Теплоэнергетика, 2021, № 10, стр. 73-81

ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Градиентная теплометрия – инновационная технология, основанная на применении градиентных датчиков теплового потока (ГДТП), изготовленных из анизотропных материалов. Если такой материал представляет собой слоистый композит, то датчики являются гетерогенными градиентными датчиками теплового потока (ГГДТП). Принцип действия ГДТП и ГГДТП основан на поперечном эффекте Зеебека [9]. Регистрируемая термоЭДС пропорциональна плотности теплового потока, проходящего через датчик:

Постоянная времени ГДТП и ГГДТП составляет 10^–8–10^–9 с, что позволяет считать их практически безынерционными средствами измерения.

В качестве природного анизотропного материала ГДТП используют преимущественно монокристаллический висмут чистотой 0.9999. Вольт-ваттная чувствительность таких датчиков не зависит от температуры [9].

Изготовление ГГДТП начинают с формирования многослойного бруска из материалов, заметно различающихся по теплофизическим и электрофизическим свойствам, которые соединяют в монолит методом диффузионной сварки. Бруски разделяют на косые слои толщиной 0.1–0.2 мм на установке электроискровой резки. Гетерогенные градиентные датчики более термостойки, чем ГДТП на основе висмута, и более надежны в условиях экспериментов, однако их вольт-ваттная чувствительность зависит от температуры.

Тип датчика подбирается в зависимости от цели исследования, требуемых размеров и вольт-ваттной чувствительности.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНДЕНСАЦИИ НА НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБЫ

Результаты предыдущих исследований авторов данной работы [11, 12] подтвердили возможность использовать ГГДТП из композиции сталь 12X18H9T + Ni для изучения теплообмена при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности трубы. Новым этапом в этом направлении исследований стало применение ГДТП из монокристаллического висмута.

Экспериментальный участок, собранный по схеме “труба в трубе” показан на рис. 1, а. Внутренняя труба из нержавеющей стали наружным диаметром ${{d}_{1}}$ = 20 мм зафиксирована резиновыми пробками в кожухе из армированной резины внутренним диаметром ${{d}_{2}}$ = 60 мм. При проведении экспериментов в межтрубное пространство сверху подавался насыщенный водяной пар при атмосферном давлении, его расход составил 2.8 г/с. В трубу из нержавеющей стали поступала охлаждающая вода с температурой ${{t}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}}}}$ = 20°С и расходом 200 мл/с. Конденсат отводился в конденсатосборник, где по массе конденсата определяли его расход.

Рис. 1.

Экспериментальная модель для изучения теплообмена при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности трубы. а – схема измерительного участка; б – монтаж ГДТП и термопары; в – отвод проводов к струнам-направляющим. 1 – труба из нержавеющей стали; 2 – ГДТП; 3 – кожух; 4 – резиновая пробка; 5 – горячий спай полуискусственной термопары; 6 – струны-направляющие

Пять ГДТП из монокристаллического висмута были смонтированы на одной образующей трубы на разных расстояниях x от верхнего среза измерительного участка:

Датчики размерами 10.5 × 2.5 × 0.3 мм были установлены в выфрезерованные выемки заподлицо с наружной поверхностью трубы (рис. 1, б). Для уменьшения количества проводов измерение температуры выполнялось с помощью полуискусственных термопар, спаи которых представляют собой контакты между материалом экспериментальной модели (сталь 12Х18Н9Т) и термоэлектродами из меди. Для расчета местных КТО в местах установки датчиков приварены пять горячих спаев полуискусственных термопар из композиции сталь 12Х18Н9Т + Cu с общим холодным спаем, расположенным в месте подвода охлаждающей воды. Для уменьшения искажений в естественном течении конденсата провода от датчиков и термопар отведены по струнам-направляющим (рис. 1, в), удаленным от поверхности трубы на 7 мм. Все провода и термоэлектроды выведены через верхнюю резиновую пробку.

Регистрация термоЭДС ГДТП и термопар производилась модернизированным светолучевым осциллографом Н-145. Применение аналогового прибора вызвано низкой вольт-ваттной чувствительностью ГДТП ${{S}_{0}}$= 1.3 мВ/Вт. Провода ГДТП и термопар подключались к клеммам петлевых гальванометров марки “Вибратор” М1012, зеркала которых поворачивались в зависимости от значения сигнала. Ртутная лампа осциллографа Н-145 была заменена на 10 лазерных модулей, лучи которых отражались от зеркал гальванометров на удаленную шкалу, образуя “световые пятна”. Собственная частота гальванометров составляет 40 Гц. Видеокамера Casio Exilim EX-FH20 фиксировала положение “светового пятна”, оцифровка перемещений “световых пятен” выполнена в программе ImageJ [13]. Средняя продолжительность видеозаписи составляла 17 с, частота видеозаписи – 30 Гц. После оцифровки сигналов ГДТП и термопар мгновенные значения осреднялись по времени.

На рис. 2 представлены временны́е теплограммы – зависимости плотности теплового потока от времени τ, построенные по показаниям ГДТП при конденсации насыщенного водяного пара на вертикальной трубе. Датчики регистрируют пульсации плотности теплового потока, связанные с нестационарностью процесса. На расстоянии 300 мм от верхнего среза трубы в месте установки ГДТП № 2 (рис. 2, а) средняя плотность теплового потока составляет 130 кВт/м², а пульсации плотности теплового потока достигают ±20% среднего значения. На расстоянии 700 мм в месте установки ГДТП № 4 режим течения конденсата – волновой с числом Рейнольдса ${{\operatorname{Re} }_{4}}$ ≈ 945. (В качестве характерного размера при расчете числа Рейнольдса выбран эквивалентный гидравлический диаметр пленки d_экв = $4{{\delta }_{0}},$ где ${{\delta }_{0}}$ – средняя толщина пленки.) Средняя плотность теплового потока по показаниям ГДТП № 4 (рис. 2, б) составляет 50 кВт/м², пульсации плотности теплового потока – ±60% среднего значения. На расстоянии 800 мм, в месте установки ГДТП № 5, число Рейнольдса составляет ${{\operatorname{Re} }_{5}}$ ≈ 1080. С помощью ГДТП № 5 (рис. 2, в) регистрируются периоды до 2 с при постоянной плотности теплового потока, такие периоды могут быть связаны с образованием сложных волн на поверхности пленки. Средняя плотность теплового потока по показаниям ГДТП № 5 составила 20 кВт/м², уровень пульсаций плотности теплового потока превышает среднее значение в 2 раза. Средний по длине вертикальной трубы КТО равняется 6.06 кВт/(м² ∙ К).

Рис. 2.

Временны́е теплограммы при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности вертикальной трубы, полученные с помощью градиентных датчиков теплового потока. ГДТП (расстояние от верхнего среза трубы x, мм): а – № 2 (300); б – № 4 (700); в – № 5 (800)

Опыты на вертикальной трубе подтвердили применимость ГДТП из монокристаллического висмута для изучения теплообмена при конденсации насыщенного водяного пара и показали их высокую информативность. Цель дальнейших экспериментов – определить возможности использования градиентной теплометрии для оценки интенсификации теплообмена.

Одним из простейших и недооцененных способов интенсификации теплообмена при конденсации является наклон труб, при котором течение конденсатной пленки усложняется и под воздействием силы тяжести и вязкости разбивается на две зоны: основную и поддонную. Опыты выполнялись при отклонении ранее описанного экспериментального участка от вертикали в диапазоне ψ = 0°–90° с шагом 10°. Поворот трубы вокруг оси в диапазоне азимутального угла φ = 0°–180° с шагом 15° позволил оценить распределение местной плотности теплового потока по периметру трубы.

Обобщение экспериментальных результатов представлено в полярных координатах – угловых теплограммах, на которых плотность теплового потока приведена к относительному виду: осредненная местная плотность теплового потока ${{\bar {q}}_{{{\varphi }}}}$ отнесена к ее значению на верхней образующей трубы ${{\bar {q}}_{0}}.$ При отклонении трубы от вертикали на ψ = 20° (рис. 3, а) ГДТП № 2 указывает на практически равномерное распределение плотности теплового потока; ГДТП № 4 и 5, установленные на значительном удалении от верхнего среза трубы, фиксируют интенсификацию теплообмена в нижней части трубы. Увеличение плотности теплового потока вызвано нарушением сплошности пленки и ее отрывом от поверхности. При увеличении угла наклона до ψ = 80° (рис. 3, б) ГДТП регистрируют образование поддонной зоны в диапазоне φ = 150°–210°.

Рис. 3.

Угловые теплограммы при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности трубы при угле отклонения от вертикали ψ = 20° (а) и ψ = 80° (б). ГДТП: 1 – № 2; 2 – № 4; 3 – № 5

Зависимость КТО от угла наклона трубы представлена на рис. 4, значения КТО также приведены к относительному виду: средний КТО ${{\bar {\alpha }}_{\psi }},$ соответствующий углу наклона измерительного участка на угол ψ, отнесен к его значению на вертикальной трубе ${{\bar {\alpha }}_{0}}.$ Как видно из этого рисунка, интенсификация теплообмена наблюдается при угле наклона от 10° до 40°. При малом отклонении трубы поддонная зона не образуется и в нижнем секторе течение конденсата усложняется. Наибольший средний КТО в условиях проводимых опытов наблюдается при ψ = 20° и составляет 6.94 кВт/(м ∙ К), что на 14.9% превышает значение, полученное на вертикальной трубе.

Рис. 4.

Зависимость относительного КТО от угла наклона ψ при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности трубы

Относительная стандартная неопределенность измерения местной плотности теплового потока с помощью модернизированного светолучевого осциллографа составила 7.5%, температуры методом полуискусственных термопар – 2.5%, неопределенность расчета КТО не превысила 9%.

Результаты экспериментов подтвердили применимость ГДТП для изучения теплообмена при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности труб. Метод позволяет оценить распределение местной плотности теплового потока по поверхности трубы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНДЕНСАЦИИ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБЫ

Первые результаты экспериментов по конденсации водяного пара внутри вертикальных труб опубликовал в 1935 г. Якоб [14]. Развитие систем пассивного отвода тепла (СПОТ) в ядерной энергетике привело к появлению экспериментальных исследований теплообмена при конденсации водяного пара внутри труб [4, 6, 7]. Решение этой задачи актуально и применительно к геотермальным и петротермальным электростанциям, на которых пар конденсируется на внутренней поверхности труб [15].

Обзор работ, посвященных изучению теплообмена при конденсации пара внутри труб, подтвердил популярность термометрии и выявил ее недостатки: инвазивность, инерционность, необходимость прецизионной установки термопар, точность которой существенно влияет на неопределенность результатов. При решении задачи авторы использовали возможности градиентной теплометрии. К изучению теплообмена при конденсации насыщенного водяного пара внутри труб применялись ГГДТП размерами 10.0 × 3.0 × 0.3 мм из композиции сталь 12X18H9T + Ni.

Основное требование к экспериментальной установке (рис. 5) – минимизация искажений течения конденсатной пленки при естественном течении конденсата. Для этого производилась специальная установка ГГДТП на внутренней поверхности трубы.

Рис. 5.

Модернизированная экспериментальная установка для исследования конденсации пара на внутренней поверхности трубы

С помощью электроискрового станка на разных расстояниях от верхней кромки трубы были вырезаны четыре сегмента. В каждом сегменте (рис. 6) были выфрезерованы выемки под ГГДТП, а также отверстия для отвода проводов и термоэлектродов.

Рис. 6.

Сегмент трубы для изучения конденсации насыщенного водяного пара на внутренней поверхности трубы. а – труба с выемкой под измерительную вставку; б – измерительная вставка; в – ГГДТП; 1 – ГГДТП; 2 – термопара; 3 – провода от ГГДТП; 4 – термоэлектроды

Гетерогенные градиентные датчики теплового потока из композиции сталь 12X18H9T + Ni были установлены в сегментах заподлицо с поверхностью и зафиксированы эпоксидным клеем на одной образующей трубы на разных расстояниях x от верхнего среза измерительного участка:

Излишки клея удалялись бормашиной, а поверхность зашлифовывалась. После установки ГГДТП и хромель-алюмелевой термопары (ХА) каждый сегмент впаивался обратно в трубу. Ввиду малой толщины реза (около 0.2 мм) – слоя удаленного материала в результате вырезания сегмента – впаянный сегмент не создает уступов на внутренней поверхности трубы и течение конденсатной пленки практически не искажается. На внешней поверхности трубы с обратной от сегмента стороны монтировалась дополнительная термопара типа ХА.

Труба с установленными сегментами и термопарами помещалась в пластиковый кожух и фиксировалась в нем двумя резиновыми пробками. Провода от ГГДТП и термопар выводились через верхнюю резиновую пробку без нарушения герметичности.

При вертикальном положении трубы насыщенный водяной пар под атмосферным давлением подавался сверху; его расход составлял 4.4 г/с. Регистрация термоЭДС ГГДТП и сигналов термопар выполнялась с помощью измерительно-вычислительного комплекса National Instruments.

Временны́е теплограммы при конденсации насыщенного водяного пара на внутренней поверхности вертикальной трубы показаны на рис. 7. Датчиками № 3 и 4 регистрируются пульсации плотности теплового потока, вызванные волнообразованием на поверхности пленки.

Рис. 7.

Временны́е теплограммы при конденсации насыщенного водяного пара на внутренней поверхности вертикальной трубы. ГГДТП: а – № 1; б – № 2; в – № 3; г – № 4 Расстояние от верхнего среза трубы x, мм: а – 300; б – 500; в – 700; г – 900

На рис. 8 представлены временны́е теплограммы, полученные экспериментально с помощью ГГДТП и рассчитанные по показаниям термопар. Из этого рисунка видно, что термопары практически не фиксируют колебания теплового потока и поэтому не дают полной картины теплообмена.

Рис. 8.

Показания ГГДТП (1) и термопары (2) при конденсации насыщенного водяного пара на внутренней поверхности трубы

Изучение теплообмена внутри наклонной трубы потребовало доработки стенда. Экспериментальный участок крепили к устройству, которое позволяло отклонять трубу от вертикали на угол ψ от 0° до 90° с шагом 15°. Это устройство обеспечивало поворот трубы на азимутальные углы φ = 0°–180° с шагом 30°. Таким образом, с помощью одного ГГДТП и одной термопары удалось получить распределения теплового потока и температуры по внутреннему периметру трубы.

Результаты опытов представлены в полярных координатах, где КТО приведены к относительному виду (аналогично тому, как это было сделано в предыдущем разделе): осредненная местная плотность теплового потока ${{\bar {q}}_{\varphi }}$ соотносилась с ее значением ${{\bar {q}}_{0}}$ на верхней образующей трубы.

На рис. 9 показаны распределения безразмерной плотности теплового потока по периметру трубы при наклоне экспериментального участка на ψ = 60° и 90°. На этом рисунке видно снижение КТО в нижнем секторе трубы, связанное со скоплением конденсата. При наклоне трубы максимальный по периметру КТО наблюдается при ψ = 60°, что может быть обусловлено сложным течением конденсата по внутренней поверхности трубы.

Рис. 9.

Угловые теплограммы при конденсации насыщенного водяного пара на внутренней поверхности трубы при угле наклона экспериментального участка 60° (а) и 90° (б). ГГДТП: 1 – № 1; 2 – № 3; 3 – № 4

На рис. 10 приведена зависимость относительной усредненной плотности теплового потока при отклонении экспериментального участка от 0° до 90°. Средняя плотность теплового потока при наклоне трубы на угол ψ (${{\bar {q}}_{\psi }}$) отнесена к значению средней плотности теплового потока при конденсации насыщенного водяного пара внутри вертикальной трубы ${{\bar {q}}_{0}}.$ Максимум плотности теплового потока достигается при отклонении трубы от вертикали на угол 60°.

Рис. 10.

Зависимость относительной плотности теплового потока от угла наклона трубы

Как показали оценки авторов, относительная стандартная неопределенность измерения плотности теплового потока и расчета КТО при конденсации внутри трубы не превысила 9%.

ВЫВОДЫ

1. Градиентные датчики теплового потока из монокристаллического висмута могут быть использованы для изучения теплообмена при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности, а ГГДТП из композиции сталь 12X18H9T + Ni – на внутренней поверхности труб.

2. Показания ГДТП и ГГДТП позволяют оценить распределение плотности теплового потока по периметру трубы и сделать выводы об изменении толщины конденсатной пленки, скоплении конденсата в нижней части трубы, волнообразовании и т.п. Совмещение теплометрии и термометрии дает возможность рассчитывать средние значения КТО с относительной стандартной неопределенностью не более 9%.

3. Экспериментальные исследования конденсации насыщенного пара на наружной поверхности наклонной трубы показали, что интенсификация теплообмена наблюдается при отклонении трубы от вертикали на угол от 10° до 40°. Максимальный средний КТО получен при ψ = 20° и составил 6.94 кВт/(м ∙ К), что на 14.9% превышает значение на вертикальной трубе.

4. Использование ГГДТП для изучения теплообмена внутри наклонной трубы дало возможность выявить оптимальный угол наклона, который в условиях опыта составил ψ = 60°.