Моделирование процесса испарения модельной жидкости с использованием модернизированного экспериментального стенда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование процесса испарения модельной жидкости с использованием модернизированного экспериментального стенда

И.Ю. Лесняк

Омский государственный технический университет

Аннотация

Рассматриваются процессы тепло- и массообмена при термодинамическом взаимодействии набегающего потока теплоносителя и модельной жидкости в экспериментальной модельной установке. Сформирована программа экспериментальных исследований, включающая в свой состав подготовительные и основные эксперименты с учетом различных граничных условий расположения модельной жидкости на пластине «зеркало», «капля», использования газов для получения реальных по химическому составу теплоносителей и газа наддува-гелия.

Ключевые слова: эксперимент, тепло- и массообмен, граничные условия, теплоноситель, программа экспериментов.

Основные идеи, положенные в основу проведения физического эксперимента на модернизированном экспериментальном стенде (ЭС) по исследованию процесса тепло - и массообмена в условиях неопределенности граничного положения жидкости, базируются на следующих положениях [1-3]:

- обеспечение условий подобия процесса испарения жидкости с использованием газов для получения реальных по химическому составу теплоносителей (ТН_р) и газа наддува - гелия;

- обеспечение условий подобия процесса испарения жидкости с учетом температуры, расхода ТН_р и температуры пластины, на которой располагается модельная жидкость;

- обеспечение условий взаимодействия реального ТН_р с модельной жидкостью, имеющей граничное положение «капля» и «зеркало».

Программа экспериментальных исследований на модернизированном ЭС по исследованию процесса тепло- и массообмена включает две группы экспериментов:

1. Подготовительные эксперименты

1.1. Отработка измерительного комплекса ЭС (стационарные датчики температуры, мобильные датчики температуры; датчики давления, скорости, расхода ТН_р, влажности (гигрометр), газоанализатор, анализатор шума и вибраций), в том числе:

- подключение всех датчиков к сети (стационарные датчики температуры ТС1088 с измерителем-регулятором технологическим Элемер ИРТ 5920Н (24 В), многоканальный измеритель температуры МИТ-12 с мобильными датчиками температуры ТХА (220 В), датчики давления АИР 20/М2 (12-36 В), скорости Dwyer 641-6-LED (12-35 В), расхода ТН_р Festo SFAB-600U-WQ-2SA-M12 (12-30 В), гигрометр Rotronic HydroPalm (9 В), газоанализатор КОЛИОН 1-В-01 С (220 В), анализатор шума и вибраций АССИСТЕНТ (9 В)),

- проверка индикации стационарных датчиков температуры, датчиков давления, скорости, расхода, влажности, газоанализатора и анализатора шума и вибраций;

- запуск программы МИТ 12 (RS485) Версия 1.0 на ПК для проверки сигнала от мобильных датчиков температуры;

- подача воздуха с давлением 1 атм. в заглушенную магистраль и проверка показаний датчиков давления;

- проверка показаний датчиков температуры, значения которых должны соответствовать температуре воздуха в комнате;

- проверка показаний датчика расхода, при заданном давлении газа и сечении трубопровода;

- проверка показаний датчиков скорости потока газа на входе в экспериментальную модельную установку (ЭМУ), при заданном расходе газа.

- проверка показаний датчика влажности воздуха, значения которого должны быть в диапазоне 40-60%, при нормальных условиях (температура воздуха 20 ⁰С, давление от 86 до 106 кПа);

- проверка газоанализатора, путём отбора пробы паров спирта 96 % и сравнение полученных результатов с табличным значением.

1.2. Отработка системы подготовки ТН_р (баллоны с газами, коллектор для смешивания газов, соединительная и запорная арматура, электронагреватель), предназначенной для смешивания различных газов в коллекторе и получение заданного состава ТН_р, путем регулирования массового секундного расхода газов из баллонов, в том числе:

- открытие регуляторов давления до определенного значения массового секундного расхода газов из каждого баллона, определяемого по показанию индикатора на регуляторе давления. При этом разность давлений газов на входе допускается не больше 3 бар;

- отбор пробы полученной смеси газов и определение с помощью газоанализатора её состава;

- включение электронагревателя и установка необходимой температуры ТН_р с помощью регулятора температуры;

- для прогрева электронагревателя и снижения затрат ТН_р осуществляется подача воздуха в электронагреватель, получаемого с помощью системы получения газа (воздуха), в состав которой входят компрессор, ресивер, система фильтрации, соединительная и запорная арматура;

- при определенном значений температуры воздуха, соответствующей заданной и определяемой с помощью стационарного датчика температуры, подача воздуха прекращается, и осуществляется подача полученного в коллекторе газа в электронагреватель, для получения ТН_р;

- определение температуры ТН_р на входе в ЭМУ с помощью стационарного и мобильного датчиков температуры.

В случае отклонения температуры ТН_р на входе в ЭМУ от заданной, по причине потерь на магистралях между электронагревателем и ЭМУ, осуществляется более точная регулировка температуры с помощью регулятора температуры.

В случае отклонения состава газа на выходе из коллектора от заданного значения, осуществляется регулировка расхода газов с помощью регуляторов давления газов, расположенных на каждом баллоне.

Система получения газа (воздуха) позволяет проводить технологические эксперименты, в том случае, когда реальный ТН_р можно не использовать, например, при определении значений скоростей потока газа в различных точках ЭМУ, а также при прогреве электронагревателя.

1.3. Отработка отдельных элементов программы экспериментов в том числе:

- определение времени выхода на стационарный режим электронагревателя, при котором температура газа соответствует заданной температуре, с помощью регулятора температуры;

- фиксация времени полного испарения контрольных объёмов жидкости;

- фиксация изменения площади модельной жидкости;

- фиксация времени нагрева пластины до заданной температуры;

- определение массового секундного расхода газов из баллонов для получения заданного состава смеси газов;

- фиксация значений скоростей потока газа в различных точках ЭМУ.

1.4. Оценка характеристики акустического воздействия разработанного генератора Гартмана при различных параметрах ТН_р, в том числе:

- определение скорости потока газа (воздуха) на входе в ЭМУ с помощью датчика скорости потока газа;

- установка генератора Гартмана в один из входных патрубком ЭМУ;

- повторное определение скорости потока газа на входе в ЭМУ с установленным генератором Гартмана;

- определение падение скорости потока газа за счет использования генератора Гартмана;

- определение зон воздействия на жидкость потока газа при использовании генератора Гартмана, с помощью датчика скорости, путем его перемещения в объёме ЭМУ и фиксации значений скорости;

- определение с помощью анализатора шума и вибраций, значений частоты и звукового давления в различных точках ЭМУ, в том числе на поверхности жидкости;

- с использованием полученных данных построение диаграммы действия используемого генератора Гартмана и определение затрат энергии на осуществление процесса испарения жидкости с использованием генератора Гартмана и без него.

2. Основные эксперименты

Количество экспериментов определяется в соответствии с теорий планирования теплофизического эксперимента [4] и составляет не менее трёх.

2.1 Определение коэффициентов теплоотдачи ТН_р - газ наддува (гелий), газ - жидкость, газ - стенки ЭМУ, газ - пластина; жидкость-пластина

Определение коэффициентов теплоотдачи осуществляется экспериментальным путем, с использованием модернизированного экспериментального стенда, представленного на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 - экспериментальная модельная установка (ЭМУ); 2, 3, 4, 8, 9, 16, 20, 21, 34 - клапан (вентиль); 5 - компрессор; 6 - ресиверы; 7, 27, 28 - датчик давления; 10 - влагоотделитель; 11 - фильтр; 12, 23, 32 - ЭПК с датчиком давления; 13 - электронагреватель; 14 - трансформатор; 15, 27, 28 - стационарный датчик температуры; 17 - расходомер; 18 - баллон с газом наддува (гелий); 19 - стационарный датчик температуры; 22 - баллон с газом (например H₂, H₂O, CO, CO₂, CH₄); 24 - редуктор; 25 - дроссель; 26 - коллектор; 29 - мобильный датчик температуры; 30 - датчик скорости потока ТН_р; 31 - датчик влажности газа в ЭМУ (гигрометр); 32 - анализатор шума и вибраций; 33 - пластина с нагревательным элементом

термодинамический теплоноситель модельная жидкость

Схема определения коэффициента теплоотдачи в соответствии с [5-6] заключается в следующем.

Перед подачей ТН_р с заданной температуры Т_ТН в ЭМУ, предварительно проводят нагрев электронагревателя и прогрев соединительной и запорной арматуры горячим воздухом для снижения затрат ТН_р на нагрев до температуры Т_ТН.

Предварительно закрываются все вентили, кроме вентилей 2 - 4 и включаются все электроприборы и оборудование. Воздух нагнетается компрессором 5 через вентили 2 - 4 и заполняет ресивер, состоящий из двух баллонов 6.

После достижения в ресивере 6 определенного давления (до 10-16 атм.), измеряемого с помощью манометра 7, открываются последовательно вентили 8 и 9 и воздух попадает во влагоотделитель 10. Далее проходя через систему фильтрации 11, которая представляет собой блок фильтров, и предохранительный пневмоклапан 12 с датчиком давления, по которому устанавливается рабочее давление, воздух поступает в нагреватель 13, который регулируется с помощью регулятора температуры (трансформатора) 14.

В нагревателе воздух достигает заранее заданной температуры и через вентиль 9 сбрасывается в выхлопной патрубок (утилизатор), при этом происходит прогрев соединительной и запорной арматуры до температуры Т_ТН, определяемой по датчику температуры 15.

После нагрева электронагревателя и прогрева соединительной и запорной арматуры компрессор 5 выключается, вентили 2-4, 8-9 закрываются, открывается вентиль 34 и ЭМУ 1 заполняется газом гелием из баллона 18 до заданного давления, определяемого по датчику давления 28.

Осуществляется подача ТН_р в ЭМУ 1. Для этого открываются вентили 20 и газы из баллонов 22 через ЭПК с датчиками давления 23, редукторы 24 и дроссели 25 поступают в коллектор 26, в котором смешиваются. Количество баллонов 22 зависит от количества компонентов, необходимых для моделирования реального ТН_р. Необходимое соотношение компонентов задается с помощью редукторов 24 и дросселей 25. Полученный ТН_р через вентиль 21 поступает в электронагреватель 13. Расход ТН_р определяется расходомером 17, а температура на входе в ЭМУ 1 датчиком температуры 15.

ТН_р поступает в ЭМУ 1, датчиками температуры 19 и давления 28 контролируются выходные параметры испаряемой жидкости. С использованием мобильных датчиков температуры 29, скорости потока ТН_р 30 и влажности воздуха 31 определяются параметры процесса испарения жидкости.

Осуществляется нагрев пластины 33, на которой располагается модельная жидкость до температуры Т_П.

Предохранительный пневмоклапан 32 обеспечивает надежность систем ЭМУ (по величине избыточного давления). По выхлопному трубопроводу газ из ЭМУ поступает в утилизатор.

По результатам проведенных экспериментов строятся графики изменения:

- температур жидкости, стенок ёмкости, пластины, газа;

- влажности газа;

- скорости потока ТН_р в различных точках ёмкости;

- состава продуктов испарения;

- площади массоотдающей поверхности.

Используя полученные данные определяются коэффициенты теплоотдачи по.

2.2 Определение коэффициентов массоотдачи

Схема определения коэффициента массоотдачи в соответствии с [5] аналогична схеме определения коэффициента теплоотдачи в части получения и подачи ТН_р в ЭМУ и заключается в следующем:

- измерение влажности газа на выходе из ЭМУ с помощью гигрометра;

- фиксация изменения площади модельной жидкости с использованием метода сетчатого разделения поверхности на равные i-ые участки;

- определение температуры поверхности жидкости с помощью мобильных датчиков температуры;

- построение графиков зависимостей изменения температуры жидкости, влажности газа, площади массоотдающей поверхности и массового расхода жидкости по времени проведения эксперимента.

- определение коэффициента массоотдачи с использованием полученных результатов и преобразованного уравнения конвективной массоотдачи [7]

2.3 Параметрические эксперименты по определению времени полного испарения контрольных объёмов жидкости с различными граничными условиями и параметрами ТН_р (давление, расход, скорость, температура)

Каждая группа экспериментов проводится как без акустического воздействия, так и с акустическим воздействием.

Исследования проводятся при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований и экспериментальных разработок RFMEFI57714X0157.

Библиографический список

1. Трушляков В.И., Куденцов В.Ю., Казаков А.Ю., Лесняк И.Ю. Разработка методического обеспечения проведения экспериментальных исследований низкотемпературной газификации жидкости / Омский научный вестник. - Омск, 2011. - №2 (100). - С. 143 - 146.

2. Трушляков В.И., Куденцов В.Ю., Казаков А.Ю., Курочкин А.С., Лесняк И.Ю. Экспериментальные исследования процесса низкотемпературной газификации жидкости. Омский научный вестник. - Омск, 2011. - №2 (100). - С. 150 - 153.

3. Трушляков В.И., Лаврук С.А. Теоретико-экспериментальное исследования взаимодействия горячих газов с жидкостью в замкнутой модельной ёмкости / Тепловые процессы в технике, 2014. Т. 6. № (6) с. 246-253.

4. Рожков Н.Ф. Планирование и организация измерительного эксперимента: учеб. Пособие / Н.Ф. Рожков. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. - 108 с.

5. Пат. 2461890 Российская федерация, МПК G09B23/00. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива в баках отделяющейся части ступени ракеты-носителя и устройство для его реализации / Трушляков В. И., Куденцов В. Ю., Лесняк И. Ю. и др.; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2010141530/12; заявл. 08.10.2010; опубл. 20.09.2012, Бюл. № 26 - 9с.: ил.

6. Пат. 2474816 Российская федерация, МПК7 G01N29/02, B64G7/00. Способ моделирования процесса газификации остатков жидкого ракетного топлива и устройство для его реализации / Трушляков В. И., Куденцов В. Ю., Лесняк И. Ю. и др.; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2010149031/11; заявл. 30.11.2010; опубл. 10.02.2013, Бюл. № 4 - 7с.: ил.

7. Лесняк И. Ю., Лаврук С.А. Теоретико-экспериментальные исследования термодинамических процессов в экспериментальной модельной ёмкости // Динамика систем, механизмов и машин. - Омск, 2014. Кн. 2. С. 245-248.

Размещено на Allbest.ru