Расчётные параметры течения в экспериментальной установке на четырёх экспериментальных участках

В предельном случае (коэффициент эффективности ребра Ф=1, снижение скоростей в области оребрения не учитывается) увеличение теплосъема при равной с гладкой трубой мощности, потребной на прокачку теплоносителя, определяется по формуле:

(1.28)

где -- коэффициент оребрения (индекс 1 относится к оребренной трубе).

С целью упрощения технологии производства и повышения теплообменных качеств, интенсифицированных труб применяются внутренние вставные рёбра - звездообразные вставки из высокотеплопроводного материала (сплав алюминия и др.), которыми заполняется труба (см. Рис. 1.7).

Рис. 1.7 Поперечный разрез трубы с звездообразной вставкой

Недостаток использования вставок заключается в том, что они существенно увеличивают металлоёмкость оборудования и расход дорогих материалов. Применяются в маслоохладителях и теплообменниках холодильных машин.

1.6.5 Криволинейные каналы (спиральные, змеевиковые)

Течение жидкости в криволинейных каналах, в частности, в спиральных трубах, происходит под действием сил инерции, направленных перпендикулярно оси потока. На более быстрые частицы, движущиеся в середине трубы, действует большая центробежная сила, чем на менее быстрые частицы жидкости вблизи стенки. В результате жидкость в центральной части трубы движется к наружной образующей, а вблизи стенки - вдоль нее по направлению к внутренней образующей. Таким образом, в трубе возникает вторичное течение в виде пары симметричных вихрей в поперечном сечении. В центре вихрей частицы совершают круговые движения, в остальной части их траектории имеют вид двойной спирали.

Рис. 1.8 Спиральный теплообменник

При турбулентном течении в спиральной трубе распределение коэффициента теплоотдачи по периметру неоднородно. Неравномерность распределения коэффициента теплоотдачи по периметру трубы вызвана неоднородностью распределения скорости и температуры потока по его сечению.

Кроме того, неоднородность распределения температуры стенки по периметру трубы может вызвать значительные перетоки тепла от внутренней образующей к наружной и привести к изменению теплоотдачи. На Рис. 1.9 представлено распределение числа Нусельта по периметру спиральной трубы (отношение диаметра трубы к диаметру спирали равно 16) с вертикальной осью навивки при Re-2- 10⁴ (линия 1). Как видно, интенсивность теплоотдачи в окрестности наружной образующей (-45 < < 45) примерно постоянна. По мере приближения к внутренней образующей теплоотдача уменьшается. Отношение коэффициентов теплоотдачи для наружной и внутренней образующей составляет около 3. Коэффициент теплоотдачи в окрестности внутренней образующей змеевика примерно совпадает с величиной а для прямой трубы (линия 2).

Рис. 1.9 Распределение числа Нуссельта по периметру спиральной трубы при числе и отношении диаметров навивки спирали и трубы, равном 16.

Таким образом, интенсификация теплоотдачи вследствие закрутки потока в змеевике обусловлена тем, что под воздействием центробежных сил в криволинейных каналах возникают и развиваются вихревые структуры, зоны с двумерными и трехмерными вихрями с противоположным направлением вращения. Это приводит к дополнительной турбулизации всего потока, росту теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Наличие в потоке макровихрей, охватывающих все течение, приводит к существенной неравномерности распределения теплоотдачи по периметру канала.

2. Определение расчётных параметров течения

2.1 Определение расчётных параметров течения на экспериментальном участке «труба в трубе»

Максимально возможный объёмный расход реализуется при максимально возможной скорости истечения U, максимально возможная скорость истечения в нашем случае будет равна скорости звука .

Определим скорость звука для воздуха для истечения при наших условиях, в целях упрощения расчётов найдём скорость звука для случая истечения идеального двухатомного газа

- для идеального газа

-двухатомного газа =1.4

R-газовая постоянная

- молярная масса

T - температура рабочего тела при истечении(примем температуру окружающей среды 20⁰)

тогда

Максимальный объёмный расход определится как:

,

F₁ - площадь условного прохода в сечении А-А

d_y - диаметр условного прохода

d_y=6 мм=0.006 м

Рис. 2.1 Расчётная схема определения объёмного расхода для экспериментального участка «труба в трубе»

- максимальная скорость, реализующаяся в сечении А-А

Скорость звука реализуется при критическом переходе 1.528 т.е. в наших условиях при Р₁=1.528 атм условие истечения в атмосферу (P₂=1)

Определим параметры потока после расширения канала сечения В-В:

Определим среднюю максимально возможную скорость истечения в потоке в сечении В-В

Площадь сечения В-В

,

тогда

Определим режим течения потока по каналу после расширения с учётом максимально возможного объёмного расхода

Число Рейнольдса

D=9мм - диаметр условного прохода в сечении В-В

2.2 Определение параметров истечения на экспериментальном участке «поворот потока»

Максимально возможный объёмный расход реализуется при максимально возможной скорости истечения U, максимально возможная скорость истечения в нашем случае будет равна скорости звука .

Определим скорость звука для воздуха для истечения при наших условиях, в целях упрощения расчётов найдём скорость звука для случая истечения идеального двухатомного газа

- для идеального газа

-двухатомного газа =1.4

R-газовая постоянная



- молярная масса

T - температура рабочего тела при истечении(примем температуру окружающей среды 20⁰), тогда

Рис. 2.2 Расчётная схема определения объёмного расхода для экспериментального участка «поворот потока»

Максимальный объёмный расход определится как:

,

- площадь условного прохода в сечении А-А

- диаметр условного прохода

=20 мм=0.02 м

- максимальная скорость, реализующаяся в сечении А-А

Скорость звука реализуется при критическом переходе 1.528 т.е. в наших условиях при Р₁=1.528 атм условие истечения в атмосферу (P₂=1)

Определим параметры потока после расширения канала сечения В-В:

Определим среднюю максимально возможную скорость истечения в потоке в сечении В-В

Площадь сечения В-В

, тогда

Определим режим течения потока по каналу после расширения с учётом максимально возможного объёмного расхода

Число Рейснольдса

=0.121 мм - радиус поворота потока в сечении В-В



2.3 Определение параметров истечения на экспериментальном участке «канал плоского сечения»

Максимально возможный объёмный расход реализуется при максимально возможной скорости истечения U, максимально возможная скорость истечения в нашем случае будет равна скорости звука .

Определим скорость звука для воздуха для истечения при наших условиях, в целях упрощения расчётов найдём скорость звука для случая истечения идеального двухатомного газа

- для идеального газа

-двухатомного газа =1.4

R-газовая постоянная

- молярная масса

T - температура рабочего тела при истечении(примем температуру окружающей среды 20⁰), тогда

Максимальный объёмный расход определится как:

,



- площадь условного прохода в сечении А-А

- диаметр условного прохода

=20 мм=0.02 м

Рис. 2.3 Расчётная схема определения объёмного расхода для экспериментального участка «канал плоского сечения»

- максимальная скорость, реализующаяся в сечении А-А

Скорость звука реализуется при критическом переходе 1.528 т.е. в наших условиях при Р₁=1.528 атм условие истечения в атмосферу (P₂=1)

Определим параметры потока после расширения канала сечения В-В:

Определим среднюю максимально возможную скорость истечения в потоке в сечении В-В



Площадь сечения В-В

, тогда

Определим режим течения потока по каналу после расширения с учётом максимально возможного объёмного расхода

Число Рейнольдса

-кинетическая вязкость

- эквивалентный диаметр сечения В-В

2.4 Определение параметров на экспериментальном участке течения «участок закрученного потока»

Максимально возможный объёмный расход реализуется при максимально возможной скорости истечения U, максимально возможная скорость истечения в нашем случае будет равна скорости звука .

Определим скорость звука для воздуха для истечения при наших условиях, в целях упрощения расчётов найдём скорость звука для случая истечения идеального двухатомного газа

- для идеального газа

-двухатомного газа =1.4, R-газовая постоянная

- молярная масса

T - температура рабочего тела при истечении(примем температуру окружающей среды 20⁰), тогда

Рис. 2.4 Расчётная схема определения объёмного расхода для экспериментального участка «труба в трубе»

Максимальный объёмный расход определится как:

,

- площадь условного прохода в сечении А-А

- диаметр условного прохода

=4 мм=0.004 м

- максимальная скорость, реализующаяся в сечении А-А

Скорость звука реализуется при критическом переходе 1.528 т.е. в наших условиях при Р₁=1.528 атм условие истечения в атмосферу (P₂=1)

Определим параметры потока после расширения канала сечения В-В:

Определим среднюю максимально возможную скорость истечения в потоке в сечении В-В

Площадь сечения В-В

, тогда

Определим режим течения потока по каналу после расширения с учётом максимально возможного объёмного расхода

- Число Рейнольдса

=223 мм - диаметр условного прохода в сечении В-В



3. Определение расчётных параметров и требуемой мощности нагревательного элемента экспериментальной установки

- мощность, выделяемая на нагревательном элементе постоянного сопротивления R при прохождении электрического тока напряжения U

В качестве нагревательного элемента используем нихромовую проволоку, диаметр которой D_н.э.=1.2 мм = 0.0012 м

- сопротивление спирали нагревательного элемента

- удельное сопротивление нихромовой проволоки

- площадь сечения нихромовой проволоки

- длина нихромовой проволоки

- площадь сечения

Сопротивление нихромовой проволоки = 4.5 Ом

Построим график зависимости выделяемой мощности на нихромовой проволоки сопротивлением

R=4.5Ом	U	0	50	100	150	200	250
	N	0	555,5	2222,2	5000	8888,8	13888,8

Рис. 3.1 График зависимости выделившейся мощности при постоянном сопротивлении нихромовой проволоки R=4,5 Ом

Максимальное количества тепла Q, необходимого для нагрева воздуха при максимальном расходе от 20⁰ до 100⁰:

,

- теплоёмкость воздуха

-температура воздуха на входе в нагревательного элемент, 20⁰

-температура воздуха на выходе из нагревательного элемента,100⁰

- массовый расход воздуха

- плотность воздуха при истечении

С_p 373K = 1009 Дж/кг-К - теплоёмкость

С_p 293K = 1005 Дж/кг-К

-кинетическая вязкость при 100⁰

Мощность нагревательного элемента N должна быть равна количеству тепла необходимому для нагрева воздуха до температуры при расходе т.е. N=Q

При условии когда сопротивление постоянно, мощность регулируется напряжением U.

Рис. 3.2 График зависимости требуемого количества тепла для нагрева воздуха при расходе .

U=50	R	2	4	6	8	10
	N	1250	625	416.6	312.5	250
U=100	R	2	4	6	8	10
	N	5000	2500	1666.6	1250	1000
U=150	R	2	4	6	8	10
	N	11250	5625	3750	2812.5	2250
U=200	R	2	4	6	8	10
	N	20000	10000	666.6	5000	4000
U=250	R	2	4	6	8	10
	N	31250	15625	10416.6	7812.5	6250



Рис. 3.3 График зависимости мощности нагревательного элемента от постоянного сопротивления нихромовой проволоки

G=0.01	t, C	20	40	60	80	100	130
	U, B	7,2622311	30,997419	43,23124	52,69763	60,70535	71,04428
G=0.03	t, C	20	40	60	80	100	120
	U, B	12,578553	40,696848	57,64255	67,91265	75,51755	84,32803
G=0.05	t, C	20	40	60	80	100	120
	U, B	16,238842	69,312337	96,66799	117,8355	135,7413	158,8598
G=0.07	t, C	20	40	60	80	100	120
	U, B	19,214057	82,011463	114,3791	139,4248	160,6113	187,9655
G=0.09	t, C	20	40	60	80	100	120
	U, B	21,786693	92,992258	129,6937	158,0929	182,1161	213,1328
G=0.11	t, C	20	40	60	80	100	120
	U, B	24,086096	102,80681	143,3818	174,7783	201,3369	235,6272
G=0.13	t, C	20	40	60	80	100	120
	U, B	26,184346	111,76278	155,8724	190,004	218,8763	256,1538
G=0.15	t, C	20	40	60	80	100	120
	U, B	28,1265	120,05249	167,4339	204,097	235,1108	275,1533

течение воздух канал теплоотдача



Рис. 3.4 Зависимость между напряжением поданным на нихромовую проволоку (R=const) нагревательного элемента и температурой выхода воздуха из нагревательного элемента для различных массовых расходов



4. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка представляет собой разомкнутый контур работающий на воздухе (рис 4.1). Воздух из стенда высокого давления поступает в бак надува воздуха, в целях обеспечения постоянного и равномерного во времени расхода. После бака надува 1 воздух поступает на станцию измерения температуры 2, и в электрический нагреватель, представляющий собой стальной кожух с размещенным в ней нагревательным элементом выполненным из нихромовой проволоки 1,2 мм, общим сопротивлением 4.5 Ом. Нагревательный элемент намотан на асбестовый каркас, термически и электрически изолирован с помощью асбестовой трубы от стального кожуха. С торцов кожуха выполнены фланцевые соединения типа "шип-паз" гост 12815-80. К фланцу приварен штуцер d_y=20 мм ОСТ. Нагрев нихромовой проволоки обеспечивается электрическим током, получаемого от автотрансформатора. Автотрансформатор. позволяет производить плавную регулировку выходного напряжения от 0 до 220 V, мощность автотранформатора 10 КВт. Нагрев воздуха осуществляется до 150⁰

Рис. 4.1 Схема экспериментальной установки



Далее для экспериментальных участков типа: «труба в трубе» и «участка закрутки потока» нагретый воздух поступает на станции измерения параметров температуры и давления затем на экспериментальный участок. Переход с режима на режим производится путем выставления соответствующих параметров расходов воздуха и воды, а так же напряжения и для электрического нагревателя. На выходе из экспериментального участка установлены станции измерения параметров давления и температуры.

Для экспериментальных участков: канала «поворота потока на 90⁰» и канала «плоского сечения» нагретый воздух после электрического нагревателя пройдя станцию измерения температуры поступает в экспериментальный канал в котором происходит замер температуры, а так же замер статического давления Р_ст и динамического давления Р_дин на входе и выходе из канала. Для регулирования расхода воздуха предусмотрен редуктор (вентиль). Охлажденный на экспериментальном участке воздух выбрасывается в атмосферу.

На каждом экспериментальном участке имеются теплообменные аппараты для снятия тепла с канала. Контролируется измерение расхода и температур воды на входе и выходе из теплообменного аппарата.

На установке предусмотрено проведение исследований на 4-х типах экспериментальных участках:

1) теплообменный аппарат типа «труба в трубе» рис4.2.

2) канал поворота потока на 90⁰ рис.4.3

3) канал «плоского сечения» рис.4.4

4) канал «закрутки потока» рис.4.5

В экспериментальных каналах проводится ряд испытаний с различными режимными параметрами. А на экспериментальном канале типа «труба в трубе» и с различной геометрией канала.



4.1 Экспериментальный участок "труба в трубе"

Экспериментальный участок представляет собой теплообменный аппарат типа «труба в трубе»

Рис. 4.2 Экспериментальный участок «труба в трубе»

Воздух подается через внутреннюю трубу, в кольцевом зазоре протекает вода. В теплообменнике применяется схема "противоток", что дает возможность снимать с горячего теплоносителя большее количество теплоты.

На участке исследуется теплообмен в гладкой трубе, с введением интенсификаторов, таких как закрученная и перфорированная лента, (рис. 1.2, 1..3) с введением во внутреннюю полость шнекового завихрителя. Геометрические параметры канала типа труба в трубе см. табл.

Ldвн	500 мм
dвн	9 мм
Dвн	12 мм
Lленточной вставки	500 мм
hвысота	9 мм

4.2 Экспериментальный участок исследования теплообмена в закрученном потоке

Нагретый воздух подается тангенциально в цилиндрическую полость через штуцер диаметром d_y=4, где осуществляется закрутка потока за счет геометрических параметров полости: диаметр канала, высота канала, и выводится из центра через штуцер d_y=4 по оси канала.

Рис. 4.3 Экспериментальный участок «Закрученный поток»

Снятие тепла осуществляется как с цилиндрической стенки на периферии, так и с днища завихрителя при помощи установленных на их поверхности теплообменных аппаратов промываемых водой.

Так же производится измерение статического давления Р_ст и динамического давления Р_дин на периферии канала в полости закрутки воздуха.

4.3 Экспериментальный участок типа «колено»

Представляет собой трубу прямоугольного сечения с поворотом на 90⁰ (рис. 4.4)

На входе канал установлен дифлектор в целях выравнивания потока

На каждой из 3-х сторон установлены теплообменные аппараты, позволяющие снимать тепло от нагретого воздуха.

Теплообменные аппараты расположены на плоскости поворота потока на 90⁰, на плоскости большого и малых радиусах поворота потока.

Рис. 4.4 Экспериментальный участок типа «Колено»

В полости канала расположены датчики статического давления Р_ст и динамического Р_дан и датчики температуры на входе и на выходе из канала.

4.4 Канал «плоского сечения»

Канал плоского сечения выполнен аналогично геометрии канала «поворот потока на 90⁰» в целях сравнения количества тепла отведённого при течении и теплообмене с поворотом потока и в плоском прямолинейном канале. Схема установки и размещения приёмников давления и температуры аналогичны каналу «поворот потока на 90⁰».

Рис. 4.5 Канал плоского сечения

При проведении эксперимента и обработки результатов эксперимента принимаем допущение, что удельное количество тепла отведённого от стенок, днища, крышки канала одинаково



5. Схема измерений

Схема измерений для снятия параметров аналогична для каждого экспериментального участка, В полости канала расположены датчики статического давления Р_ст и динамического Р_дан и датчики температуры на входе и на выходе из канала.

В процессе экспериментов производится измерение температуры воздуха на входе и выходе из теплообменных аппаратов , расхода воздуха и воды, температуры охлаждающей воды на входе и выходе из теплообменных аппаратов. Средний коэффициент теплоотдачи вычисляется по определенному в ходе эксперимента коэффициенту теплоотдачи и известному тепловому сопротивлению стенки.

В состав схемы измерений входят:

Система измерения температуры теплоносителей: воздуха и воды, система отбора давления, измерения расходов теплоносителей воды и воздуха.

Включает в себя: платиновый термопреобразователь сопротивления. ТП 198-0 (рис) установленный в корпусе измерительной станции, подключенной к магистралям для определения температуры нагретого воздуха и охлаждающей воды на входе и выходе из экспериментальных участков.

Термометры сопротивления подключаются по четырех проводной схеме через коммутатор входных сигналов "ТЕРКОН-К" к прецизионному преобразователю сигналов термометров сопротивления и термопар "ТЕРКОН", который в свою очередь подключен к персональному компьютеру с установленным программным обеспечением. С помощью которого осуществляется одновременное и независимое измерение сигналов термометров сопротивления, регистрация осуществляется как в виде графиков, так и в виде таблиц численных значений.



5.1 Система измерения температуры

Замеры температуры производятся в следующих точках:

· Для всех экспериментальных участков:

- на входе и выходе из нагревательного элемента

- на входе и выходе из теплообменных аппаратов

для экспериментального участка типа труба в трубе один теплообменный аппарат - кольцевой зазор.

для участка закрутка потока - два теплообменных аппарата.

для участка «поворота потока на 90⁰» - три теплообменных аппарата.

для участка «плоского сечения» - один теплообменный аппарат - зазор плоского сечения

· Для экспериментальных участков: типа «труба в трубе» и участка «закрутки потока»

- на входе и выходе в канал, термометры сопротивления размещены в станциях измерения температуры. Это представляется возможным в следствии относительно небольшого изменения диаметра проходного сечения канала, диаметры сопоставимы, разного существенного изменения температуры в следствии изменения геометрии канала.

· Для экспериментальных участков «поворота потока на 90⁰» и участка «плоского сечения» - измерение температуры производится на входе и выходе исследуемой области, но размещены внутри экспериментальных участков

Термопреобразователь сопротивления

Предназначен для измерения температуры жидкостей и газов.

Основные технические данные и характеристики

1. Обозначение термопреобразователя ТП 198-0

2. Диапазон измеряемых температур …-50..+200⁰С

3. Сопротивление при 0⁰С (R₀), Ом…100±0.3 Ом

4. Электрическое сопротивление изоляции между цепью чувствительного элемента (ЧЭ) и защитным корпусом при температуре окружающего воздуха (25±10)⁰С и относительной влажности не более 80%

5. Длина кабеля термопреобразователя с разъёмом, мм…255

6. Показатель тепловой инерции термопреобращователя .. 0.7

7. Масса термопреобразователя, кг…0.060

8. Материал монтажной части защитной арматуры.. 12Х18Н10Т

9. Габаритные размеры термопреобразователя указан на рис.1

10. Условное давление измеряемой среды, МПа..39.2

11. Срок службы, лет… 20

Рис. 5.1 Термопреобразователь сопротивления

Устройство и работа термопреобразователя

Измерительным узлом термопреобразователя является проволочный чувствительный элемент, помещённый в защитный корпус.

Конструкция термопреобразователя неразборная

Схема соединения проводников термопреобразователя с чувствительным элементом приведена на рис. 6.2

Рис. 5.2 Схема



Принцип работы термопреобразователя основан на пропорциональном измерении его электрического сопротивления и зависимости температур

Способ установки

Термопреобразователь устанавливают в штуцер с резьбой М16х1-8g.

Герметичность соеденения обеспечивается установкой термопреобразователя на уплотнительной прокладке или сваркой корпуса со штуцером.

5.2 Коммутатор входных сигналов «ТЕРКОН-К»

Назначение и область применения

Коммутатор входных сигналов «ТЕРКОН-К» предназначен для совместной работы с двухканалъным прецизионным преобразователем сигналов ТС и ТП «ТЕРКОН» и служит для увеличения количества входных каналов преобразователя.

На входы коммутатора могут одновременно подключаться до 16 термометров сопротивления или термопар.

Условия эксплуатации прибора:

¦ температура воздуха в помещении, °С - от+10 до+30;

¦ относительная влажность воздуха при указанной температуре от 30 до 80%

¦ напряжение питающей сети - 220±10В, 50±2 Гц.

Технические характеристики.

Количество независимых каналов измерения - 16

Время измерения 2-х каналов, не более, сек - 1

Время выхода на режим после включения, не более, мин. - 30

Потребляемая мощность, не более, В*А - 5

Габаритные размеры, не более, мм - 185x150x25

Масса, не более, кг



Принцип работы и конструкция коммутатора

Работа коммутатора заключается в последовательном подключении входных клеммных колодок к выходным при помощи реле. Коммутатор имеет 16 входов и 2 выхода, каждому входу или выходу соответствует своя клеммная колодка с четырьмя зажимами-контактами. Выходы коммутатора подключаются к входам преобразователя сигналов ТС и ТП «ТЕРКОН», он же управляет процессом переключения каналов через кабель связи.

Прибор выполнен в настольном исполнении

Вид верхней панели коммутатора представлен на рис. 6.3:

На передней панели коммутатора расположен разъем управления переключением каналов.

Рис. 5.3 Верхняя панель коммутатора

Принцип действия

Измерение величины сопротивления осуществляется путем его сравнения с внутренним или внешним эталоном при протекании общего тока питания через измеряемое сопротивление и эталон, а измерение величины напряжения или э.д.с. термопары осуществляется путем сравнения с источником опорного напряжения с последующим аналого-цифровым преобразованием в цифровой код.

Встроенный микропроцессор пересчитывает значения цифрового кода, пропорционального измеренному сопротивлению или напряжению, в значения температуры. Результаты измерений отображаются на цифровом табло.

При необходимости увеличения числа измерительных каналов до 16-ти в преобразователе ТС и ТП предусмотрена возможность подключения внешнего коммутатора «ТЕРКОН-К».

Устройство

Количество независимых каналов измерения, шт - 2

с внешним коммутатором, шт. - до 16

Ток, пропускаемый через термометр сопротивления, мА, не более - 0,5

Время измерения 2-х каналов, с, не более - 0,8

Время выхода на режим после включения, мин., не более - 30

Габаритные размеры, мм, не более - 136x173x230

Масса, кг, не более - 2,5

Питание должно осуществляться от сети переменного тока напряжением (220 ± 22) В частотой (50 ± 1) Гц.

Потребляемая мощность, ВА, не более - 12

Электрическое сопротивление изоляции токоведущих цепей между любыми электрически разобщенными цепями должно быть в нормальных условиях не менее 20 МОм.

Электрическая прочность изоляции токоведущих цепей относительно корпуса и любыми электрически разобщенными цепями должна выдерживать без пробоя испытательное напряжение 1,5 кВ в течение 60 с.

Время непрерывной работы преобразователя ТС и ТП в рабочих условиях, ч, не менее - 8

Средний срок службы, лет, не менее - 6

Средняя наработка на отказ, ч, не менее - 5000

Гарантийный срок службы, мес. - 24

Технические характеристики

Верхний предел измерения сопротивления, Ом - 1000

Верхний предел измерения напряжения, мВ - ±1000

Пределы допускаемой основной погрешности:

измерения сопротивления, Ом - ±[0,0002+1 * 10~⁵R]

измерения напряжения, мВ - ±[0,0005+5-10~°-U]

Пределы допускаемой основной погрешности преобразования термометров сопротивления представлены в таблице 1.

Таблица 3

Тип термометра сопротивления	Диапазон температур, °С	Погрешность преобразования, °С, не более
Pt 10	-200...+600	±0,016
Pt 50	-200...+600	±0,011
PtlOO	-200...+600	±0,011
Си 10	-10...+200	±0,009
Си 50	-10...+200	±0,006
Си 100	-10...+200	±0,005

Пределы допускаемой основной погрешности преобразования термопар представлены в таблице 2.

Таблица 4

Тип термопар	Диапазон температур, °С	Погрешность преобразования, °С, не более
В	+250...+1820	±0,2
Е	-200...+1000	±0,2
J	-210...+1200	±0,1
К	-200...+1372	±0,2
N	-200...+1300	±0,2
R	-50...+1768	±0,2
S	-50...+1768	±0,2
Т	-200...+400	±0,2

Индикация измеряемых величин - с помощью цифрового табло

Количество разрядов индикации измеряемых величин текущего режима:

Высота знака индикации, мм - 9,6

Цена единицы младшего разряда:

при измерении напряжения, мВ - 0,0001

при измерении сопротивления, Ом - 0,0001

при измерении температуры:

5.3 Система отбора давления

Замеры давления производятся в следующих точка:

- на входе с экспериментальный участок типа «труба в трубе», замеряется перепад давления между входным и выходным сечением тока воздуха в канале. (Станции измерения давления расположены отдельно от экспериментального участка)

- измеряется статическое и динамическое давление на периферии в канале «закрутки потока»

- измеряется статическое и динамическое давление на входе и выходе в исследуемой области экспериментальных участках «поворота потока на 90⁰» и канала «плоского сечения». Приёмники статического и динамического давлений расположены внутри экспериментальных участков.

1. Измерительный комплекс давления типа ИКД6Т, рис.1состоит из ряда приборов, предназначенных для измерения давления (избыточного, абсолютного, перепада давлений) жидких и газообразных сред, и выдачи напряжений постоянного тока, пропорциональных измеряемым давлениям.

2. Приботы рассчитаны на питание от сети постоянного тока напряжением 6.3 ± 0.15 Вольта.

Потребляемая мощность прибора не превышает 0.035 вт.

Схема и принцип работы

Блочная схема прибора приведена на рис. 2. и включает

1) упругий чувствительный элемент (ч.э.),

2) индукционный преобразователь перемещения (ИП),

3) генератор (Г),

4) выпрямитель (В).

Измеряемое давление воспринимается упругим чувствительным элементом (ч.э.), перемещение которого преобразуется индукционным преобразователем (ЙП) в электрический сигнал ,пропорциональный и: меряемому давлению.

Питание индукционного преобразователя осуществляется от генератора (Г), который преобразует постоянное напряжение источника питания прибора 6,3+0,15 вольта в переменное напряжение с амплитудой порядка 9 вольт и частотой 28 кгц.

Выходное напряжение индукционного преобразователя (ИП) выпрямляется выпрямителем (В) и поступает на выходные клеммы прибора виде напряжения постоянного тока, пропорционального измеряемому давлению.

В собранном виде преобразователь имеет вид тора прямоугольного сечения, залитого специальный компаундом. Заливка частично предохраняет полупроводниковые элементы от воздействия на них вибраций, ударов, влаги и других климатических и механических факторов при эксплуатации.

На верхней плате преобразователя имеются клеммы для соединения его с выводами индукционного преобразователя и для присоединения регулировочных элементов эл. схемы.

Преобразователь надевается на корпус и приклеивается к его фланцу

Индукционный преобразователь является преобразователем дифференциально - трансформаторного типа, принцип действия которого основан на изменение потока сцепления между секциями двух обмоток преобразователя при перемещении якоря, жестко связанного с упругим чувствительным элементом - манометрической (анероидной) коробкой, воспринимающей измеряемое давление.

Каждому значению измеряемого давления соответствует одно о деленное значение выходного напряжения преобразователя.

Конструкция

Конструкция прибора манометрического типа измеряющего избыточное давление или перепад давлений показана на рис.4_ь5 и 6.

Прибор представляет унифицированную конструкцию и состоит у трех основных частей;

а) чувствительного элемента, предназначенного для преобразования измеряемого давления в линейное перемещение;

б) индукционного преобразователя перемещения, предназначенного для преобразования линейного переведения якоря в электрическую величину;

з) электронного преобразователя, включающего в себя всю электронную схему прибора (генератор, выпрямитель и др.).

Чувствительный элементпредставляет собой манометрическую коробку, сваренную из двух гофрированных мембран. Нижняя мембрана приварена к центру 2, оканчивающемуся штуцером, служащим для подачи динамического давления. Центр 2 приварен к корпусу 1, в который ввертывается крышка 4, предназначенная для ограничения перемещения верхних гофр коробки и верхнего центра 5 при перегрузочных давлениях, а также для крепления индукционного преобразователя.

Индукционный преобразователь состоит из 2-х магнитопроводов 21 (верхнего и нижнего), на каждый из которых надеты каркасы катушек 22 с первичной и вторичной обмотками.

Каждый магнитопровод, из конструктивных соображения, состоит из двух пакетов пластин «Ш» - образного железа раздвинутых от вертикальной оси прибора с той целью, чтобы в образованной свободной полости мог проходить стержень 24, приваренный к верхнему центру мембранной коробки.

Пакеты пластин с помощью угольников, винтами прикреплены к основанию 7 и плате 13.

Якорь 9, индукционного преобразователя, перемещающийся в зазоре магнитовпроводов с помощью футора 11 закрепляется на штоке 23.

Для уменьшения погрешности прибора при воздействии вибрации и линейных ускорений, предусмотрено балансирующее устройство 14, укрепленное на плате 13. Балансирующее устройство состоит из оси с цапфами 26, вращающихся в оправах с камнями 27 и балансира 15. Конец оси с цапфами шарнирно соединен со стержнем посредством серьги 28 и штифта 29.

Индукционный преобразователь укреплен на чувствительном элементе и закрыт цилиндрическим тонкостенным корпусом 12. Корпус в верхней части имеет приваренную крышку 16 с гермовводами и вваренным штуцером 17 для подвода статического давления.

В нижней части корпус имеет отбортованный фланец.

Герметичное соединение корпуса с чувствительным элементом осуществляется сваркой с помощь переходного кольца 25.

Электронный преобразователь 10 конструктивно представляет собой две печатные платы 30 и 31 (в виде шайб) с расположенным между ними, с помощью навесного монтажа, элементами электронной схемы.

Рис. 5.4 Система отбора давления теплоносителей

Состоит из манометров (марка), подключенных к в ходу в рабочий участок и приёмников статического и динамического давлений,датчиков перепада давления, дифференциального типа ИКД6.

Отбор статического давления производится через станцию измерения давления; представляющий из себя штуцер с гильзой, соединенной с прибором, отверстия приемника давления выполнены на длине 10 условного прохода штуцеров, в целях стабилизации потока и исключения сигналов в следствии воздействия возмущений потока.

Дифференциальный манометр ИКД6 рассчитан на питание от сети постоянного тока напряжением 6,3 ± 0,15В, номинальная потребляемая мощность прибора не превышает 0,035Вт. Прибор имеет индивидуальную торировочную характеристику по выходному относительному напряжению.

Погрешность прибора не превышает ±3.5% выдаваемого относительного напряжения.

5.4 Измерение расхода воздуха

Расход воздуха контролируется методом определения расхода по его нагреву, для чего на входе и выходе в электрический нагреватель установлены термометры сопротивления.

5.5 Измерения расхода воды

Измерение расхода воды производится с помощью расходомера турбинного типа ТРД7.

Дополнительный контроль расхода воды осуществляется методом «тазика» с нанесённой градуированной шкалой в емкости.

Импульсы с этого датчика через усилитель-корректор подаются на частотомер. Тарировка проводилась следующим образом. Один из датчиков при помощи магистрали подключался к выходу насоса. При этом важно соблюдать условие, что длина прямых участков на входе и на выходе из датчика должна быть не меньше пятнадцати диаметров трубопровода. При установленном расходе, за определенный интервал времени (10 сек.), после заполнения емкости водой производилось её взвешивание. При этом фиксировали показания частотомера.

Схема и принципы работы

Датчики измерения давления дифференциального типа ИКД6 и датчики измерения расхода воздуха подключены к АЦП.

Рис. 5.5 Схема подключения АЦП

Измерение расхода газа осуществляется при помощи ротаметра



6. Обработка экспериментальных данных

При проведении экспериментов исследования использовалось 4 типа экспериментальных участков, каждый с серией отдельных экспериментов.

В проводимых исследованиях для определения среднего коэффициента теплоотдачи от горячего теплоносителя к охлаждающей жидкости использовался, так называемый, метод теплообменника. Если изучается теплообмен от воздуха к воде через стенку, то циркулирующая вода обеспечивает значительно больший коэффициент теплоотдачи, чем от нагретого воздуха в стенку, что позволяет исключить измерения температуры стенки, что существенно упрощает конструкцию экспериментальных участков и проведение эксперимента.

6.1 Определение расхода воздуха по его нагреву

В целях обеспечения дополнительно контроля параметров расхода воздуха предлагается пересчитывать его расход в зависимости от степени его нагрева.

Сущность метода заключается в определении расхода, зная его нагрев на нагревательном элементе и кол-во тепла, выделившегося на нагревательном элементе. Кожух трубы термически изолирован от нагревательного элемента, при проведении эксперимента температура кожуха остается равной температуре окружающей среды, это исключает дополнительную утечку тепла через поверхностную площадь (достаточно существенную) нагревательного элемента, и все тепло выделившееся на спирали идет на нагрев воздуха.

Тепло выделившееся на нагревательном элементе:

Сопротивление нихромовой проволоки изменяется в зависимости от степени её нагрева, т.е . В целях определения сопротивления проводим измерение параметров напряжения и силы тока подаваемых на нагревательный элемент.

Сопротивление нихромовой проволоки определим как :

Количество тепла переданного воздуху, при его нагреве:

Учитывая, что все тепло выделившееся на спирали пошло на нагрев воздуха, можем приравнять , из соотношения

найдём

Точность (погрешность) определения расхода воздуха по температуре его нагрева.

6.2 экспериментальный участок «труба в трубе»

Горячий воздух протекающий внутри трубы, охлаждается холодной водой, протекающей в кольцевом зазоре. Производится измерение температуры газа на входе Т₁ и на выходе Т₂ из теплообменника, расход газа G₁, температуры охлаждающей воды на входе Т₃ и на выходе Т₄ из теплообменника, расхода воды G₂.

Средний коэффициент теплоотдачи вычисляется определенному в ходе эксперимента коэффициенту теплопередачи, известному коэффициенту теплоотдачи в кольцевом канале и известному тепловому сопротивлению стенки:

2. С помощью таблиц теплофизических свойств воды находятся: динамическая вязкость µ_м; число Прандтля Р_гж; теплопроводность л_ж; теплоёмкость С_рж; все коэффициэнты определяются при средней теипературе охлаждающей воды Т_ж.

1. Определяем среднюю температуру охлаждающей воды:

3. Среднелогарифмический температурный напор между воздухом и водой (при противотоке):

4. Средняя температура горячего газа

5. По таблице теплофизических свойств воздуха при температуре Т_ж определяются: динамическая вязкость µ_в; теплопроводность л_в; теплоёмкость С_рв.

6. Определяем кол-во тепла, переданного от воздуха к воде, рассчитывается по изменению температуры воздуха

7. Коэффициент теплопередачи, отнесённый к внутренней поверхности трубы:

8. Определение числа Рейнольдса для кольцевого потока по формуле:

9. Число Нуссельта для воды в кольцевом канале для гладкой трубы :

Формула справедлива для

Re =10⁴ ч3 М10⁵;

D_H/D = 0.0715 ч0.83;

l/d_э =48 ч 460,

если в качестве определяющей температуры используется среднемассовая температура жидкости.

10. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:

где d_э=D-D_H - эквивалентный диаметр кольцевого канала

11. Коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенки

где - коэф. Теплопроводности материала стенки. = 17 Вт/мк

12. Для нагретого воздуха определяем число Рейнольдса и Нуссельта

6.3 экспериментальный участок «поворот потока»

Горячий воздух, протекающий внутри трубы, охлаждается холодной водой. Производится измерение температуры газа на входе Т₁ и на выходе Т₂ из теплообменника, расход газа G₁, температуры охлаждающей воды на входе Т₃ и на выходе Т₄ из теплообменника, расхода воды G₂.

Средний коэффициент теплоотдачи вычисляется определенному в ходе эксперимента коэффициенту теплопередачи, известному коэффициенту теплоотдачи в кольцевом канале и известному тепловому сопротивлению стенки:

2. С помощью таблиц теплофизических свойств воды находятся: динамическая вязкость µ_м; число Прандтля Р_гж; теплопроводность л_ж; теплоёмкость С_рж; все коэффициэнты определяются при средней теипературе охлаждающей воды Т_ж.

1. Определяем среднюю температуру охлаждающей воды:



3. Среднелогарифмический температурный напор между воздухом и водой (при прямотоке:

4. Средняя температура горячего газа

5. По таблице теплофизических свойств воздуха при температуре Т_ж определяются: динамическая вязкость µ_в; теплопроводность л_в; теплоёмкость С_рв.

6. Определяем кол-во тепла, переданного от воздуха к воде, рассчитывается по изменению температуры воздуха

7. Коэффициент теплопередачи, отнесённый к внутренней поверхности:

8. Определение числа Рейнольдса для поворота потока по формуле:



()

9. Число Нуссельта при течении жидкости в канале:

Формула (9) справедлива для

Re =10⁴ ч3 М10⁵;

D_H/D = 0.0715 ч0.83;

l/d_э =48 - 460,

если в качестве определяющей температуры используется среднемассовая температура жидкости.

10. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:

где d_э = D-D_H - эквивалентный диаметр

11. Коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенки

где - коэф. Теплопроводности материала стенки. = 17 Вт/мк

12. Для нагретого воздуха определяем число Рейнольдса и Нуссельта

6.4 Экспериментальный участок «канал плоского сечения»

Горячий воздух протекающий внутри трубы, охлаждается холодной водой, протекающей в кольцевом зазоре. Производится измерение температуры газа на входе Т₁ и на выходе Т₂ из теплообменника, расход газа G₁, температуры охлаждающей воды на входе Т₃ и на выходе Т₄ из теплообменника, расхода воды G₂. Средний коэффициент теплоотдачи вычисляется определенному в ходе эксперимента коэффициенту теплопередачи, известному коэффициенту теплоотдачи в кольцевом канале и известному тепловому сопротивлению стенки:

2. С помощью таблиц теплофизических свойств воды находятся: динамическая вязкость µ_м; число Прандтля Р_гж; теплопроводность л_ж; теплоёмкость С_рж; все коэффициэнты определяются при средней теипературе охлаждающей воды Т_ж.

1. Определяем среднюю температуру охлаждающей воды:

3. Среднелогарифмический температурный напор между воздухом и водой (при противотоке):

4. Средняя температура горячего газа

5. По таблице теплофизических свойств воздуха при температуре Т_ж определяются: динамическая вязкость µ_в; теплопроводность л_в; теплоёмкость С_рв.

6. Определяем кол-во тепла, переданного от воздуха к воде, рассчитывается по изменению температуры воздуха

7. Коэффициент теплопередачи, отнесённый к внутренней поверхности:

8. Определение числа Рейнольдса для канала плоского сечения по формуле:

9. Число Нуссельта для воды:

Формула справедлива для

Re =10⁴ ч3 М10⁵;

D_H/D = 0.0715 ч0.83;

l/d_э =48 - 460,

если в качестве определяющей температуры используется среднемассовая температура жидкости.

10. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:

где d_э=D-D_H - эквивалентный диаметр

11. Коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенки

где - коэф. Теплопроводности материала стенки. = 17 Вт/мк

12. Для нагретого воздуха определяем число Рейнольдса и Нуссельта

6.5 Экспериментальный участок «закрученного потока»

Горячий воздух протекающий внутри трубы, охлаждается холодной водой. Производится измерение температуры газа на входе Т₁ и на выходе Т₂ из теплообменника, расход газа G₁, температуры охлаждающей воды на входе Т₃ и на выходе Т₄ из теплообменника, расхода воды G₂.

Средний коэффициент теплоотдачи вычисляется определенному в ходе эксперимента коэффициенту теплопередачи, известному коэффициенту теплоотдачи в кольцевом канале и известному тепловому сопротивлению стенки:

2. С помощью таблиц теплофизических свойств воды находятся: динамическая вязкость µ_м; число Прандтля Р_гж; теплопроводность л_ж; теплоёмкость С_рж; все коэффициэнты определяются при средней теипературе охлаждающей воды Т_ж.

1. Определяем среднюю температуру охлаждающей воды:

3. Среднелогарифмический температурный напор между воздухом и водой (при прямотокее:

4. Средняя температура горячего газа

5. По таблице теплофизических свойств воздуха при температуре Т_ж определяются: динамическая вязкость µ_в; теплопроводность л_в; теплоёмкость С_рв.

6. Определяем кол-во тепла, переданного от воздуха к воде, рассчитывается по изменению температуры воздуха

7. Коэффициент теплопередачи, отнесённый к внутренней поверхности трубы:

8. Определение числа Рейнольдса для поворота потока по формуле:

()

9. Число Нуссельта при течении жидкости в канале в канале:

Формула справедлива для

Re =10⁴ ч3 10⁵;

D_H/D = 0.0715 ч0.83;

l/d_э =48 - 460,

если в качестве определяющей температуры используется среднемассовая температура жидкости.

10. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде:



где d_э=D-D_H - эквивалентный диаметр кольцевого канала

11. Коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенки

где - коэф. Теплопроводности материала стенки. = 17 Вт/мк

12. Для нагретого воздуха определяем число Рейнольдса и Нуссельта



7. Экологичность проекта

1. Загрязнение атмосферы

Установка, представленная в проекте является теплообменником типа «труба в трубе». Во внутренней трубе под давлением протекает атмосферный воздух без всяких примесей, а во внешней- проточная вода. Таким образом, не происходит никакого загрязнения атмосферы. Не происходит никаких химических реакций с образованием газов.

2. Загрязнение гидросферы

При работе установки используется условно-чистая проточная вода. Сброс осуществляется непрерывно в очистные сооружения. Загрязнения гидросферы не происходит.

3. Загрязнение излучением

При работе установки не наблюдается никакого излучения.

4. Тепловое загрязнение

Максимально возможная температура корпуса теплообменника равна максимальной температуре охлаждающей воды, т.е. 100 градусов Цельсия. Но достичь этого при нормальной работе установки невозможно. Температура оболочки практически лишь немного превышает комнатную температуру (20-40?С).

5. Твердые отходы

При работе установки не образуется никаких твердых отходов.

6. Утилизация установки

Установка сборная.

,

где М - масса утилизируемых деталей, m-масса неутилизируемых деталей, соответственно коэффициент утилизации = 0.97, т.е. полностью утилизируется. Следовательно, установка относится к категории безотходных технологий.

Вывод. Данная установка удовлетворяет всем требованиям экологической безопасности.



8. Безопасность жизнедеятельности

Успешное решение задач по созданию безопасных и безвредных условий труда работающих на предприятиях машиностроения во многом зависит от широкого применения безопасной техники и коллективных средств защиты. Совершенствование производства, применение новых технологий, использование новых материалов, робототехники, гибких производственных систем выдвигают повышенные требования к созданию безопасных условий труда.

Безопасность трудовой (производственной) деятельности- это комплексная система мер защиты человека на производстве и производственной среды (среды обитания) от опасностей, то есть такое состояние трудовой (производственной) деятельности, при котором с определённой вероятностью исключаются потенциальные производственные опасности, влияющие на здоровье человека. Комплексную систему составляют правовые, организационные, экономические, технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические меры защиты.

Основные положения БЖД

БЖД - система знаний, направленная на обеспечение безопасности в производственной и не производственной среде с учетом влияния человека на среду обитания.

Основные предпосылки:

1. Все проблемы возникают в системе «человек- машина- производственная среда», следовательно, для их понимания необходимо изучить все звенья этой системы, имея ввиду, что каждое может являться источником опасности.

2. Последовательность решений проблемы производственной безопасности состоит из реализации трёх групп задач: анализ, прогнозирование, моделирование источников возникновения опасностей, разработка методов и средств защиты, и ликвидации последствий её проявления.

3. Для обеспечения высокого уровня безопасности технологических процессов и благоприятных условий труда на производстве необходимо использовать все методы и средства, включая технические, организационные, правовые и экономические.

Цели БЖД:

1. Достижение безаварийных ситуаций;

2. Предупреждение травматизма;

3. Сохранения здоровья;

4. Повышение работоспособности;

5. Повышение качества труда.

Анализ опасных и вредных факторов и мероприятия по устранению или снижению их воздействий.

Электробезопасность

При работе экспериментальной установки максимальное напряжение составляет 220 В. Напряжение сети является опасным, поэтому:

1) корпус источника питания должен быть надежно заземлен;

2) запрещается пользоваться одним и тем же заземлением для разных корпусов одновременно;

3) запрещается работа блока питания без кожуха, с открытыми боковыми стенками и перемещение источника питания без отключения его от сети.

Защита от электромагнитных полей

Единственным источником электромагнитных полей при работе установки является источник питания. Единственным требованием по защите от электромагнитного воздействия являются закрытые боковые стенки при работе источника питания.

Защита от шума

Уровень воздействия звукового давления (шума) должен соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.003-83. В таблице приведено извлечение из ГОСТа на рабочих местах.

Допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентного уровня звука на рабочих местах и производственных помещениях и на территории предприятий по ГОСТ 12.1.003-83 (извлечение).

Рабочие места	Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц	Уровни звука и эквивалентные уровни звука, дБА
	31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Помещения лабораторий для проведения экспериментальных работ, для размещения шумных агрегатов, вычислительных машин	107	94	87	82	78	75	73	71	70	80
Постоянные рабочие места и рабочие зоны в производственных помещениях и на территории предприятий	110	99	92	86	83	80	78	76	74	85

При превышении существующего уровня звукового давления предельно допустимого по ГОСТ 12.1.003.-83 требуется применять специальные средства защиты.

При уровне шума выше допустимого, для индивидуальной защиты, требуется применять специальные средства защиты (противошумные наушники, вкладыши и шлемы).

Кроме индивидуальной защиты необходимо предусмотреть также и коллективную защиту людей работающих недалеко от источника звука. Для коллективной защиты требуется оградить рабочее место специальными перегородками (железобетонная панель, гипсобетонная панель, древесно-стружечная плита, стальная плита с ребрами жесткости).

Защита от теплового излучения

При работе установки происходит выделение тепла. Воздух, протекающий по внутренней трубе охлаждается проточной водой в обечайке, поэтому максимально возможная температура поверхности равна температуре кипения воды, т.е. 100 градусов Цельсия. Воздух подогревается калорифером, который изготовлен из огнеупорных материалов, устанавливается вдали от легковоспламеняющихся веществ. Сам калорифер серийного производства, соответствует всем требованиям безопасности.