ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Испытания теплообменников из "Расчет и конструирование теплообменников" После ряда проектных разработок и предварительного выбора конструкции нового типа теплообменника, которая ляжет в основу создаваемого аппарата, инженер сталкивается с необходимостью принять трудное решение. Он знает, что существует некоторая неопределенность в значениях используемых в расчетах коэффициентов теплоотдачи и коэффициентов гидравлических потерь. С одной стороны, если исходить из наиболее неблагоприятного случая накапливания всех ошибок, иногда можно получить увеличение стоимости теплообменника на пятьдесят процентов с другой стороны, ошибочный выбор размеров приведет к неправильным характеристикам. Это может потребовать не только дополнительных расходов, но и ощутимо сказаться на показателях работы в целом всего предприятия, в схему которого он включен. Стоимость оборудования для испытаний, предназначенного для проведения всей программы экспериментов на больших аппаратах, может стать огромной. Только стоимость необходимого источника тепловой энергии может значительно превосходить стоимость теплообменника. К счастью, многочисленные эксперименты показали, что ряд важных испытаний может быть проведен на соответствующих уменьшенных моделях [1 — 4]. Действительно, часто на таких моделях удается провести более полные испытания, причем с существенно меньшими затратами, чем на натурных теплообменниках. Модели могут быть построены более быстро и в них легче внести в случае необходимости какие-либо изменения, тем самым можно сберечь много драгоценного времени. [c.310] Подобие при кипении и конденсации. Коэффициенты теплоотдачи при кипении жидкости и конденсации пара зависят от таких факторов, как теплота парообразования, смачивание, поверхностное натяжение и отношение плотностей паровой и жидкой фаз. Вследствие этих зависимостей при моделировании парогенераторов и конденсаторов с особой тщательностью необходимо подойти к замене одной рабочей жидкости другой. По крайней мере для обеих жидкостей должны быть приблизительно одинаковыми отношение удельных объемов паровой и жидкой фаз, характеристики смачиваемости, теплоты парообразования. [c.311] Выбор размеров модели. Как правило, в больших теплообменниках имеет место вынужденное конвективное течение обоих потоков теплоносителей. В большинстве теплообменников применяются матрицы из множества расположенных в определенном порядке трубок. Первый обычный шаг — уменьшение размера опытного аппарата путем выбора некоторого типичного для матрицы теплообменного аппарата трубного пучка. При равенстве чисел Рейнольдса, одинаковом распределении потоков и геометрическом подобии проходных сечений различие коэффициентов теплообмена для пучков с сотней или десятью тысячами трубок должно быть очень незначительным. Подобие геометрических размеров предполагает, что все размеры в сечении могут быть уменьшены, например трубки диаметром 25,4 мм могут быть заменены трубками диаметром 6,35 мм. Если это сделать и использовать в модели ту же самую жидкость, что и в натурном аппарате, то для достижения равенства чисел Рейнольдса необходимо, чтобы массовый расход жидкости в модели был обратно пропорционален размеру трубок, т. е. [c.311] Следовательно, мощность теплового источника для опытной установки прямо пропорциональна эквивалентному диаметру проходного сечения, а массовый расход должен быть обратно пропорционален этому диаметру. При работе с газами это зачастую приводит к увеличению давления, поскольку увеличение скорости может привести к проблемам обеспечения прокачки или к трудностям, обусловленным сжимаемостью. Выбор параметров модели обычно определяется имеющимся экспериментальным оборудованием. Для достижения нужных чисел Рейнольдса в модели может оказаться более удобным увеличить проходное сечение, если имеются в распоряжении большие низконапорные вентиляторы уменьшение сечения может привести к необходимости использования новых высоконапорных вентиляторов для получения надлежащих чисел Рейнольдса. Обеспечение мощности источника (или стока) тепла также может быть связано с осложнениями стоимость источника тепла может намного превысить стоимость остального экспериментального оборудования. Именно но этой причине часто в качестве источника тепла используют пар от промышленных установок. [c.312] Иногда целесообразно использовать в модели трубки намного большего диаметра, чем в натурном аппарате, если необходимо детально исследовать распределение температур для случая такой сложной геометрии, как сребренная трубка. Увеличение размеров проходного сечения в модели при использовании лишь малого числа трубок может позволить провести детальное исследование распределения температур и потоков, которое было бы совершенно неосуществимо в натурном аппарате. [c.312] Анализ геометрическсго подобия. Весьма важно установить, до какой степени должно сохраняться геометрическое подобие между экспериментальной моделью и натурным аппаратом. Поперечные сечения теплообменной матрицы несомненно должны быть геометрически подобны. Для пучка труб отношение диаметра трубы к шагу должно быть сохранено как в направлении поперек, так и вдоль потока. Если имеются ребра, то их эффективность должна быть почти такой же, как и в натурном аппарате, и, следовательно, материал ребра и его толщину следует выбрать так, чтобы параметр шУ к/кЬ был примерно одним и тем же в модели и в натурном аппарате. Если необходимо сравнить системы с таким сложным оребрением, как приведено на рис. 2.8, то особое внимание следует уделить выполнению условия идентичности состояния поверхностей модели и натурного аппарата, одинаковой степени отклонений от правильных геометрических форм, а также детального подобия геометрической конфигурации. [c.312] чтобы отношение длины трубок к диаметру было достаточно большим, тогда ошибка в поправках на входные участки будет невелика. Натурные аппараты, в которых отношение длины к диаметру равно 300, можно без труда смоделировать установкой, имеющей это отношение всего лишь 100 вводя небольшую поправку, удается достаточно надежно оценить параметры натурного аппарата. Однако нецелесообразно выбирать отношение длины к диаметру в модели в интервале 10—20, если в натурном аппарате необходимо иметь это отношение больше 10 (или наоборот), поскольку слишком велико будет влияние входных участков. При введении поправки па входные эффекты ошибка может стать сравнимой с ошибками аналитических оценок, и, следовательно, постановка эксперимента уже потеряет смысл. [c.312] Влияние тепловых потерь на размер модели. Тепловые потери обязательно следует принимать во внимание при выборе размеров небольшой модели. Проведение исследований и анализ результатов наиболее просты в том случае, когда аппарат достаточно велик, чтобы при теплоизоляционном покрытии в несколько дюймов тепловые потери составляли не более нескольких процентов тепловой нагрузки теплообменника. Если специальные задачи делают необходимым использовать меньшие аппараты, то для поддержания в них достаточно низкого уровня тепловых потерь можно установить охранные нагреватели между внутренним и внешним слоями тепловой изоляции. Однако для каждого такого нагревателя потребуются реостат и относительно большое число контрольных термопар, которые позволяли бы следить за тем, чтобы благодаря охранным нагревателям не было искажения температурного профиля и не осуществлялся подвод тепла к системе вместо уменьшения тепловых потерь от теплообменника. [c.314] Типичные случаи. В табл. 16.1 для ряда типичных теплообменников приведены некоторые оптимальные параметры соответствующих моделей. Заметим, что в каждом из них мощность модельной установки составляет менее 10% мощности натурной. В большинстве случаев опыты проводились с целью получить характеристики для целого семейства данных натурных аппаратов. В табл. 16.1 сопоставлены основные параметры опытных и натурных теплообменников. Уменьшение мощности было достигнуто (по крайней мере отчасти) с помощью уменьшения размера теплообменной матрицы. Часто дальнейшее уменьшение мощности достигалось за счет уменьшения разности температур, а в одном случае эффективное уменьшение мощности было достигнуто в результате применения воздуха при атмосферном давлении вместо гелия при высоком давлении. Это дало возможность уменьшить тепловой поток в 20 раз, сохранив неизменным подогрев на единичном отрезке приведенной длины (отношении длины к диаметру) по сравнению с натурным теплообменником. Интересно заметить, что во всех случаях, кроме одного, режим течения для одного или обоих теплоносителей соответствовал переходной области (диапазон чисел Рейнольдса от 500 до 5000). Опыты на моделях имеют особую важность, поскольку нет другого надежного способа выявить влияние отклонений в геометрии, свойственных интересующим нас теплообменникам, в этой переходной области течения. [c.314] В принципе проведение опытов на модели обычно сводится к созданию небольшого элемента теплообменной матрицы с теми же проходными сечениями, что и в натуре при этом соотношение потоков теплоносителей такое же, каким оно было бы, если бы этот элемент не был изолирован от остальной части тепло- обменника. [c.314] Термопары. Термопары — несомненно наиболее распространенные приборы для измерения температуры. При правильной установке они являются относительно недорогими датчиками, позволяющими достаточно точно определять температуру показания термопар могут быть выведены на центральный щит. Их тепловая инерция мала следовательно, запаздывание их сигнала по отношению к изменениям температуры намного меньше, чем для других пирометрических устройств [7]. Термопары более удобны для измерения температур металлических поверхностей по сравнению с другими приборами тем не менее трудно установить их таким образом, чтобы они показывали истинную температуру металлической поверхности. Термоэлектродные провода обычно выводятся в ноток газа, и потому они играют роль ребер и могут вызвать существенное местное искажение температуры поверхности по отношению к остальной ее части. Даже если использовать плоские термопары и на некотором расстоянии выводить их вдоль потока, они могут явиться причиной возникновения местной турбулентности, которая приведет к заметной ошибке в показаниях. Наиболее надежно можно измерить температуру толстой металлической поверхности в стенке высверливают отверстие, в которое помещают термопару, как указано на рис. 16.1 при таком расположении термопары не вносят возмущений в поток теплоносителя вдоль теплопередающей поверхности, а отток тепла по термоэлектродным проводам практически не оказывает влияния на результаты измерения температуры в данной точке [8]. Однако стенки большинства теплообменников слишком тонки для такого способа заделки термопары. Поэтому обычно не представляется возможным определить значения коэффициентов теплоотдачи к каждому теплоносителю, а удается лишь непосредственно измерить общий коэффициент теплопередачи. [c.315] Косвенный метод определения коэффициента теплоотдачи с одной стороны сводится к изменению скорости течения теплоносителя с этой стороны при фиксированной скорости с другой. Этот метод особенно эффективен, если применять его для теплообменника, у которого тепловая проводимость с одной стороны существенно меньше, чем с другой, и с его помощью находить коэффициент теплоотдачи с той стороны, где проводимость меньше, например, со стороны воздуха в теплообменнике типа вода — воздух. [c.315] Измерения температур там, где тепловые потоки близки к нулю (например, в районе входа и выхода потоков теплоносителей), могут быть выполнены с помощью термопар или какого-либо термометра, заделанных в стенку или в наконечник, расположенный в потоке теплоносителя. Если допустима значительная тепловая инерция, то термопара может непосредственно крепиться к стенке трубки с помощью хомутиков или зачеканиваться. На длине 2—5 см термопары должны плотно прилегать к трубке и быть теплоизолированы, чтобы не играть роль ребра. Надежный способ такого крепления приведен в нижней левой части рис. 16.2. [c.315] Отличный способ подготовки термопар состоит в том, что расплющенная серебряная трубочка диаметром 3,2 мм одевается на королек, который предварительно был выполнен достаточно массивным, а затем со-шлифован до получения плоского диска с толщиной, ненамного превышающей диаметр проводов [10]. [c.317] Было установлено, какую ошибку дают термопары такого типа с серебряными, золотыми и платиновыми экранами. Некоторые из этих данных приведены на рис. 16.3 наряду с соответствующими значениями для незащищенных термопар, а также для термопар с набором экранов из нержавеющей стали, о которых речь шла несколько выше. [c.317] Например, излучательная способность поверхности может изменяться в зависимости от угла визирования или появления в небольших количествах окислов или заносов. [c.318] На рис. 16.4 представлена фотография в инфракрасных лучах, выполненная для температурных измерений. На ней приведено распределение температур в наземной опытной модели радиатора, предназначенного для космической энергетической установки. (На рис. 1.18 представлена одна панель такой модели.) О влиянии температуры на яркость изображения можно судить исходя из того, что температуры основания и вершины ребер отличаются примерно на 14° С. Следует отметить весьма однородное распределение температур. Свыше тысячи термопар потребовалось бы для того, чтобы получить хотя бы минимально необходимую информацию, но даже этого числа не хватило бы, чтобы получить столь подробную картину кроме того, они были бы весьма неудобны в эксплуатации. [c.318] Измерение давления. Падение давления в теплообменнике — обычно столь же важный фактор, как и теплообменные характеристики. Экспериментальное оборудование может быть подобрано таким образом, чтобы поперечное сечение трубопровода было таким же, как и входное сечение исследуемой теплообменной матрицы в этом случае можно ограничиться простым измерением статического давления в трубе. В противном случае необходимо учитывать, различие динамического давления за счет изменения размера проходного сечения. Конечно, желательно установить перед теплообменной матрицей прямую-трубу длиной по меньшей мере десять диаметров, чтобы обеспечить однородное распределение скорости по сечению трубопровода. Если необходимо получить особенно достоверные данные о падении давления, можно использовать пьезометрическое кольцо, т. е. ряд соединенных между собой отверстий для отбора статического давления, выполненных по периметру трубы в плоскости, перпендикулярной направлению потока. Перепад давления в теплообменнике можно измерять непосредственно с помощью манометра или дифференциального датчика типа трубки Бурдона. [c.318] Иногда используются трубки Пито, особенно если нельзя гарантировать действительно однородное распределение скоростей в теплообменной матрице. Конечно, условия такого рода должны быть исключены, иначе это намного усложнит обобщение экспериментальных данных и внесет ошибки, обусловленные влиянием распределения потоков и температуры. [c.319] Некоторые виды расходомеров, использующих плавающие в потоке жидкости под действием динамических сил элементы (ротаметры), имеют привлекательные особенности. Они широко используются для измерений расходов как жидкостей, так и газов, однако предпочтительнее использовать их для измерения расходов жидкости в диапазоне от —4 до 400 л мин. [c.319] Вернуться к основной статье