992 г.); 13 Европейской конференции по теплофизическим свойствам (Лиссабон, Португалия, 1993 г.); на г научной конференции Тамбовского государственного технического университета (1994г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 70 работ, в том числе 12 авторских свидетельств, две справочные книги, депонирован монографический обзор объемом 2.7 п.л.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, приложений и списка использованной литературы,, изложена на 290 страницах, содержит 50 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 220 наименований. Приложения содержат 185 страниц, 21 рисунок и 16 таблиц.

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных соискателем в период с 1973 по 1994 годы. Научными консультантами работы являются д.т.н., профессор Кораблев И.В. и д.т.н., профессор Мищенко C.B.

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыта научная новизна и прак-

тическая значимость, дается краткое содержание работы по главам.

В первой главе приведен обзор методов экспериментального определения ТФХ жидкостей. Сформулированы требования к методам и устройствам для измерения ТФХ потоков технологических жидкостей. Приведены сведения о традиционных методах геплофизических измерений. Основное внимание уделено ранее известным методам ламинарного режима, предложенным Л.Грэтцем, П.П.Шумиловым, В.С.Яблонским, К.К.Трилисским, Г.Б.Фройштетером, П.М.Ступаком, Р.Е.Балкером, де Гаазом Н., А. А.Вестенбергом и др. Сформулированы задачи выполненных исследований.

Вторая глава посвящена разработке теоретических основ методов, ■;.основанных на закономерностях теплопереноса в ламинарном. потоке жидкости при течении в измерительной трубке с постоянной температурой стенки теплообменного участка.

Измерительные операции согласно разработанным методам осуществляют (см.рис.1а) в основном в следующем порядке: а) ис-следуюмую жидкость А- с начальной температурой Г„ пропускают через центральную трубку 1; б) изотермический участок длиной гиз термостатируют путем пропускания теплоносителя в (с температурой ТВ=ТН) через водяную рубашку 2; в) теплообменный участок длиной ¿г обогревают потоком теплоносителя С (с температурой ТС#ТН) через водяную рубашку 3; г) с использованием измерителей 4 с установленными в них датчиками температуры 5 измеряют среднемас-совые температуры Тн, Тк исследуемой жидкости в начале и в конце

трубки и температуру Тс стенки трубки на теплообменном участке; д) измеряют расход д исследуемой жидкости или, с использованием дифманометра 7, подключенного к патрубкам 6, измеряют перепад давления др на участке центральной трубки 1 длиной Ь; е> ТФХ' вычисляют по приведенным ниже расчетным зависимостям. *

При измерении коэффициента температуропроводности а температурное поле Т(г,г) установившегося ламинарного:потока исследуемой жидкости в пределах теплообменного участка измерительной трубки (рис.1 а) моделируется краевой задачей:

2д Г, Г г I2! ат(г;г) 1 д

Г] _f .Ll2] =aJ_ — Г aT(r,z)1

L R J J 3z Г sr 3r J '

z>0, 0<r<R, a =\/c-p = const, /2.1/

T(r,0)=TH=const, ат(0,z)/ar = 0, T(R,z)=Tc=const,

где Т-темлература; r,z - радиальная- и продольная координаты теплообменного участка; R-внутренний радиус центральной трубки 1; д-расход исследуемой жидкости; с,р - удельная теплоемкость и плотность исследуемой жидкости; тн,тс - соответственно температура исследуемой жидкости в начале трубки и температура стенки трубки на теплообменном участке.

С учетом того, что измеряемая в процессе эксперимента среднемассовая температура тк исследуемой жидкости в конце теплообменного участка трубки математически может быть представлена в виде пространственной интегральной характеристики

R R

TK=^(r,Z)r[l-[^}2]dr/ Jr[l-[i-)2]dr, /2.2/

о о

с использованием решений краевой задачи /2.1/:'йами получены ряд расчетных формул для вычисления коэффициента температуропроводности a по экспериментально измеренным значениям физических величин R,£I,g,T,H,TCfT|t. Эти расчетные формулы представляют собой математические модели разработанных методов измерения ТФХ жидкости и представлены в таблице 1.

Первая расчетная формула Таблицы 1 является наиболее общей

и точной в широком диапазоне 0 < в < 0.54 безразмерной температуры е=(т,;-тс)/(тн-тс). Это связано с тем, что при вычислении

функции f(a) использовали И членов ряда Фурье, рредставляющего собой решение исходной краевой задачи /2.1/. При выводе •формул второй строки Таблицы 1 использовали только первый член этого

ряда Фурье. Небольшое уменьшение диапазона применимости этих формул позволило существенно упростить их запись. Вместо сложной

функции f(e> в этих формулах удалось использовать значительно

более простые функции [-0.1996-гпЭ] и fn(1.2209e), что позволило Таблица 1. Расчетные формулы для определения коэффициента температуропроводности а и комплексного теплофизического параметра и-а с применением измерительных трубок первого типа с постоянной температурой стенки теплообменного участка

N Расчетные формулы Оценки погрешностей Область применения. оценок погрешностей

расчетйые экспериментальные

1 2д а=—• f(0) nlr 6а=5. . .15% га=4...5% ба=3...4% са=0...5% ё>0.54; в<0.12 0.12<ё<0.54 0.2 <е<0.5

2 а~ 2д [-0.1996-1пё]= 2д 1п(1.22090) noh 6а=5...15% 5а=4...5% йа=3...4% са=0...5% ё<0.12 O.12<0<O.5l 0.2<0<О.5

3 а=K-g=Ki/r, К=2 f(5onr)/Tt£T , K1=2vf^onT)/"fT За=4... 10% 6а=3...4% 6а=3... 4 % са-0...3% ё>0.51; ё<0.12 0.12<ё<0.51 0,2<ё<0.5

4 а=— ' <3 f(6onT) 6а=4...10% ёа=3...4% 6а=3...4% са=0...3% ё>0.51; э<0 .2 0.12 <ё<0.51 0.2 <е<0.5

5 ш т 6ца=6..15% 5(ха=5 . . .6% 8да=5...6% сда=0...5% 0>О.54;0<О.12 0.12<©<0.54 0.2<ё<0.5

6 Г-0 .1996 —lnöl = 4 исг L R4AP . „„„ -- - ln(l,2209а) 4ы сг тс i 5ца=6..15% 6 да=5 .. . 6% Sfia-5 .. .6% сца=0...5 % ё<0.12 ■0.12<ё<0.51 0.2<ё<0.5

при обработке экспериментальных данных использовать несложные

микропроцессорные вычислительные устройства.

При анализе первой расчетной формулы Таблицы 1 было получено математическое описание 5а=(р[0,бд,5гт,5(т-т ) ] /2.3/ зависимости случайных погрешностей 5а измерения коэффициента

температуропроводности от безразмерной температуры а и от случайных относительных погрешностей <5д, з«т, 5(тн-т.) измерения расхода д, длины ^ теплообменного" участка и разности (тн-тс) между температурой тн жидкости в начале трубки и температурой тс стенки трубки на теллообменном участке.

\ \

-V 1 4

1 1 1 ■—к- 1 1 1 1 1 1 1 9

1 А>

1 /

V - /

1 1 л

\ Ел

\ //

/\ /

а)

1,9

2,1

ы

ю

2,3

Рис.2. Зависимости погрешностей измерения ТФХ жидкостей от

безразмерных параметров э=(тк-тс)/(тн-тс), п=(тс-тк) /(тк-ти) и д=тг/т1 для измерительных трубок первого (а), второго (б) и третьего (в) типа.

На основе анализа зависимости /2.3/ было установленно, что если допустимую случайную относительную погрешность измерения коэффициента температуропроводности принять равной 5адоп=5%, то приемлемые условия эксперимента будут иметь место (см.рис.2а)

при 0.12<е<0.54, а наименьшие случайные погрешности измерения

коэффициента температуропроводности достигаются при о~0.3.

Экспериментальные исследования показали, что помимо случаных погрешностей за на результаты измерения коэффициента температуропроводности влияют и систематические погрешности са

(см. главу VII), также зависящие от безразмерной температуры в. На рис.2 приведен график зависимости суммарных

погрешностей измерений в. Видно, что в случае использования величины X

'22

5а +са от безразмерной температуры

в качестве

1

2

оценки погрешностей, приемлемая точность результатов измерений (без введения поправок на величину систематической погрешности)

получается при 0.3<е<0.52. При введении .поправок^ на величину систематических погрешностей условия эксперимента следует подбирать так, чтобы безразмерная среднемассовая температура исследуемой жидкости е=(тк-тс)/(тн-тс) в конце теплообменного участка измерительной трубки была близка к значению оопт=0,3.

Для автоматической стабилизации величины в на заданном

оптимальном уровне е=0.3 можно использовать два вида регулирующих воздействий: 1) изменение расхода g жидкости через измерительную трубку (обработку информации в этом случае ведут по 3 формуле Таблицы 1); 2)'изменение длины,íT теплообменного участка измерительной трубки (при этом обработку информации осуществляют по 4 формуле Таблицы 1 ). В диссертации приведены описания принципа действия и работы автоматических установок с отрицательными обратными связями, воздействующими на расход g или на длину гт теплообменного участка и обеспечивающими измерение коэффициента

температуропроводности при оптимальных условиях е=еопт=0-. 3.

При работе реального технологического оборудования существуют ситуации, когда расход g жидкости нельзя считать заданным, например, когда жидкость течет через трубопровод или канал технологического оборудования под действием постоянного перепада давления, создаваемого напорной емкостью. В этом случае процессы переноса тепла в ламинарном потоке жидкости определяются комплексным теплофизическим параметром д-а.

При измерении комплексного теплофизического параметра д-а температурное поле T(r,z) установившегося ламинарного потока исследуемой жидкости в пределах теплообменного участка измерительной трубки (рис.1а) моделируется краевой задачей:

Ra-&P Г f Г121 ÔT(E,Z) _ 1 s .

___ ^ ^ j _ Ma _ __

2>0, 0<r<R, (i-а =const, /2.4/

T(r,0) =TH =const, eT(û,z)/3r = 0, T(R,z) = Tc =const,

где др -перепад давления на участке центральной трубки длиной L.

На основе решений краевой задачи /2.4/ нами получены расчетные формулы для вычисления комплексного теплофизического параметра va по экспериментально измеренным физическим

3Т(Г,2)

. Sr ..

величинам др,т„,тс,тк с учетом заранее известных значений п,ег,ь. Эти расчетные формулы приведены в Таблице 1.

Расчетные формулы 5,6 Таблицы 1 аналогичны ранее рассмотренным формулам 1,2 этой таблицы. Причем, в формулу 5 входит

такая же функция £(в), что и в формулу 1 Таблицы 1. Поэтому все изложенные выше подходы к определению зависимости погрешностей

измерения от безразмерной температуры в=(тц-тс)/(тн-тс), справедливы и для случая измерения комплексного теплофизического параметра ц-а. В частности, приемлемые погрешности измерений будут

иметь место при 0.12<е<0.54, а наименьшие погрешности измерения

параметра . ц-а получаются при е=0Опт~°-3- Расчетные формулы 6 Таблицы 1 также получены при аппроксимации решения краевой

задачи /2 А/ первым членом ряда Фурье, справедливой при е<0.51.

В приложении рассмотрены математические модели, позволяющие вычислять ТФХ в случае, когда в исследуемой жидкости действуют равномерно распределенные внутренние источники тепла, а также в случае, когда кривая течения исследуемой неньютоновской жидкости может быть описана степенным законом.

В_ третьей главе рассматриваются методы измерения ТФХ, основанные на закономерностях теплопереноса в ламинарном потоке жидкости при течении в измерительных трубках, стенки тепло-обменных участков которых обогреваются электронагревателями.

При измерении ТФХ использовали (рис.Т б,в) измерительные трубки второго, третьего и четвертого типа, выполненные на основе центральных трубок 1. Трубки второго и третьего типа (рис.1 б,в) состоят из изотермического участка длиной г^ (образованного водяной рубашкой 2 ) и теплообменного участка длиной ц с размешенным на нем электронагревателем 8. Трубки четвертого типа представляют собой упрощенный вариант трубок второго типа (отсутствует изотермический участок и они состоят только из теплообменного участка длиной ^ с адиабатической системой 9, устраняющей потери тепла от рабочих нагревателей 8). В составе измерительных трубок второго типа установлен дополнительный датчик температуры 12, служащий для измерения температуры стенки тс=т(1Мт) центральной трубки в конце теплообменного участка. Измерительные трубки третьего типа предназначены для измерения ТФХ без внедрения датчиков температуры внутрь

потока исследуемой жидкости. В этом случае экспериментальная информация снимается с термометров сопротивления 10(rk1) и 11(rk2), размещенных между витками электронагревателя 8 на участках с координатами [£,,1^] и • Остальные обозначения

совпадают с приведенными на рис.1а.

Измерительные операции осуществляют в основном в следующем порядке: 1). исследуемую жидкость А, подогретую до необходимой начальной температуры т , пропускают через измерительные трубки; 2) изотермические участки длиной гиз измерительных трубок второго и третьего типа обогревают путем пропускания через теплообменники 2 жидкости-теплоносителя В, температура которой тв равна начальной температуре тн исследуемой жидкости; 3) теплооб-менные участки длиной ij., предназначенные для проведения измерений-Т^ФХ, обогревают электронагревателями 8; 4) после достижения установившегося теплового режима работы: а) в случае измерительной трубки 2 типа измеряют значения температур тн, т , тс и тепловой поток qc, подводимый от. электронагревателя 8 к исследуемой жидкости; б) в случае измерительной трубки 3 типа измеряют среднеинтегральные значения Tt и т2 температуры стенки трубки на участках t^»^], [?2,l2] и тепловой поток qc; в) в случае измерительной трубки 4 типа измеряют величины т , тк и qc; 5) одновременно измеряют величину расхода g исследуемой жидкости через Трубку; при необходимости измерения комплексных теп-лофизических параметров ц-а или с-р/и вместо расхода g измеряют перепад давления лр на участке центральной трубки 1 длиной ь,-6) ТФХ вычисляют по приведенным ниже расчетным зависимостям.

Стационарное' температурное поле T(r,z) установившегося ламинарного потока исследуемой жидкости в пределах теплообмен-ного участка измерительных трубок второго и третьего типа (рис.1 б,в) в случае, когда расход g исследуемой жидкости поддерживается постоянным, моделируется следующей краевой задачей: 2д г г г -v^ aT(r,z) = ^ £ э_ f эт(г,г) "1 nR2 L I R J J sz г й L az J

z>0, 0<r<R, a =X/c-p = const, /3.1/

T(r,0)=TH= const, 3T(0,z)/3r = 0, X-aT(R,z)/3r = qc= const. : Из постановки задачи /3.1/ видно, что в случае использования измерительных трубок второго и третьего типа появляется возмок-

ность измерять не только коэффициент температуропроводности а, но и теплопроводность а, а с учетом соотношения ср=\/а определять также и величину объемной теплоемкости ср.

В случае, когда на участке длиной ь центральной трубки, 1 измерительных трубок второго и третьего типа (рис.1 <5,в ) поддерживается постоянный перепад давления др=сопз^ температурное поле т(г,г) ламинарного потока исследуемой жидкости моделируется краевой задачей;

rap г г г -|гт sT(r,z) _ 1 а Г ат(г,г) 1 L .1 r J J sz U a r 3r L 8r J '

4l

z>0 , 0<r<R, fi-a= const, /3.2/

T(r,0)=T= const, 3T(0,z)/3r = 0, A-5T(R,z)/dr = q = const, н . с

Из постановки задачи /3.2/ видно, -что: в этом случае можно измерить значения теплопроводности а и комплексного тепло-физического параметра ц-а.

Если контроль ТФХ жидкости . проводится с использованием измерительной трубки второго типа (рис.1 б), то искомые ТФХ {а,х,ц-а) вычисляют по формулам, приведенным в первой части Таблицы 2. В эти формулы входит величина п=(тс-т,) / (т,-тн), представляющая собой отношение. разности (т -т ) между температурой tc=t(R,«t) стенки трубки и среднемассовой температурой tr исследуемой жидкости в конце теплообменного участка к разности (т^-т ) межйу среднемассовыми температурами тк и тн исследуемой жидкости в конце и в начале теплообменного участка измерительной трубки второго типа.

Если контроль ТФХ жидкости проводится с использованием измерительной трубки третьего типа (рис.1 в), то в процессе эксперимента измеряют среднеинтегральные значения температуры стенки теплообменного участка центральной трубки на двух отрезках и [i2,L2]:

L, L, If 1 Г

т,=——■ J [T(R,z)-TH]dz, T2=-—- J [T(R,Z)-TH]dz.

I 2~2 . r . . . '

. , - 1 J ' 2 •'".'■!

С учетом измеренных значений' физических' величин qc, g, др и безразмерной величины /?=т^ , представляющей собой отношение

измеренных среднеинтегральных значений температур т2 и на Отрезках (¿г, L2] И [«,, L¡], ИСКОМЫе ТФХ (а,\,ц-а) вычисляют с использованием расчетных зависимостей, приведенных во второй части Таблицы 2.

Отметим,что функции f_,(fi), f3(fi), Ф(/з), ^(/з), F(/3), f^p), входящие в расчетные зависимости Таблицы 2, были определены с использованием решений краевых задач /3.1/ и /3.2/, представляющих собой математические модели рассматриваемых методов и измерительных трубок второго и третьего типа.

В процессе анализа расчетных зависимостей Таблицы 2 были получены математические модели случайных погрешностей &а, s\, sua измерения коэффициента температуропроводности а, теплопроводности х и комплексного теплофизического параметра и-а. С учетом экспериментально определенных зависимостей систематических погрешностей са, ел, сда, были расчитаны зависимости суммарных погрешностей измерений j s , £ =]5я+с\ ' I =J5ya+cZa

а \ ца

коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и комплексного теплофизического параметра, представление на рис.2 б,в.

Если допустимой величиной суммарных погрешностей измерений в случае использования измерительных трубок второго типа является величина 5% (см.рис.2 б), то приемлемая точность измерений получается при 0,42<гк1,7. При необходимости уменьшить величину и продолжительность теплового воздействия на исследуемую жидкость (например, при исследовании микробиологических технологических процессов) эксперимент желательно вести при значениях безразмерного параметра п из диапазона 1,0<п<1,7.

Если допустимой величиной суммарных погрешностей измерений в случае использования измерительных трубок третьего типа" является величина 7...8%, то приемлемая точность измерений получается (см. рис.2 в) при 2,05<р<2,25. При необходимости уменьшить величину и продолжительность теплового воздействия на исследуемую жидкость, измерения следует вести при значениях безразмерного параметра /з из диапазона 2,05<(3<2,15.

Для автоматического поддержания безразмерных величин п=(т -т ) / (т-т ) и /з=т/г близкими к оптимальным значениям

С К К н ¿ 1

попт и./зопт, в случае измерительных трубок второго и третьего типа в качестве регулирующего воздействия следует использовать

изменение расхода д или перепада давления др. В диссертации приведены схемы установок с отрицательными обратными связями, охватывающими измерительные трубки второго и третьего типа и позволяющими уменьшить погрешности измерения искомых ТФХ (а,\,уа) за счет автоматического изменения расхода д исследуемой жидкости или перепада давления др с целью поддержания

Таблица 2. Расчетные зависимости для вычисления ТФХ жидкостей по экспериментальной информации, полученной с использованием измерительных трубок второго, третьего и четвертого типа.

N Расчетые формулы Оценки погрешностей Область применения оценок погрешностей

расчетные экспериментальные

1 2д а—- * (в), я(т з 2дсК Тс~\ 2 шт 3 6а=5... 15 % 5Х=5...8% 5да=6..15% 5а=4... 5 % вл=3...5% 5 да=5 ...6 % 5а=3...5 % 5Л=3...5% 5^а=4. .6% с=1___8% П>1 .7 ;П<0 .42 ; 0.42<П<1.7 0.2<П<1.7

2 2д 2д а=_~ $ (3)=__ Ф(/3>, л Ь 1 пЬ 1 г А=2ЧСК Р1(э)/т1 = ¿ю=К4ДР Ф1((3)/4ЬТ] = =Й4ДР Ф((?)/4ЬТ2. 6а=8... 15% 5Х=7...15% 6ца=9..15% 8а=7...8% 5А=6...7% 1ца=8...9% 5а=6...8% гл=5...7% Зца=7..9% с=1...8% р<2.05;Э>2.25; 2.05<э<2.25 1.8<(3<2.6

3 ср=2пкгтдс/д(Тк-Тн) Ср 1С Ц К3ДР(ТГТН) срд(т,-тн)-271!«тчс - пкг1 <5ср«3 . . .5% ср г— «4..6% ц вях5...7% 6ср=3...5% 5— «4..6% Д ги«5...7% тк"тос<10°с

безразмерных величин п=пппт и /з=р

На основании 'уравнений теплового баланса, записанных для измерительных трубок четвертого типа, получены расчетные зависимости для вычисления объемной теплоемкости с-р, объемной плотности w внутренних источников тепла, действующих в исследуемой жидкости, и комплексного теплофизического параметра с-р/д. Эти зависимости приведены в третьей строке Таблицы 2.

В. приложении к диссертации приведены,сведения о методиках обработки экспериментальной информааии, позволяющих вычислять значения ТФХ жидкостей с действующими в них внутренними источниками тепла, а также о методике вычисления ТФХ неньютоновских жидкостей, течение которых подчиняется степенному закону.

В_ четвертой главе рассматриваются теоретические основы метода и устройства для измерения ТФХ при безнапорном сдвиговом ламинарном течении исследуемой жидкости в зазоре между двумя коаксиально установленными цилиндрами, внешний из которых вращается с постоянной угловой скоростью.

При сдвиговом течении полимеров происходит ориентация молекул в направлении течения. При этом изотропный коэффициент теплопроводности \ превращается в тензор теплопроводности л с компонентами

л=

юр ЮГ шх Агр гг Лгх Хх<р Лхг лхх

где х -компонент тензора теплопроводности, определяющий основную часть кондуктивного переноса тепла вдоль первой оси координат, совпадающей с направлением течения; \гг,¡^-компоненты тензора теплопроводности, определяющие кондуктивный перенос тепла в направлении второй и третьей оси координат; х =л._ .л =х ,л =

ц/^ \1/ ШХ лШ х л

лхг~внедиатональные компоненты тензора теплопроводности. Аналогично вводится в рассмотрение тензор температуропроводности д.

Рассматриваемые в данной главе метод и устройство позволяют осуществлять экспериментальное исследование зависимости вторых диагональных компонентов хгг, агг тензоров теплопроводности л и температуропроводности а.

Измерительное устройство (рис.3) выполнено на основе, двух коаксиально расположенных цилиндров В и Н. Внутренний цилиндр В изготовлен из материалов с известными ТФХ и состоит из слоев 1,2,3. Внешний цилиндр Н способен вращаться с угловой скоростью и, его температура поддерживается постоянной и равной 1=^=0. В зазоре между цилиндрами В и Н находится слой 4 исследуемой жид-

кости, Между слоями 1 и 2 в коаксиальном цилиндрическом сечении внутреннего цилиндра размещен электронагреватель 5, протяженность которого ь=100 мм, и термометр сопротивления 6 высотой г=60 мм,навитый между витками электронагревателя 5. Наружный подвижный цилиндр Н с внутренним радиусом r4 имеет термоста-тирующую водяную рубашку 7, в которую помешен термометр сопротивления 8. Термометры сопротивления 6, 8

и манганиновые сопротивления r1 , r2 включены в мостовую измерительную схему, выходной сигнал и которой - пропорционален разности между температурой ,г) внутреннего цилиндра В в сечении радиуса r=R и температурой t наружного цилиндра Н.

Порядок проведения измерительных операций иллюстрируется рис.4 и заключается в следующем. На первом подготовительном этапе в зазор между цилиндрами В и Н помещают исследуемую жидкость и подают теплоноситетель из термо-

Рис.3. Физическая модель изме-стата в водяную Рубашку 7- Подго" рительного устройства пятого товительный этап считается закон-

типа- ченным когда температура t^R^r)

в сечении r=Rt уравняется с температурой термостатируюшей

жидкости t(R,T)=t= 0, условно принимаемой в каждом экспери-

4 4 О

менте за начало отсчета температуры. На втором этапе наружний цилиндр Н приводят во вращение с заданной угловой скоростью и и через равные промежутки времени с помощью мостовой схемы измеряют разность температур ei(R1,r)= t (R ,-c)-tQ. Второй этап заканчивается когда будет достигнуто постоянное значение температур вю=в (R ,«>) = const. На третьем этапе эксперимента подают электрическую мощность на нагреватель 5 и через равные промежутки времени регистрируют значения разностей температур т^н ,T)=t (R ,т)- ва. Эксперимент заканчивают в момент времени, когда разность температур ti<ri,o>)= ти= const станет постоянной. После окончания третьего этапа по зарегистрированным значениям

ХаЛГКГ

разностей температур в (и ,т) и т^^.г) с учетом измеренного значения удельной мощности ц электронагревателя 5 и известных геометрических размеров й.,, из, ^ вычисляют искомые ТФХ исследуемой жидкости.

Рис.4. Изменения температур в сечении г=н в процессе трех этапов эксперимента: 1,11,111- первый, второй и третий этапы эксперимента

Математическая модель температурного поля рассматриваемого измерительного устройства (рис.3) имеет вид:

} , Осг^ , т >0 , /4.1/ J , Н1<г<Ег , х >0 , /4.2/ J , Я2<г<К3 , х >0 , /4.3/

/4.4/

3 °хРх (И4 -Из) г X > 0 ,

а^ (г,х) 1 81 г (г,х)

Эх С1Р1 г аг 1 эх

8Ьг{г,х) 1 9 1 аьг (г,г)

ах сгРг г аг 1 Зх

вtз(r/x) 1 9 1 1г atз(r/x)

аг сзРз г аг 1 Эх

(г,х) Хгг 1 3 I Г Г ■э*4(г,х)

аг °хРх Г аг 1 1 ах

< Г < И,

э^(0,х) аг

= 0 ,

(И,- г) аt2(нí,x)

-\г-

аг аг

эъг х) ЭЬ3(Кг/X)

аг 3 а г

ЭЪт (Кч. х) а^(к3,х)

аг ГГ дг

=Ч(х).

Ц(К1(Х)=^(К1(Х) , Л!

^г (^2' ^) »

^з (Из?х) =1:4 (1*3, т), \3

М^.т) =Ъо= 0 ,

Мг,0) = 1:г(г,0) = tз(r,0) = ^4(г,0) =10= 0 ,

где Л - температуры 1,2,3 и 4 слоев; г,х- радиальная координата и время; х1,Аг,хз,с1р1,с2р2,сзрз - теплопроводность и объемная теплоемкость 1, 2 и 3 слоев внутреннего цилиндра В;

/4.5/

/4.6/

/4.7/

/4.8/ /4.9/ /4.10/

схрх,д- объемная теплоемкость и динамическая вязкость исследуемой жидкости; и - частота вращения наружного цилиндра; q- удельная мощность нагревателя 5; R,.R2»R3- внешние радиусы 1,2 и 3 слоев внутреннего цилиндра В; r- внутренний радиус наружного цилиндра Н.

Решение краевой задачи /4.1/-/4.10/ было представлено в виде = Tj (г,г) + ел(г,т), j=l ,2,3,4, где е^г,т) - решение задачи /4.1/-/4.10/ при q(r)=0 и ы*0, определяющее закономерности изменения температуры на втором этапе эксперимента; т (г,т)-решение задачи /4.1/-/4.10/ при q(r)*0 и и=0, описывающее закономерности изменения температуры на третьем этапе эксперимента. С использованием интегрального преобразования Лапласа

00 СО

т*(х,р)=|т (r,r)exp(-pr)dr, 3=1,2,3,4, II q*(p) = Jq(r) exp(-pr)dr о о

в результате решения задачи /4.1/-/4.10/ для функций т(г,т), j=l,2,3,4, (при q(x)#0 и w=0) были получены расчетные зависимос-

™ <*гг = *ггЛхРх= pR'/q^ , /4.11/

Arr= ?[Р,дх,Т*(^,Р1) , Г* (Rt, Р2) ( q'fp,), q*(p2)...], /4.12/

позволяющие вычислять вторые диагональные компоненты л и а

гг гг

тензоров теплопроводности л и температуропроводности а по временным интегральным характеристикам

со га

T.'ÎR,,р ) = Гт (R ,т)ехр(-р T)dT, q*(p) = fq(T) exp (-р т ) dr, m=l,2,

llinjli m J 1,1

О 0

расчитанным на основе экспериментально измеренных функций t^r ,г) и q (г) при двух значениях pm (т=1,2) параметра преобразования Лапласа, равных р]# р2=^р, и отличающихся друг от друга в к раз (к>1). В расчетные зависимости /4.11/, /4.12/ входит величина дх, вычисляемая в процессе решения системы уравнений, формируемой по значениям экспериментально определенных временных интегральных характеристик t*(r ,р ), q*(p), (m=l,2).

1 1 m m

Аналогично, с использованием интегрального преобразования Лапласа m

ej(r,p) =|е^г,тг) exp(-рт)dt, 3=1,2,3,4,

о

в результате решения краевой задачи /4.1/-/4.10/ для функций

з=1,2,3,4, (при я(г)= 0 и да 0) была получена зависимость 2 22

*гг «г^ ,<К'г~4*3>4 М /4-26/

4 и к; 1*3

для вычисления динамической вязкости д исследуемой жидкости. В эту зависимость входит значение величины м, определяемой в процессе решения системы уравнений, формируемой по значению временной интегральной характеристики

еЧ^.Р) =|е](Е1,т) ехр(-рг)<1т,

экспериментально измеренной функции е^и ,т).

Кроме того, получены вспомогательные расчетные соотношения, позволяющие вычислять х и комплексный теплофизический параметр

гг

ц/х , представляющий собой отношение коэффициента динамической / гг

вязкости и ко второму диагональному компоненту -а тензора теплопроводности, по стационарным разностям температур ва и т , измеренным в конце второго и третьего этапов эксперимента.

В конце главы приведены сведения о составе и алгоритме функционирования АСНИ ТФХ, предназначенной для исследования зависимости вторых диагональных компонентов1 х' г • и "а^ тензоров теплопроводности и температуропроводности от скорости сдвига.

В приложении к диссертации приведено обоснование математической модели /4.1/-/4.10/ температурного поля рассматриваемого в данной главе измерительного устройства 5 типа.

Пятая глава посвящена, анализу источников погрешностей при определении ТФХ жидкостей с применением разработанных методов.

Обсуждаются источники погрешностей при измерении ТФХ с использованием проточных измерительных трубок 1,2,3 и 4 типа: а) наличие незначительной нестационарности тепловых процессов; в измерительных трубках; б) неучет теплового потока вдоль оси измерительных трубок, обусловленного теплопроводностью исследуемой жидкости; в) влияние термического сопротивления стенки трубки; г) погрешности измерения температур, тепловых потоков и перепадов давления; д) погрешности определения геометрических размеров трубок; а) погрешности расчетных формул, обусловленные усечением рядов Фурье до конечного числа членов; ж) возникновение перемежающейся турбулентности при приближении к критическому

значению числа Рейнольдса,- з) искажение профиля скорости течения из-за зависимости вязкости и плотности исследуемой жидкости от температуры, наиболее заметное при малых значениях числа Рейнольдса.

Рассматриваются источники погрешностей измерения ТФХ жидкостей с использованием измерительного устройства пятого типа: а) появление радиальной и аксиальной составляющих вектора скорости течения исследуемой жидкости на краях зазора между цилиндрами В и Н; б) нарушение одномерности температурного поля вблизи торцов цилиндров В и Н; в) отклонение реального распределения по радиусу зазора между цилиндрами плотности внутренних источников тепла, обусловленных вязким трением, от принятого при выводе математической модели /4.1/-/4.10/; г) возможность появления термических сопротивлений на цилиндрических поверхностях контакта при г=к1( г=1*2, г=кэ, и г=н4 (рис.3); д) влияние термического сопротивления стенки наружного цилиндра Н; е) опасность возникновения вихрей Тейлора, искажающих процессы теплопереноса в исследуемой жидкости в зазоре между цилиндрами В и Н; ж) влияние механических вибраций; з) погрешности измерения температуры и удельной мощности нагревателя в сечении г=Н!; и) погрешности определения ТФХ материалов, использованных при изготовлении внутреннего цилиндра В; к) погрешности определения геометрических размеров измерительного устройства.

В процессе анализа даются рекомендации по осуществлению измерительных операций и по конструированию измерительных устройств, способствующие уменьшению вклада обсуждаемых источников погрешностей в результирующую суммарную погрешность измерения ТФХ.

В шестой главе рассмотрены состав экспериментальных установок и конструкции измерительных устройств.

Экспериментальная установка для измерения ТФХ жидкостей с использованием проточных измерительных трубок 1,2,3, и 4 типа включает в себя: 1) гидравлический блок, служащий: а) для проведения химических, физических или микробиологических превращений исследуемой жидкости; б) для задания необходимой начальной температуры исследуемой жидкости; в) для прокачивания исследуемой жидкости через трубки; г) для термостатирования изотермических и теплообменных участков измерительных трубок; 2) блок измерительных трубок; 3) расходомер; 1) блок управления, измерения и обра-

ботки экспериментальной информации, включающий в свой состав измерительные приборы, блоки питания, микропроцессорные блоки и персональный компьютер типа 1бм-рс/ат с интерфейсами ввода-вывода информации.

Подробно рассмотрены конструкции и в таблицах представлены основные конструктивные параметры измерительных трубок первого, второго, третьего и четвертого типа. В приложении приведены сведения о конструкции и принципе действия измерителей среднемассо-вой температуры исследуемых жидкостей. ■ Описаны устройство и работа трех вариантов гидравлического блока, принцип действия и устройство расходомеров, состав и работа блока управления, измерения и обработки экспериментальной информации, выполненного на основе микропроцессорной измерительно-вычислительной системы.

Экспериментальная установка для измерения зависимости ТФХ жидкостей от скорости сдвига включает в свой состав: 'измерительное устройство пятого типа; 2) персональный компьютер типа 1ВМ-РС/АТ, укомплектованный аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователями; 3) блок сопряжения измерительного устройства с персональным компьютером; 4) систему привода во вращение наружнего цилиндра измерительного устройства; 5) систему термостатирования,- 6) блоки питания; Подробно рассмотрена конструкция измерительного устройства пятого типа, выполненного в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, внешний из которых может вращаться с заданной скоростью. Приведены основные конструктивные размеры этого измерительного устройства. В приложении приведены описания блока сопряжения измерительного устройства пятого типа с персональным компьютером и системы привода во вращение наружного цилиндра измерительного устройства.

В. седьмой главе обсуждаются результаты расчетной и экспериментальной оценки погрешностей измерения ТФХ жидкостей с использованием разработанных методов и устройств.

Результаты расчетной оценки погрешностей измерения ТФХ жидкостей с использованием проточных измерительных трубок 1,2,3 и 4 типа приведены- в третьих столбцах таблиц 1 и 2. В процессе этой работы были получены математические модели погрешностей, описывающие зависимость относительных погрешностей измерения искомых ТФХ от погрешностей непосредственно измеряемых физических величин (температур, тепловых потоков, расхода, геометрических размеров и др.). Достоинством этих математических моделей

погрешностей является то, что в них в качестве параметров входят

безразмерные ' величины в=(т -т )/(т -т ), п=(т -т )/(т -т ) и

КС' НС с к к н

(3=т2/т1 (соответственно для измерительных трубок первого, второго и третьего типа), значения которых легко могут контролироваться в процессе эксперимента. Проведенные исследования показали, что погрешности измерения искомых ТФХ зависят от

значений безразмерных параметров е, п и р (см.рис.2). На основе этих зависимостей были разработаны алгоритмы управления позволяющие в зависимости от фактических значений контролируемых величин е, п и /з изменять режимные параметры (расход исследуемой жидкости, перепад давления, длину I теплообменного участка измерительной трубки) процесса измерения с целью получения минимальных погрешностей измерения искомых ТФХ жидкостей.

На этапе расчетной оценки погрешностей измерения ТФХ жидкостей с применением метода, разработанного в четвертой главе, поступали следующим образом. С использованием программы для численного решения краевой задачи /4Л/-/4.10/, для заданных значений ТФХ а. =х_,а =а„, ц=ц„ были вычислены значения функций

ГГ О ГГ О

ь (и , х), в (и.,г), т (Е,т), описывающие изменения темпера-1р 1 1р 1 1р 1

тур в сечении в зависимости от времени т. Полученные в

результате численного эксперимента функции е (^»т), ^ (я1,х) после округления до двух-трех значащих цифр обрабатывали по программе, предназначенной для обработки экспериментальных данных. Вычисленные значения л ,а ,ц сравнивали с заданными зна-

ГГ ГГ

чениями х„, а , д0, а в качестве расчетных оценок относительных

<3 о «3

погрешностей измерений принимали

X -А3 аг -а3 5Х =—--100%, 5а =—--100%, 3„=--100%.

гг Х3 гг а3 д3

На этом этапе исследований выяснилось, что результаты обработки информации зависят от - значений - ' параметров' рг=р ' и рг=кр преобразования Лапласса. В результате численных экспериментов было установлено, что относительные погрешности вычисления зл ,

гг

5а не превышают 5% при 0,0003<р<0,0011, 10<к<15.

гг

После изготовления экспериментальных установок была выполнена работа по измерению ТФХ воды, толуола, бензола, этилового

спирта и глицерина с целью получения экспериментальных оценок случайных и систематических погрешностей измерений разработанных методов и измерительных устройств.

Экспериментальные оценки случайных погрешностей 6 5 5

а' А' ср

измерения коэффициента температуропроводности а, теплопроводности л, и объемной теплоемкости ср с использованием измерительных трубок 1,2,3 и 4 типа приведены в четвертых столбцах таблиц 1 и 2. По результатам измерений ТФХ эталонных жидкостей (дистиллированной воды, толуола, бензола и глицерина) были определены зависимости систематических погрешностей с измерения коэффициента температуропроводности а и теплопроводности л от безразмерных

величин в, п и е соответственно для измерительных трубок первого, второго, и третьего типа, приведенные на рис.5. Эти зависимости являются основой разработанных алгоритмов введения поправок в результаты экспериментов, позволяющих уменьшить результирующие погрешности измерения искомых ТФХ исследуемых жидкостей. Для измерительных трубок четвертого типа

52.

-л

/О о Ч О ?

^еф)

/ У

\ 7щ

у \

4

Рис.5. Зависимости систематических погрешностей измерений с (в) С (а) и С(Р) для измерительных трубок 1 типа (а), 2 и 3 типа (б) .

получены зависимости систематических погрешностей измерений объемной теплоемкости от разности tk-tqc между температурой т исследуемой жидкости в конце измерительной трубки и температурой тос окРУ*ающей среды. Эти систематические погрешности легко устраняются за счет стабилизации температуры окружающего воздуха.

Экспериментальную оценку погрешностей измерения коэффициента температуропроводности и теплопроводности с использованием устройства, пятого типа производили путем измерения ТФХ дистиллированной воды,-этилового спирта (96%) и глицерина. По результатам экспериментов был разработан алгоритм введения поправок, позволяющий уменьшить систематические погрешности измерения ТФХ исследуемых жидкостей. Полученные экспериментальные оценки случайных относительных погрешностей измерений ТФХ свидетельствует

о том, что их величина-не превышает 2%. Это свидетельствует о том, что в рабочем диапазоне скоростей сдвига 0<т<30 в слое исследуемой жидкости отсутствует конвективный теплоперенос из-за вибраций,, биения наружного цилиндра относительно оси вращения или из-за возникновения вихрей Тейлора.

Для ряда экспериментально измеренных температурных кривых е1Э(н ,т) ,т (5^,1:), представляющих собой изменения во времени температуры внутреннего цилиндра в сечении г=к при измерении ТФХ воды, спирта и глицерина, была выполнена работа с целью определения значений параметров р^р и Р2=кр преобразования Лапласа, обеспечивающих наименьшие значения погрешностей определения ТФХ жидкостей. В результате в плоскости параметров р и к были построены линии равных уровней ■погрешностей определения коэффициента температуропроводности а -и теплопроводности ,л, позволившие выбрать конкретные значения р=0,0005 и к=12, обеспечивающие наименьшие погрешности измерения искомых ТФХ исследуемых жидкостей.

В_ восьмой главе приведены результаты экспериментального измерения ТФХ жидкостей с применением разработанных методов и устройств, а также результаты применения этих методов и устройств для контроля изменений ТФХ жидкостей в ходе научного эксперимента или реального технологического процесса.

Измерения зависимости ТФХ водных растворов ацетопропилового спирта (рис.ба) от относительной массовой концентрации х производили с использованием измерительных трубок 2 и 4 типа. Зависимость ТФХ сточных вод Тамбовского аграрно-промышленного объединения от температуры (рис.66) определяли с применением измерительных трубок 1 и 4 типа. Зависимости вторых диагональных компонентов лгг (у),агг (г) тензоров теплопроводности и температуропроводности от скорости сдвига ц (рис.бв) эпоксидной смолы, каучука и 7.5% раствора полиоксиэтилена в воде, были получены с применением измерительного устройства 5 типа. Предложенный метод контроля концентрации растворов сахара основан на использовании измерительной трубки 3 типа, зависимость показаний" которой ;от плотности контролируемого раствора приведена на -рис.6г. Метод контроля микробиологического процесса ферментации мелассы предполагает использование измерительной трубки первого типа. Графики изменения комплексного теплофизического параметра ц-а, коэффициента температуропроводности а, плотности р и расхода д

контролируемого раствора мелассы через измерительную трубку в ходе процесса ферментации приведены на рис.бд. Результаты контроля ТФХ растворов форполимера полиметилметакрилата в метил-метакрилате, полученные в ходе научного эксперимента с применением измерительных трубок 1 и 4 '

М- 05

^иИ .30 -Ш 50 ¿0 10

/

/I

, доо. 1,сь

Иг

(М

0£51

106

С56 И •

щ у —44

X

а. / : у

•10

15

-0,1 41

Рис.6. Результаты применения разработанных методов и устройств для измерения и контроля ТФХ жидкостей, типа, показаны на рис.бе. Экспериментально обнаруженный эффект существенного изменения^усдовий,.теплообмена ■ • В/: потоке жидкости при переходе , ^амцнарного режима -, течения в- турбулентный , был

положен в основу метода измерения вязкости жидкостей. Метод предусматривает измерение значения расхода дКр, соответствующего переходу ламинарного режима течения в турбулентный, и вычисление кинематической вязкости V по формуле 1>=к-дкр, где к=4/(тг<акеКр) -постоянный коэффициент, а - внутренний диаметр трубки; Кекр~2000- критическое значение числа Рейнольдса. Экспериментально обнаруженный эффект изменения процессов теплообмена в ламинарном потоке жидкости при попадании в него мелких пузырьков газа был положен в основу метода и устройства для контроля момента окончания реакции диазотирования, лежащей в основе большинства технологических процессов производства азопигментов.

Результаты исследований были переданы для использования промышленным предприятиям и научно-исследовательским учреждениям. Суммарный экономический эффект превышает 20 млн. рублей.

В. приложении приведены аналитические и численные методы решения прямых задач о расчете теплопереноса в ламинарных потоках жидкостей. Эти решения были использованы при разработке теоретических основ рассматриваемых методов и измерительных устройств 1,2,3,4 и 5 типа, а также при разработке метода расчета квазиизотермического трубчатого реактора и метода выбора оптимальных режимных параметров технологического процесса экструзионного формования заготовок резиновых изделий. Приведены сведения об АСНИ, предназначенной для измерения ТФХ неподвижных жидкостей методом плоского горизонтального слоя. Обсуждаются результаты теоретических и экспериментальных исследований, дополняющих и обосновывающих содержание основных глав диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Сформулированы требования к методам и устройствам для измерения - эффективных ТФХ потоков технологических жидкостей. Установлено, что наиболее подходящими для измерения эффективных ТФХ потоков жидкостей, а также для исследования зависимости ТФХ жидкостей от скорости сдвига, являются методы ламинарного режима и основанные на них измерительные устройства.

2. Разработаны математические модели новых методов, основанных на закономерностях теплопереноса в ламинарных потоках жидкостей при течении в измерительных трубках, теплообменные участки которых поддерживают при постоянной температуре или обогревают с помошью электронагревателей.

3. Разработана математическая модель метода и устройства

для исследования зависимости от скорости сдвига теплопроводности и коэффициента температуропроводности высоковязких жидкостей.

4. Приведен подробный анализ источников погрешностей при измерении ТФХ жидкостей с использованием разработанных методов. Даны рекомендации по конструированию измерительных устройств.

5. Разработаны конструкции пяти типов измерительных устройств, создано техническое, алгоритмическое, программное и метрологическое обеспечение АСНИ ТФХ потоков жидкостей.

6. На основе предложенных математических моделей поставлены и решены задачи об определении оптимальных режимных и конструктивных параметров разработанных методов и измерительных устройств. Определены оптимальные значения параметров алгоритмов обработки экспериментальных данных при исследовании зависимости ТФХ жидкостей от скорости сдвига.

7. Приведены результаты экспериментальной оценки погрешностей измерения ТФХ жидкостей с использованием разработанных методов и измерительных устройств. Предложены алгоритмы введения поправок в результаты измерения ТФХ жидкостей, позволяющие уменьшить вклад систематических погрешностей в суммарную величину относительных погрешностей измерений на 3...5%.

8. Разработанные методы и устройства были использованы для исследования ТФХ ряда технологических жидкостей.

9. Результаты исследования зависимости вторых диагональных компонентов тензоров теплопроводности и температуропроводности эпоксидной смолы, каучука "Структурой" и 7,5% раствора полиоксиэтилена в воде свидетельствуют о том, что при математическом моделировании теплопереноса в ламинарных потоках вязко-эластичных жидкостей следует использовать тензорную запись уравнения энергии; - ■■

10. Результаты выполненных исследований бьли использованы при разработке: а) метода и устройства для контроля ТФХ растворов форполимера полиметилметакрилата в метилметакрилате в ходе научного эксперимента; б) метода и устройства для контроля концентрации растворов сахара на выпарных установках; в) метода и устройства для контроля технологического процесса ферментации раствора мелассы; г) метода и устройства для измерения вязкости жидкости при переходе ламинарного режима течения в турбулентный; д) метода и устройства для контроля момента окончания реакции диазотирования.

11. Разработанные новые методы и устройства защищены 12 авторскими свидетельствами на изобретения.

12. . Экономический эффект от внедрения результатов выполненных исследований составляет более 20 млн. рублей. Материалы диссертации используются в учебных курсах Тамбовского государственного технического университета при обучении студентов специализации 21.03.17 "Автоматизация аналитического контроля технологических процессов и производств"

Основные материалы, отражающие содержание диссертационной работы, изложены в следующих публикациях:

1. Теплофизические измерения-. Справочное пособие по методам расчета полей, характеристик теплопереноса и автоматизации измерений/ Власов В.В., Шаталов Ю.С., Зотов E.H., Лабовская A.C., Мищенко C.B., Паньков А.К., Пономарев C.B. и др.- Тамбов: Изд. ВНИИРТМАШ, 1975.- 252 С.

2. Пономарев C.B., Дивин А.Г. Обзор методов и устройств для измерения теплофизических свойств жидкостей при ламинарном режиме течения.- Леп. ВИНИТИ 26.07.90 г., N 4265- В90,- 43 с.

3. Применение функций Грина к расчету температурных полей в ламинарных потоках жидкостей / Власов В.В., Кулаков М.В., Пономарев C.B., Журба A.M.// Теоретические основы химической технологии,- 1975.- т.гх.- n5.~ С.717-722.

4. Алгоритм решения задач Штурма-Мутят методом Ритца / Власов В.В., Горин В.А., Писецкий А.Ф., Пономарев C.B.// Математическое обеспечение ЭВМ. Сборник алгоритмов n2.- M.: МИХМ, 1975,- С.115.

5. A.C. 463049 СССР, МКИ gOI п 25/18. Способ измерения температуропроводности жидкости / Власов В.В., Кулаков М.В., Пономарев C.B.// B.M.n9.- 1975,- 2 с.

6. А.С.495593 СССР, МКИ g0 1 п 25/18. Способ определения температуропроводности жидкости / Власов В.В., Кулаков М.В., Пономарев C.B. и др.// Б.И. N46,- 1975.- 2 с.

7. А.С.518694 СССР, МКИ gOI п 11/00. Способ измерения вязкости жидкости / Власов В.В..Кулаков М.В.,Пономарев C.B. и др.// Б.И. N23,- 1976.- 2 с.

8. A.C. 560172 СССР, MM gOI п 25/18. Способ определения теплофизических свойств движущейся жидкости / Власов В.В., Кулаков М.В..Пономарев C.B. и др.// Б.И. N20.- 1977,- 5 с.

9. A.C. 1223110 СССР, МКИ GO 1 п 25/18. Способ определения температуропроводности жидкости / Пономарев C.B., Епифанов Л.И., Шуваев Э.А. и др // Б.И. N13,- 1986.- 4с.

10. A.C. 1376022 СССР, МКИ gOI п 25/18. Способ автоматического определения температуропроводности жидкости / Пономарев C.B. ,Мишенко C.B.,Беляев П.С. и др. // Б.И. n7.~ 1988.- 4 с.

11. Макаров B.C., Капустин В.П., Пономарев C.B. Удельная теплоемкость жидкой фракции свиного навоза// Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1977. - N12,- С.121-122.

12. Макаров B.C., Наумова А.Я., Пономарев C.B. Измерения теплофизических свойств некоторых жидкостей методами ламинарного режима // Автоматизация и комплексная механизация химико-технологических процессов.- Ярославль, 1978,- С.81-87.

13. Метод контроля момента окончания реакции диазотирования / Власов В.В., Кулаков М.В., Пономарев C.B., Рязанцев В.Л.// Автоматизация и комплексная механизация химико-технологических

процессов,- Ярославль, 1978,- С.73-75.

Н. К вопросу о применении методов ламинарного режима для измерения теплофизических свойств жидкостей / Власов В.В., Кулаков М.В.,Пономарев C.B., Мишенко C.B. // vi Всесоюзная конференция по теплофизическим свойствам веществ, 27-29 ноября 1978г. - Минск: ИТМО, 1978,- С.79-80.

15. К. вопросу о непрерывном измерении теплофизических свойств неньютоновских жидкостей методом ламинарного режима / Власов В.В., Шаталов Ю.С., Пономарев C.B., Мищенко C.B.// Вторая конференция по дифференциальным уравнениям. Резюме докладов и сообщений.- Русе (Болгария), 1981,- с.26.

16. Пономарев C.B., Мищенко C.B., Беляев П.С. Алгоритм оптимального проектирования первичных преобразователей для измерения температуропроводности жидкости методом ламинарного режима / / Автоматизация и роботизация в химической промышленности. - Тамбов: ТИХМ, 1986,- С.218-219.

17. Мищенко C.B., Пономарев; C.B., Беляев П. С. Применение интегральных характеристик температуры для расчета теплофизических свойств жидких химикатов// Синтез и исследование эффективности химикатов для полимерных материалов. - Тамбов: НИИХИМПОЛИМЕР, 1986,- С.157-158.

18. Мишенко ; C.B., Чуриков A.A., Пономарев C.B. Автоматизированная система научных исследований теплофизических свойств готовых'изделий, твердых образцов и жидкостей// Тезисы докладов ■ Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства теплофизических измерений".- М., 1987.- Ч. 1,-С.60-61.

19. Пономарев C.B. Анализ источников систематических и случайных погрешностей при измерении теплофизических свойств жидкостей методом ламинарного режима// Новейшие исследования в области теплофизических свойств.- Тамбов, 1988,- С.110.

20. A.C. 1673940 СССР, МКИ gû1 п 25/18. Способ комплексного определения теплофизических свойств жидкости/ Пономарев C.B., Перов В.Н.// Б.И. N32.- 1991,- 4 с. , - '

21. A.C."1681217 СССР,.МКИ gOÎ п 25/18. Способ определения теплофизических свойств жидкости/ Пономарев C.B., Мищенко C.B., Герасимов Б.И. и др.// Б.И. N36.- 1991,- 4 с.

22. A.C. 1711054 СССР, МКИ gOJ п 25/18. Способ определения температуропроводности жидкости/ Пономарев C.B., Герасимов Б.И., Перов В.Н. // Б.И. N5. 1992,- 4 с.

23. A.C. 1820309 СССР, МКИ g01 п 25/18. Способ измерения теплофизических свойств жидкости/ Пономарев C.B., Мишенко C.B., Дивин А.Г., Чуриков A.A. // Б.И. N21.- 1993.- 7 с.

24. Метод расчета . поля температуры установившегося ламинарного потока жидкости / Власов В.В., Кулаков М.В., Пономарев C.B., Шаталов Ю.С. // Химическое машиностроение.-Вып.1.-М.: МИХМ, 1974. -С.121-122.

25. Власов В.В., Пономарев C.B., Шаталов Ю.С. Применение функций Грина к решению краевых задач теплопроводности движущихся сред // Тезисы к конференции по дифференциальным уравнениям и применениям. Болгарское математическое общество.-НРБ, гор.Русе, 1975г.- С.27.

26. A.C. 338789 СССР, МКИ gOI f 1/00. Датчик расхода жидкости / Пономарев C.B., Астахов А.Я.// Б.И. N16,- 1972,- 2 с.

27. A.C. 678332 СССР, МКИ gOI к 3/02. Устройство для измерения среднеинтетрального значения температуры среды / Власов В.В., Шаталов Ю.С., Трофимов A.B., Пономарев C.B. и др.// Б.И. N29,- 1979,- 3 с.

28. Пономарев C.B., Мищенко C.B., Дивин А. Г. Метод

идентификации теплофизических свойств жидкости // Термодинамика и теплофизические свойства вешеств. Сб. научн. тр. N206,- М.: МЭИ, 1989,- с.59-63.

29. Пономарев C.B., Ливии Л.Г. К вопросу о вычислении теплофизических .свойств жидкости // Теплофизика релаксирующих систем.- Тамбов, .1990,- С.65-66.

30. Mischenko S.V., Pononarev S.V. Laminar Operation Techniques and Measuring Devices for Thermophysical Liquid Properties // Eleventh Simposium on Thermophysical Properties. June 24-27, 1991. University of Colorado.- Boulder, Colorado, USA.- p. 169.

31,. Мищенко C.B., Пономарев,„C.B.;Автоматизированная система научных исследований теплофизических-свойств дисперсных сред.// Химическое и нефтяное машиностроение, - 1992,- Ni. - С".34-36. ' .

32. Пономарев C.B., Мищенко C.B., Дивин А.Г: Метод, устройство и автоматизированная система научных исследований' теплофизических свойств жидкостей при сдвиговом течении // Приборы и системы управления,- 1992,- N10,- С.18-19.

33. Пономарев C.B., Мищенко C.B., Ливин А.Г., Методика и автоматизированная аппаратура для исследования теплофизических свойств ламинарно текущих полимеров // Измерительная техника.-

1992.-Nil.- С.37-39.

34. Ponömarev S.v. MischenkoS.v., Divin a.g. Dependence of Polymer Material Heat Conductivity coefficient on Shear Rate Experimental Research // 13 European Conference on Thermophysical Properties. August 30 - September 3, 1993.-Lisboa, Portugal.- 1993.- PS 5-01.- P.483.

35. Ponomarev S.V., Mischenko S.V., Divin A.G. Laminar Rate Methods and Devices of Liquids Thermophysical Properties Measurement // 13 European Conference on Thermophysical Properties. August 30 - September 3, 1993.- Lisboa, Portugal.-

1993.- ps 6-22.- p.555-556.

36. Приборы контроля и управления влатаостно- тепловыми процессами: Справочная книга / Бородин И.Ф., Мищенко C.B., Пономарев C.B. к др.- И.: Россельхозиздат, 1985,- 240 с.

37. Расчет изотермического реактора с применением функции Грина / Журба A.M., Плановский А.Н., Березовский A.B., Власов В.В., Пономарев C.B. и др. // Теоретические основы химической технологии.-1974 - t.viii.- n6.- С.918-923.

38. Исследование переносных свойств веществ методом интегральных характеристик / Власов В.В., Шаталов Ю.С. Пономарев C.B. и др. // Инж.- Физ. журнал.- г.хL.- ыб,- 1981.- С.1100.

39.Метод идентификации коэффициентов температуропроводности и теплопроводности твердых материалов и жидкостей /Мищенко C.B., Пономарев C.B., Ливин А.Г., Мояеровский А.Г.// Автоматизация и роботизация в химической промышленности.- Тамбов: изд. ТИХМ, 1988.- С.50.

40. Пономарев C.B., Муталиев М.С. Влияние погрешностей определения коэффициента температуропроводности материалов на точность математического моделирования полей температуры (концентрации) плоских образцов // Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизированных производств.-Тамбов: изд. ТИХМ, 1989,- С.122.

41. Пономарев C.B., Ливин А.Г., Михайлов А.Б. Метод идентификации коэффициентов температуропроводности и теплопроводности жидкости // Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизированных производств,- Тамбов:

изд. ТИХМ, 1989,- С. 123.

42. Пономарев C.B. Метод вычисления теплофизических свойств -жидкостей по экспериментальной информации -// Разработка и внедрение вихревых электромагнитных аппаратов для интенсификации технологических процессов "АВС-89": Тезисы докладов х Всесоюзной научной конференции.- Тамбов: изд. ТИХМ, 1989,- С.36.

43. Мищенко C.B., Пономарев C.B. Выбор оптимальных режимных параметров при измерении теплофизических свойств жидкостей методом ламинарного режима // Теплофизические свойства веществ. Труды vin Всесоюзной конференции,- Ч.1.- Новосибирск: СО АН СССР, 1989,- С.282-286.

44. Влияние погрешностей задания теплофизических свойств материалов на погрешности расчета температурных полей плоских образцов / Мишенко C.B., Пономарев C.B., Епифанов В.Л., Кар-жауов Г.Ш.// Рукопись депонирована в ВИНИТИ 26.07.90, N4264-В90.- 24 с.

45. Мишенко C.B., Пономарев C.B. Автоматизированная система, научных исследований реотеплофизических свойств жидкостей // Реофизика и теплофизика неравновесных систем,- 4.1. Неравновесные процессы в гетерогенных средах.-. Минск: АНК ИТМО им. A.B. Лыкова АН БССР, 1991,- С.65-74.

46. Пономарев C.B., Мищенко C.B., Ливин А.Г. Методы и средства измерения теплофизических. свойств жидкостей при ламинарном течении // Теплофизическая конференция СНГ. Махачкала, 24-28 июня 1992 г.- Махачкала, 1992,- С.58.

47. Разработка автоматизированных систем научных исследований теплофизических свойств жидких, пастообразных, сыпучих и твердых материалов / Мищенко C.B., Пономарев C.B., Ливии А.Г., Григорьева C.B. // i научная конференция ТГТУ.- Тамбов: изд. ТГТУ, 1994,- С.5-7.

48. Методика введения поправки в результаты измерения теплофизических свойств / Пономарев C.B., ДивинА.Г., Романов Р.В., Щербаков A.B.// з научная конференция ТГТУ,- Тамбов: изд. ТГТУ, 1994,- С.59.

49. Мищенко C.B., Пономарев C.B. Разработка автоматизированной системы научных исследований и проектирования технологических процессов тепломассопереноса // Теор. основы хим. технол.- 1994.- т.8.- N6.- с.547-555.

50. Метод и устройство для измерения теплофизических свойств жидкостей / Пономарев C.B., Мищенко C.B., Дивин А.Г., Чуриков A.A. // Измерительная техника.-1994. -no 4. - С. 37-41.

51. Устройство для контроля концентраций сахарных растворов теплофизическим методом ламинарного режима / Пономарев C.B., Мищенко C.B., Жилкин В.М., Синельников A.B. // Измерительная техника., -1994.- no- 5. - С. 63-65.

• 52. Ponomarev S.V., Mishchenko S.V., Divin A.G. Method and Automated Equipment for Investigation of the Thermophysical Properties of Liquid Laminar Polymer Flows// Measurement Techniques - 1993. -Vol. 35. -No 11.- P.1300-1304.

Примечание.Термин "эффективные ТФХ" потоков технологических жидкостей используется по аналогии с понятием "эффективная теплопроводность", введенным академиком М.А. Михеевым для описания теплопереноса в тонких слоях газов и жидкостей. Слово "эффективные" в тексте в некоторых случаях опускается.