Тепловизионное определение характеристик теплообмена при течении газа

Ефимова, Александра Владимировна

Тепловизионное определение характеристик теплообмена при течении газа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Ефимова, Александра Владимировна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Екатеринбург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Тепловизионное определение характеристик теплообмена при течении газа»

Автореферат диссертации на тему "Тепловизионное определение характеристик теплообмена при течении газа"

На правах рукописи

ЕФИМОВА Александра Владимировна

ТЕПЛОВИЗИОННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТЕЧЕНИИ ГАЗА

Специальность 01.04.14 — Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет — УПИ» на кафедре «Теоретическая теплотехника».

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Жилкин Борис Прокопьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Коршунов Игорь Георгиевич кандидат технических наук, Ашихмин Александр Анатольевич

Ведущая организация:

ООО «Технологический институт энергетических обследований, диагностики и неразрушающего контроля «ВЕМО», г.Москва

Защита диссертации состоится 20 октября 2006 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.285.07 при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет — УПИ» по адресу: г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5 (8-й учебный корпус УГТУ-УПИ), ауд. Т—'703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, ученому секретарю совета университета.

Тел.:(343) 375-45-74, факс: (343)347-75-96, (343) 374-38-84, (343) 374-52-14 e-mail: a.efimova@bk.ru. kanc@mail.ustu.ru

Автореферат разослан « сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., с.н.с.

К.Э. Аронсон

Актуальность темы. Определение нестационарных характеристик теплообмена в настоящее время встало в ряд определяющих задач при создании новых образцов техники и технологий в различных областях энергетики. Это вызвано резким увеличением интенсивности передаваемых энергетических потоков и повышением требований к надежности и качеству регулирования процессов на всех этапах эксплуатации. Наиболее сложная проблема возникает при установлении закономерностей теплообмена газовых потоков, что определяется, во-первых, значительным усложнением математической постановки задачи и, во-вторых, отсутствием эффективных методик изучения нестационарных термических измерений.

Вместе с тем тепловизионные способы определения характеристик теплоотдачи позволяют не только визуализировать процесс теплового взаимодействия с участием газовой среды, но и предоставляют возможность получения принципиально новых количественных сведений о теплообменных процессах.

Цель работы - установление закономерностей теплового взаимодействия газовых потоков между собой и с поверхностью твердого тела с помощью тепловизионной термометрии.

Диссертационная работа проведена в рамках выполнения г/б темы №1686 (гос. per. №01200205928) «Создание теоретических основ теплотехнических процессов использования энергии топлива и других видов энергоресурсов в целях создания эффективных методов энергосбережения и экологически чистых энерготехнологий».

Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:

1) разработаны методика и устройство для нахождения распределения локальных тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи по термограммам процессов в газовых потоках (патенты РФ на изобретение № 2255315 и № 2279063);

2) создана и экспериментально подтверждена методика выбора геометрических и теплофизических свойств сетки-преобразователя температур с учетом газодинамических и тепловых характеристик потока;

3) установлена картина развития термической структуры течения при свободной конвекции от шара в неограниченной неподвижной газовой среде. Определены локальные мгновенные характеристики теплоотдачи и обобщены в виде уравнения подобия;

4) выявлена термографически динамика (тепловизионный фильм) развития теплового пограничного слоя в цилиндрическом канале в начальной стадии развития процесса теплопередачи;

5) установлены зависимости интенсивности теплового взаимодействия двух неограниченных ортогональных потоков в покоящейся среде от конструктивных и режимных факторов процесса. Показано, что применение закрутки потоков как средства интенсификации позволяет улучшить теплообмен в 3,6 раз по сравнению с прямоточным течением с теми же характеристиками. Полученные данные обобщены уравнением подобия для относительной интенсивности теплообмена. Достоверность результатов основывается на устойчивой

воспроизводимости результатов измерений и хорошим их согласованием на уровне тестовых экспериментов с опубликованными данными других авторов.

Практическая значимость предлагаемого метода тепловизионной диагностики заключается в возможности проводить оперативное синхронное исследование температурных полей на поверхности твердотельных объектов и в газовых потоках, ее омывающих. На основании этих данных определяются характеристики теплоотдачи как при стационарном, так и нестационарном режимах при различных видах конвекции, что в свою очередь делает возможным получение новой информации о формировании теплового режима различных видов оборудования.

Созданы датчики теплообмена, применение которых позволяет в значительной мере повысить достоверность результатов исследований, снизить временную составляющую обследований зданий и тепломеханического оборудования, повысить точность и упростить процесс измерений и, что самое главное, исключить привлечение нормативных показателей для определения характеристик теплоотдачи, получая их непосредственно при проведении тепловизионного обследования объекта. Автор защищает:

1. Тепловизионную методику одномоментного измерения температурных полей твердого тела и омывающего его газового потока и определения по этим данным характеристик процесса теплообмена; методику выбора характеристик сетки-преобразователя температур (СПТ), которая используется при тепловизионных исследованиях процессов теплоотдачи; способ тепловизионного определения параметров теплоотдачи с применением механизированного датчика теплообмена.

2. Результаты изучения процессов теплообмена в случае теплового взаимодействия нестесненных газовых потоков.

3. Результаты исследования нестационарных процессов естественной конвекции от шара и вынужденной конвекции в трубе круглого сечения.

4. Конструктивную концепцию устройств для определения характеристик теплоотдачи по результатам тепловизионных обследований в случае отсутствия возможности использования СПТ, например, при обследовании крупного промышленного оборудования.

Личный вклад автора состоит в разработке основных положений способов тепловизионных исследований и создании методик анализа полученных результатов, в непосредственном проведении комплекса исследований и обобщении их результатов, в осуществлении лабораторных и промышленных испытаний разработанных методов.

Реализация работы. Результаты данной диссертационной работы использованы для разработки нормативных документов АНО «Промбезопасность-Екатеринбург», регламентирующих процедуру

тепловизионной диагностики теплоотдачи в промышленных агрегатах и сооружениях.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены на V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2004) (Самара, 2004 г.); II Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2004 г.); Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2002, 2004 гг.); студенческой научной конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Екатеринбург, 2003 г.); XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Калуга, 2005 г.); XVII Российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2005 г.); HEFAT 2005 4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Cairo, Egypt, 2005 г.).

в номинации «Диагностика и измерительные устройства для целей энерго- и ресурсосбережения» (Екатеринбург, 2003 и 2005 гг.).

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ и получены два патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 122 наименования и приложений. Она изложена на 136 страницах и снабжена 49 рисунками и 10 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы выбор направления исследований и его цели, определен круг основных задач исследований, показаны актуальность, научная и практическая значимость решаемых проблем, приведены главные положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержится аналитический обзор литературных источников, посвященных современным задачам и методам исследования процессов теплообмена в газовой среде. Определены наиболее актуальные проблемы изучения этих процессов. Рассматриваются преимущества и недостатки тепловизионного способа измерения полей температур на поверхности исследуемых объектов и в газовой среде, их омывающей. Последнее становится возможным благодаря применению сетки-преобразователя температур (СПТ). Обсуждается вопрос недостаточной на сегодняшний момент проработки требований к геометрическим и теплофизическим характеристикам СПТ, а также отсутствие обоснования взаимосвязи между этими характеристиками и разрешающей способностью тепловизора.

Исходя из анализа литературных источников и учитывая цель работы, были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Разработать тепловизионный метод исследования, позволяющий одномоментно измерять температурные поля твердого тела и омывающего его газового потока и определять мгновенные локальные характеристики процесса теплообмена. Усовершенствовать методику выбора характеристик сетки-преобразователя температур (СПТ), которая используется при термографировании процессов теплоотдачи.

2. Установить закономерности теплообмена в случае теплового взаимодействия нестесненных газовых потоков.

3. Найти характеристики процесса естественной конвекции от шара и выявить особенности его нестационарного охлаждения.

4. Визуализировать и исследовать процесс развития вынужденной конвекции в трубе круглого сечения.

5. Разработать методику и реализующее ее устройство для определения характеристик теплоотдачи по результатам тепловизионных обследований в случае отсутствия возможности использования СНГ. Автоматизировать процесс получения информации с данного устройства. Во второй главе рассматривается вопрос совместного использования

тепловизора и сетки-преобразователя температур (СПТ), что позволяет исследовать теплообмен в газовых потоках без ограничительных твердых стенок, стационарную локальную теплоотдачу, а также особенности нестационарных процессов теплоотдачи.

Приведены основные положения способа тепловизионной диагностики процессов теплоотдачи с применением СПТ (патент РФ №2255315), разработанного совместно с A.B. Зайцевым. Данный метод представляет собой процедуру одномоментного измерения температурных полей поверхности твердых тел и омывающих их газовых потоков и заключается в синтезе стандартной методики инфракрасной диагностики твердых тел и тепловизионного исследования газового потока при определенном размещении обреза сетки у поверхности объекта. Обрез сетки размещается в области пограничного слоя при ламинарном режиме течения и в вязком подслое при турбулентном режиме.

Разработанная методика тепловизионной диагностики процессов теплоотдачи позволяет одномоментно получать термографические картины температурных полей твердого тела и газового потока, сопряженного с ним. Обработка термограмм согласно процедуре, изложенной в диссертации, позволяет определять градиент температур и вычислять локальный коэффициент теплоотдачи oty как

где Л/у — коэффициент молекулярной теплопроводности газа, Вт/(м'К); 7}— температура невозмущенной газовой среды, К; Т^ — температура поверхности твердого тела, К.

(О

и локальную плотность теплового потока qy\

ду=ау(Тшу~Т/),

(2)

Показано, что максимальная случайная составляющая погрешности измерения температуры газового потока тепловизионным способом составляет 5,1 %, определения коэффициента теплоотдачи - 8,4 %, а теплового потока -9,8 %.

Отличие второй методики, основанной на известном принципе контрольной стенки, заключается в применении специальных пассивных датчиков теплообмена (ПДТ), ПДТ (патент РФ № 2279063) (рис. 1) состоит из рабочей пластины 1 произвольной формы в плане из эластичного материала с известным коэффициентом теплопроводности, в которой сделано отверстие произвольной формы. Обе поверхности пластины датчика покрыты слоем фольги так, чтобы фольга, обращенная к изучаемой поверхности 2, закрывала всю площадь пластины и отверстие в ней, а внешняя фольга 3 также закрывала всю площадь пластины, но имела отверстие, идентичное отверстию в пластине. На датчике со стороны внешней фольги с противоположных боковых сторон установлены проставки 4 из материала с низким коэффициентом теплопроводности для крепления на них тепловоспринимающего элемента (ТЭ) в виде нити или ленты из того же материала, что и фольга, покрывающая пластину. Он используются для определения температуры газа, омывающего поверхность исследуемого твердого тела.

Тепловизор

Рис. 1. Установка с тепловизионной камерой и пассивным датчиком теплообмена для определения характеристик теплоотдачи: 1 - рабочая пластина с отверстием; 2 - внутренний слой фольги; 3 - внешний слой фольги; 4 - проставки; 5 - тепловоспринимающий элемент; 6 - поверхность; 7 - термоконтактная клеящая паста

Модернизированная конструкция датчика снабжена управляемым подвижным тепловоспринимающим элементом. Вопросы автоматизации передвижения ТЭ рассмотрены в последней главе диссертации.

Использование разработанных датчиков совместно с тепловизором позволяет дистанционно определять средние характеристики теплоотдачи или поля локальных коэффициентов теплоотдачи с высокой точностью без каких-либо допущений и приближений, а также дополнительных замеров температуры при помощи контактных преобразователей.

Далее приведено теоретическое обоснование выбора геометрических и теплофизических параметров СПТ в зависимости от трех групп факторов: тепловой инертности нитей сетки, размера структурных образований потока и оптического разрешения сканирования тепловизионной камеры.

1. Тепловая инертность нитей сетки. В качестве критерия быстродействия СПТ рассматривается время, за которое поверхность нити принимает температуру, отличающуюся от температуры газовой среды на определенную величину. Последняя определяется необходимой точностью проводимых исследований.

Оценочные расчеты показали, что современные наиболее доступные материалы, например фторопласт, позволяют фиксировать изменения температуры исследуемых потоков с частотой, не превышающей 7-10 Гц, что является недостаточным для быстротекущих процессов. В связи с этим теоретически было обосновано, что применение полых нитей, например, холофайбера, приводит к возможности увеличения частоты фиксирования исследуемых процессов до 50 Гц. Это позволяет приблизиться к пределу быстродействия современных промышленных тепловизоров (-60 Гц).

2. Размер структурных образований потока. Как одно из экспериментальных решений задачи определения размера структурных образований рассматривается метод акустической диагностики, основанной на связи частоты звука с размером структур. Показано, однако, что применение данного метода может быть ограничено из-за высоких требований к организации акустического эксперимента. В этом случае предлагается использовать сетку-тестер, которая представляет собой линейку сеток с различными диаметром и шагом нитей.

3. Оптическое разрешение сканирования тепловизионной камеры. Для оценки влияния размера ячейки сетки на точность регистрируемой о газовом потоке информации было введено обозначение периода сетки:

р = и (3)

где с/ - диаметр нити сетки, мм; Ь — расстояние между поверхностями двух соседних нитей сетки, мм. Выполнение условия I » с1 необходимо для

исключения динамического влияния сетки на скорость и направление течения газового потока.

Сформулированы условия выбора Р в зависимости от оптических свойств тепловизионной камеры, геометрии и размеров исследуемой области потока и расстояния до нее.

В третьей главе приводятся результаты тепловизионных исследований разнохарактерных типичных процессов теплообмена: взаимодействие нестесненных газовых потоков, естественной конвекции от шара и вынужденной конвекции в трубе круглого сечения.

Нестесненные течения. Принципиальная схема установки для исследования интенсивности теплового взаимодействия ортогональных газовых потоков приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки 1: 1 — электродвигатель; 2 - лабораторный автотрансформатор; 3 — вентилятор; 4 - ротаметр;

5 - вертикальный канал; 6 - вертикальный завихритель; 7 - микроманометр;

8 - воздухоподогреватель; 9 - горизонтальный завихритель; 10 - тепловизор; 11 - сетка;

12 - вычислительная машина; 13 - термопары; 14 - милливольтметр

Основными элементами данной экспериментальной установки являлись два рабочих канала, на выходные концы которых помещались сменные завихрители 6 и 9 с углами установки лопаток 15,30,45° с закруткой течения по часовой стрелке, если смотреть в сторону движения потока.

Внутренний диаметр вертикального (основного) завихрителя (Kai) варьировался от 41 до 50 мм, втулочное отношение составляло 0,49 - 0,60; центральная втулка была выполнена полой в виде трубы с толщиной стенки

I-1

1 мм, по оси которой размещался цилиндрический рассекатель — пруток диаметром 5 мм, что способствовало формированию развитой зоны обратных токов за счет ее втягивания внутрь трубчатого канала. Внутренний диаметр горизонтального (управляющего) завихрителя (№2) составлял 24,5 мм, диаметр его центральной втулки — 5 мм.

Для визуализации процесса взаимодействия перпендикулярных потоков использовались тепловизор IRTIS-200, сетка размером 500x700 мм из фторопластовых нитей толщиной 0,17 мм и размерами ячейки 1,3x1,3 мм. Параметры сетки выбирались согласно методике, описанной во второй главе диссертационной работы. При постановочных опытах для контроля определения тепловизором температуры воздуха в области взаимодействия потоков в сетку вплеталась медь-константановая термопара с диаметром термоэлектродов 0,09 мм (рис. 3).

Оси обоих завихрителей размещались в одной плоскости — плоскости сетки 4. Расстояние а = 185 мм выбиралось из соображений газодинамики о том, что на любом из режимов управляющая струя не должна ударять в завихритель основного потока.

Было проведено пять серий экспериментов, каждая при разном расстоянии z, которое изменялось от 80 до 160 мм с шагом 20 мм. Отдельно взятая серия включала в себя 9 комбинаций установки завихрителей с вариацией скоростей w^lO.15,20 м/с горизонтального потока при зафиксированной скорости w/=10, 15, 20 м/с вертикального потока. Обработка термоизображений производилась в программе NewIRTIS. Полученный визуальный образ представлял собой одномоментное измерение температурного поля газового потока (рис. 4, а). Термограммы обрабатывались с использованием программной функции «Изотерма», которая позволяла выделять области, ограниченные линией с заданной температурой (рис. 4, б).

Было установлено, что о степени термической устойчивости основной струи к управляющему воздействию можно судить по величине остаточного теплового напряжения объема взаимодействия струй Qn являющегося аналогом

у.

г а ы

1 м

ч / fi

1 -

Рис. 3. Схема рабочего участка: 1 - вертикальный завихритель (№1); 2 — горизонтальный завихритель (№1); 3 — сетка; 4 — термопара

Рис. 4. Термограмма процесса взаимодействия закрученных ортогональных потоков при = ^ = 20 м/с; у] = у2 = 15°; Г| = 80 "С, '2 = 20 "С: а - тепловое изображение процесса; б - осевое сечение области, ограниченной изотермой = 27,6 "С

теплового напряжения объема горения (объемной плотности тепловыделения) и определяемого как

= (4)

где 0= — тепловая мощность, сохраняемая основной струей к

контрольной стадии процесса смешения, Вт. Здесь й — массовый расход

газа в зоне взаимодействия, кг/с; ср — средняя (по t) изобарная массовая

теплоемкость газа, кДж/(кг'К); / - средняя температура в зоне взаимодействия, °С;

V*— объем эквивалентного (приведенного) цилиндра, м3, высота которого находилась из условия равенства площадей продольных сечений контрольной области и условного цилиндра.

Результаты экспериментов показали, что на величину теплового напряжения объема взаимодействия струй £?„ наибольшее влияние оказывают соотношение скоростных напоров течений в каналах и углы установки лопаток завихрителей.

На рис. 5 приведена зависимость приведенного показателя О«* = £?«акр / £?упряч от скорости горизонтального потока при зафиксированном

М>2, М/С

Рис. 5. Зависимость относительного теплового напряжения объема взаимодействия от

скорости истечения управляющей струи и'2 при фиксированном параметре крутки вертикального завихрителя пА| = 0,916(7 = 45°) и различных параметрах горизонтального: 1- паз = 0,916 (у = 45°); 2 - 0,523 (30°); 3 - 0,241 (15°)

конструктивном параметре крутки (по Р.Б. Ахмедову) вертикального завихрителя пА1 = 0,916. Из него следует, что при больших конструктивных параметрах крутки управляющих завихрителей тепловое напряжение объема взаимодействия закрученных струй £>««р растет с увеличением скорости истечения управляющей струи, а при малых параметрах крутки наблюдается обратная зависимость.

Для определения интенсивности теплового взаимодействия при смешении в рассматриваемой системе использовалась методика, в основе которой лежит положение о том, что чем выше интенсивность теплового взаимодействия, тем меньше размеры области потока, ограниченной изотермой с заданной температурой.

Для оценки изменения интенсивности теплообмена между ортогональными потоками и средой в результате закрутки был введен безразмерный коэффициент соотношения теплового взаимодействия в виде

CRT =

S 3

(5)

где Sup™ - площадь внутри осевого сечения изотермической поверхности взаимодействия прямоточных струй, м2; 5мкр- то же для закрученных струй, м2.

Коэффициент CRTS при наличии сведений об исходной интенсивности процесса (в рассматриваемом случае - прямоточные струи) позволяет пересчитать ее на случай применения управляющего воздействия и показывает, во сколько раз изменилась интенсивность теплообмена при закрутке потоков по сравнению с прямоточными при прочих равных условиях.

Было установлено, что на значение коэффициента соотношения теплового взаимодействия CRT, влияют (рис. 6) конструктивно-режимные параметры крутки («ся» =f(na,Re)), предложенные Б.И. Зыскиным, обоих завихрителей, относительное расстояние z. = z/d3i, где do! — эквивалентный гидравлический диаметр завихрите ля №1, м, и величина соотношения P2Wl

скоростных напоров q--2 ■

Рис. б. Зависимость комплекса '

CRT.

14 16

от безразмерного расстояния Z*:

/(паы-пскл2.Ч) 1 —псм =0^31...0,45; 2 -0,09...0,73; 3 - 0,09...0,14; 4-0,53...0,73. Точка А — узел разделения режимов

Обработка результатов измерений выявила разделение поля экспериментальных данных по СЯТ^ в зависимости от величины конструктивно-режимного параметра крутки вертикального завихрителя лСш при малых расстояниях {г, < 13) и больших соответственно на две и три режимные группы. Критериальные уравнения, обобщающие данные по отдельным режимам в области наибольшей интенсификации теплообмена при а' = а/<Лэ, = 18,5 и (г, > 13), приведены в таблице.

Уравнения для расчета коэффициента соотношения теплового взаимодействия CRT,

Конструктивно-режимный параметр крутки псы Вид уравнения

0,09-0,14 CRT, =0,49»^,2 -п™ Ул70,131г.-0,3;

0,31-0,45 CRT, =0,35 ■qolf'(-0,02zl +0,572. -2,2)

0,53-0,73 CRT, =1,18 '"сш VY-0,0U2 + 0,29г. -0,3J

Соотношения, приведенные в таблице, справедливы в диапазоне 0,1 1<лСЛг2<0,84; 0,3 <^<4,82. Среднеквадратичное отклонение массива данных CRT, не превысило 30,2 %.

В итоге было установлено, что применение закрутки взаимодействующих в затопленной среде ортогональных струй может существенно интенсифицировать теплообмен при смешении таких потоков (максимально в 3,6 раза).

Свободная конвекция. Исследование процесса теплообмена между шаром и омывающим его газовым потоком в условиях естественной конвекции было проведено с использованием установки, рабочий участок которой представлен на рис. 7.

Рис.7. Принципиальная схема рабочего участка установки для исследования естественной конвекции:

1 - штатив;

2 - объект исследования — шар;

3 - нить;

4 - рамка с ОПТ;

5 - термопара;

6 - милливольтметр

Датчиком служила рамка с натянутой сеткой-преобразователем температуры из фторопластовых нитей толщиной 0,12 мм и с размерами ячейки 1,2x1,2 мм. В сетке было сделано отверстие, диаметр которого превышал диаметр шара на 0,1 мм. Шар 2, удерживаемый пластиковой нитью 3, размещался в этом отверстии. Сетка располагалась в плоскости, проходящей через центр шара и была ориентирована перпендикулярно оптической оси тепловизора ЖТ18-200.

Опыты проводились с шарами из электролитической меди диаметрами (1,„- 0,0095; 0,02; 0,04 м и стальными шарами диаметрами с1(0= 0,012; 0,032 м. В ходе эксперимента каждый из исследуемых шаров нагревался до температуры /да=80°С. Температура окружающего воздуха составляла //= 19-20 °С.

Поверхность шаров покрывалась тонким слоем черной матовой эмали. В постановочных опытах одновременно с тепловизионной съемкой замерялись температуры поверхности шара и газового потока с помощью медь-константановых термопар. С целью исключить влияние теплового излучения других тел опыты проводились в отсутствие освещения, а рабочий участок был окружен системой экранов, покрытых черным бархатом.

На рис. 8 представлены термограммы процесса охлаждения стального шара. Полученные термические картины течений хорошо согласуются с интерферограммами других авторов.

Рис.8. Термограчмы развития во времени г процесса свободной конвекции стального шара с неограниченной неподвижной воздушной средой при 80 "С; с!,.,= 0,032 м; / /■= 20 °С

В результате обработки термограмм процесса остывания шаров были получены распределения локального коэффициента теплоотдачи а,, по углу в зависимости от времени с начала момента охлаждения г.

Во всех случаях критерий Био был меньше 0,1.

На рис. 9 показаны распределения а ^ для медного шара диаметром 40 мм, найденные путем термографирования с интервалом между кадрами 1,9 с.

Полученные при В1 < 0,1 для диапазонов 3285 < (С^Рг) < 251640; 0,05 < Го < 70; 0,0008 < К:< 0,03 данные были обобщены уравнением вида

= 3,8Ми„ ■ ехрС-К, -Го), (6)

Расчетные данные (Т.Чень) ■ Экспериментальные данные, х = 1 с -д— 240

18 •

— г « 1 с

— 240

— 3060

- --о- - - Чень, 1 с

.. -е- - Чень.240

Чень,3060

180

Рис. 9, Распределение локального коэффициента теплоотдачи аф по углу <р в центральном сечении шара для разных периодов охлаждения г. = 60 °С, с1„ = 0,04 м, // = 20 °С Участок шп - экстраполяция данных Т. Ченя на кормовую область шара (120 - 180°).

где Л'Мр =—-— . текущее значение числа

- условное начальное значение числа Нуссельта, рассчитанное при начальных условиях (т= 0) как

Ыио = (СтГ • Рг)о°']СОВ ^ (7)

здесь Сг и Рг - критерии Грасгофа и Прандтля соответственно при начальных условиях; д> - угловая координата, рад. Определяющими являются <1Ш и средняя температура;

— параметр нестационарности, определяемый как

Кх =0,0007

РоГ

(8)

где

а = а/ / а„0- отношение коэффициентов температуропроводности окружающей среды щ и материала шара - характерное

безразмерное время формирования пограничного слоя, алгоритм нахождения которого подробно описан в диссертационной работе. Зависимость (б) все же носит оценочный характер. Вопросы выделения влияния радиационного фактора рассмотрены в диссертации.

Вынужденная конвекция. Тепловизионное исследование процесса теплообмена при вынужденной конвекции воздуха в круглой трубе проводилось с помощью установки, схема которой представлена на рис. 10. Опытный участок установки представлял собой модель теплообменника «труба

в трубе», выполненную из оптически прозрачного для инфракрасного излучения пластика толщиной 0,5 мм.

2 А 3 4 5

Рис. 10. Схема экспериментальной установки: 1 - кондиционер; 2 - наружная труба; 3 - внутренняя труба; 4 - сетка-термоприемник;

5 — направляющий аппарат; 6 — термопара; 7 - милливольтметр; 8 — ротаметр;

9 - лабораторный трансформатор; 10 - эксгаустер.

Направление потоков: А - холодного воздуха; Б - горячего воздуха

Сетка-преобразователь температуры, размещалась в диаметральной плоскости внутренней трубы диаметром проходного сечения = 20 мм и длиной I = 500 мм перпендикулярно оптической оси тепловизионной камеры. Срез сетки был удален от внутренней поверхности трубы на 0,1 мм. Внутренний диаметр наружной трубы составлял <1Н = 36 мм. Рабочий участок внутренней трубы «выступал» из внешней на длину 65 мм. Для контроля температуры потока на внутренней поверхности трубы 3 была размещена медь-константановая термопара.

Процедура опыта заключалась в следующем. Включался кондиционер, и рабочий участок охлаждался до стационарного состояния. Затем запускался эксгаустер, и начинался процесс разогрева, во время которого проводилось термографирование.

На рис. 11 представлены термические картины потока, полученные для различных моментов времени с начала подачи теплого воздуха с во внутренний канал, непрерывно охлаждаемый воздухом с t„.

Было установлено, что распределение мгновенного локального теплового потока в различные периоды прогрева неодинаково (рис. 12). Сравнение этих

Рис. 11. Термограммы потока в различные промежутки времени г с момента подачи теплого воздуха во внутренний канал: а - 10 с: б- 145

воздух

расстояние от начала цилиндрическои части (см. рис. 10)

данных с динамикой изменения температуры внутренней поверхности трубы (рис. 13) в контрольной точке (место крепления термопары) позволяет различать, по крайней мере, две стадии теплопередачи, в которых направление теплового потока различно (области I и II на рис. 13).

В целом проведенные исследования различных процессов теплообмена продемонстрировали хорошие потенциальные возможности разработанной методики тепловизионной диагностики с применением СПТ.

3 2,5 2

Рис. 12. Распределение локальной плотности теплового потока на входном участке внутренней трубы в различные моменты времени г: с!в - 20 мм: №. - 22,9 м/с; IV» = 34 м/с: - 14 "С. 1. = 19 "С

Т т 1 4

Чг 4т ] [Т1

> 0.П1

1 ,¡11

О 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 Т. с

Рис. 13. Изменение температуры внутренней поверхности центрального канала /„„„ во времени г в сечении у/с/, = 3 для условий рис. 12

В четвертой главе рассмотрены вопросы практического применения разработанных тепловизионных методик в промышленности.

Была проведена термографическая съемка котельного агрегата №4 Новосвердловской ТЭЦ марки БКЭ-320-140 (рис. 14).

Полученные в результате нее сведения о коэффициентах теплоотдачи и тепловых потоках от обмуровки котла показали хорошую согласованность с результатами обследований, проведенных путем применения контактных приборов. Однако, в отличие от контактных методов, с помощью тепловизора и СПТ становится возможной визуализация теплового пограничного слоя, формируемого у внешней поверхности агрегата: первичная область А (рис. 15, в), которая образована воздухом, поднимающимся с более низких уровней обмуровки. Область Б представляет собой дальнейшее развитие этого слоя, происходящее за счёт дополнительного сильного теплоподвода от раскалённой поверхности лючка. В средней части термограммы наблюдается развитая область горячего потока В, которая создается разогретой ручкой люка.

а б в _

Рис. 15. Общий вид и термограммы области измерения: а - фотофафия; б — термограмма без термовизуализирующей сетки; в - термограмма газовых потоков: А - первичная область теплового пограничного слоя; Б — зона развития теплового пограничного слоя; В - область горячего потока, формируемая разогретой ручкой люка

Анализ таких термограмм позволяет уточнить представления о том, под действием каких факторов складывается теплоотдача на разных участках обмуровки.

В заключительной части четвертой главы рассмотрены вопросы определения характеристик теплоотдачи от нагретой стенки с помощью

пассивного датчика теплообмена (ПДГ), а также отработки конструкции и обеспечения автоматической работы ПДГ с подвижным тепловоспринимакмцим элементом (ТЭ). Для этого использовалась установка, в которой плоская поверхность нафевалась настильной воздушной струей, выдуваемой из насадка с прямоугольной формой выходного сечения.

Система автоматизации позволяла управлять перемещением ТЭ посредством электронной платы, встроенной в персональный компьютер. Для обеспечения взаимодействия всех элементов системы была написана управляющая программа в SCADA-пакете GENIE DAQ.

Обработка термоизображений и полученных данных по методике, рассмотренной во второй главе, позволила определить параметры теплообмена между поверхностью и окружающей средой, не прибегая к контактным измерениям и справочным данным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ литературных данных и комплекс проведенных исследований позволяет сделать вывод о перспективности использования разработанных методик тепловизионной диагностики при исследованиях процессов теплообмена с газовыми теплоносителями.

Получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика тепловизионного исследования процессов теплоотдачи в газовых средах с использованием сетки-преобразователя (СПТ) температур, которая защищена патентом РФ. Установлен регламент выбора параметров СПТ в зависимости от термогазодинамических характеристик потока, размеров структурных образований и разрешающей способности оптической системы тепловизора. Эта методика позволяет получать данные как о стационарной, так и о нестационарной локальной теплоотдаче.

2. Разработаны пассивные датчики теплообмена (ПДГ), защищенные патентом РФ, для тепловизионного исследования процессов теплоотдачи. Процесс управления ПДТ автоматизирован. Применение таких датчиков позволяет исключить привлечение нормативных показателей для определения характеристик теплоотдачи и находить их непосредственно при термографировании объекта.

интенсификации позволяет улучшить теплообмен в 3,6 раза по сравнению с прямоточным течением с теми же характеристиками. Полученные данные обобщены уравнением подобия для относительной интенсивности теплообмена.

4. Выявлены отличия между процессами стационарной и нестационарной теплоотдачи для шара, находящегося в покоящейся газовой среде. Показано, что мгновенный локальный коэффициент теплоотдачи может превышать такой же показатель для стационарного режима более чем в 2 раза. Полученные данные по теплообмену обобщены уравнением подобия, учитывающим термические условия процесса, теплофизические свойства газа и материала шара, время и угловую координату точки, в которой рассматривается теплообмен.

5. Установлено, что при нестационарной вынужденной конвекции в случае движения газа в цилиндрическом канале процесс формирования теплового пограничного слоя на входном участке имеет две фазы развития. При этом происходит изменение закона распределения локального теплового потока вдоль канала во времени.

6. Апробация разработанных методик в промышленных условиях показала высокую эффективность их применения.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Пат. 2255315 RU, МКИ G 01 К 13/02. Способ тепловизионной диагностики процессов теплоотдачи / Богатова Т.Ф., Ефимова A.B., Жилкин Б.П., Зайцев A.B. и др. Заявл.16.07.04, № 2004122019. Опубл. 27.06.2005. Бюл.№18.

2. Пат.2279063 RU, МКИ G 01 N 25/00. Устройство для определения характеристик теплоотдачи / Богатова Т.Ф., Ефимова A.B., Жилкин Б.П., Зайцев A.B., Зайцев К.В. Заявл.ОЗ. 12.04, № 2004135439. Опубл. 27.06.2005. Бюл.№18.

3. Актуальность и проблемы применения тепловизионного мониторинга зданий и сооружений / A.B. Ефимова, CJE. Щеклеин, Г.В. Тягунов, В.И. Велькин // Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Екатеринбург, 2002. С.98

4. Ефимова A.B. Тепловизионный контроль зданий - путь к энергосбережению / A.B. Ефимова, И.С. Хает // 3-я Межрегиональная научно-техническая конференция «Энергосбережение в зданиях - проблемы и решения. Фасадные системы», Екатеринбург, 12 ноября 2003 г. Екатеринбург: Изд-во Уральского дома науки и техники, 2003. С.11-12.

5. Тепловизионная диагностика термической структуры газовых потоков / A.B. Ефимова, A.B. Зайцев, Б.П. Жилкин, Д.Н. Токарев, К.В. Зайцев, X. Дашпунцаг // Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. Теплоэнергетика. 2004. №3(33).С. 139-143.

6. Тепловизионная диагностика неравновесных газовых струйных потоков / А.В. Ефимова, К.В. Зайцев, X. Дашпунцаг, Т.Ф. Богатова, Б.П. Жилкин // Тезисы докладов V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ - 2004), Самара, 5-10 июля 2004 г. М.: Вузовская книга, 2004. С. 99-100.

7. Исследование модели высокотемпературного газового реактора при помощи тепловизора / А.В. Ефимова, СЛ. Шкляев, Б.П. Жилкин, С.Е. Щеклеин // «Студент и научно-технический прогресс»: сборник тезисов докладов студенческой научной конференции, Екатеринбург, 2005 г. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. С.96-97.

8. Определение локальной интенсивности теплоотдачи с помощью тепловизора / А.В. Ефимова, А.В. Зайцев, Б.П. Жилкин, С.Е. Щеклеин // Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. Теоретические и экспериментальные исследования в энерготехнологии. 2005. №4(56). С.181-186.

9. Тепловое взаимодействие двойных закрученных струй с окружающей средой / А.В. Ефимова, К.В. Зайцев, Т.Ф. Богатова, Б.П. Жилкин // Тезисы докладов Второй Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва 15-17 марта 2005 г. М.: Изд-во МЭИ, 2005. С.150-151.

10. Ефимова А.В. Тепловизионное исследование теплоотдачи газовых потоков / А.В. Ефимова, Б.П. Жилкин // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: тр. XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева, Калуга, 23-27 мая 2005 г. М.: Изд-во МЭИ, 2005. С. 329-332.

11. Efimova A.V. Definition of instant local characteristics of gas flows heat convection with using the infrared camera (IRC) / A.V. Efimova, B.P. Zhilkin, S.E.Scheklein // Proceedings of the HEFAT-2005 (4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Cairo, Egypt, 19-22 September, 2005). Paper No. EA2 [Электронный ресурс] — Электронные данные - Cairo, Egypt: Proceedings of the HEFAT-2005 (4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Cairo, Egypt, 19-22 September, 2005) Edited by: JP Meyer & AG Malan. - 1 CD-ROM; 12 см. - Системн. требования: Pentium 350 MHz CPU PC, 64 Mb RAM, 8 Mb Graphics Card, Super VGA Monitor; Windows (2000, Me, XP); Adobe Acrobat Reader (5.05, 6.0).

12. Ефимова А.В. Тепловизионное исследование пограничного слоя с применением автоматизированного датчика теплового потока / А.В.Ефимова, А.Ю.Кисельников, Б.П.Жилкин И XVII Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика», Екатеринбург, 5-11 сентября 2005 г. Екатеринбург: Изд-во ИМАШ УрО РАН, 2005. С.164.

13. Ефимова А.В. Разработка и испытание автоматизированного датчика теплового потока для использования при тепловизионных обследованиях / А.В. Ефимова, Б.П. Жилкин // XVII Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика», Екатеринбург, 5-11 сентября 2005 г. Екатеринбург: Изд-во ИМАШ УрО РАН, 2005. С.185.

14. Ефимова А.В. Влияние нестационарности на локальную теплоотдачу при свободной конвекции для шара в газе / А.В. Ефимова, Б.П. Жилкин // Электронный журнал «Исследовано в России», 073, стр.727-733, 2006. http://zhumal.ape.relani.ru/articles/2006/073.

Подписано в печать 08.09.2006 Формат 60x84 1/16

Бумага писчая Плоская печать Усл. печ. л. 1,39

Уч.-изд. л. 1,3 Тираж 100 Заказ 170 Бесплатно

Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Ефимова, Александра Владимировна

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 .Приборы и методы экспериментального исследования полей температуры для получения информации о процессах теплообмена.

1.2.Тепловизионная диагностика полей температуры.

1.3 Выводы и постановка задач исследований.

2. РАЗРАБОТКА ТЕПЛОВИЗИОННЫХ МЕТОДОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА.

2.1 .Выбор геометрических параметров и теплофизических свойств материала сетки-преобразователя для тепловизионных исследований процессов теплообмена.

2.2.Методика тепловизионной диагностики процессов теплоотдачи.

2.3.Погрешности тепловизионного метода определения локальных коэффициентов теплоотдачи.

2.4. Способ тепловизионной диагностики с использованием пассивного датчика теплообмена.

3. ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛООБМЕНА.

ЗЛ.Тепловизионное исследование интенсивности теплового взаимодействия ортогональных газовых потоков при различных закрутках газового потока

3.2.Исследование локальной нестационарной теплоотдачи при свободной конвекции для шара в газе.

З.З.Тепловизионное исследование процесса теплообмена при вынужденной конвекции воздуха.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ

ТЕПЛОВИЗИОННЫХ МЕТОДИК В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

4.1.Тепловизионное обследование котельного агрегата №4 Новосвердловской ТЭЦ марки БКЭ-320-140 с целью определения характеристик теплоотдачи.

4.2.Пассивный датчик теплообмена для исследований нестационарных быстропротекающих процессов.

Введение диссертация по физике, на тему "Тепловизионное определение характеристик теплообмена при течении газа"

Определение нестационарных характеристик теплообмена в настоящее время встало в ряд определяющих задач при создании новых образцов техники и технологий в различных областях: энергетической, авиакосмической, химической, атомной и т.д. Это вызвано резким увеличением интенсивности передаваемых энергетических потоков и повышением требований к качеству регулирования процессов на всех этапах эксплуатации.

При этом наиболее сложная проблема возникает при исследовании закономерностей теплообмена газовых потоков в нестационарных режимах, что определяется, во-первых, значительным усложнением математической постановки задачи, и, во-вторых, отсутствием эффективных методик изучения нестационарных термических измерений.

В настоящее время наиболее эффективным является направление экспериментальных исследований с применением тепловизионной диагностики [1], метода, имеющего неоспоримые преимущества перед традиционными методами измерений:

- высокое быстродействие;

- одномоментное измерение температур в большой области;

- метод бесконтактный и дистанционный;

- высокая чувствительность тепловизоров (до 0,03 °С)

- относительно широкий диапазон рабочих температур современных тепловизоров (-20. .+50 °С);

- широкий диапазон измеряемых температур (-30. .+2000 °С);

- мобильность и небольшие массо-габаритные показатели аппаратуры;

- возможность контроля изделий из различных материалов с различными формами поверхности;

- возможность диагностики движущихся объектов;

- высокая информативность и др.

Основные принципы функционирования и положения о методах теплового неразрушающего контроля, а также возможности его применения представлены в работах ученых О.Н.Будадина, В.П.Вавилова, В.И.Дроздова, В.И.Сухарева, Ж.Госсорга, Дж.Ллойда, А.И.Потапова, Н.А.Бекешко, Д.А.Рапопорта, Л.ЗЛСриксунова, Р.К.Ньюпорта, Г.А.Падалко, В.И.Колганова, Е.В.Абрамовой, Т.Е.Троицкого-Маркова, и многих других отечественных и зарубежных исследователей.

Суть тепловизионного метода или метода тепловизионной температурометрии заключается в регистрации полей распределения температур на поверхности контролируемого объекта в инфракрасном спектре. После частотного преобразования изображение выводится на экран в понятном для человека образе, близком к фотографическому [2].

Недостатком существующих методов тепловизионного контроля является возможность визуализации температурных полей лишь на поверхности объекта и, соответственно, невозможность регистрации температурного поля газового потока вблизи этой поверхности без дополнительных устройств. В то же время, именно эта информация позволяет наиболее корректно определить, в результате действия каких факторов сформировалось то или иное распределение температуры на исследуемой поверхности.

Группой исследователей УГТУ-УПИ было запатентовано устройство, позволяющее визуализировать газовые потоки с помощью тепловизионной съемки [91], это сетка-преобразователь температур (СПТ). Однако требования, предъявляемые к материалу и геометрическим характеристикам СПТ, были изложены достаточно расплывчато, что ограничивало возможности ее применения для исследования некоторых видов теплового взаимодействия.

В то же время, изобретение СПТ позволило одноментно в результате тепловизионной съемки получать картину распределения температур как на поверхности твердого тела, так и в газовом потоке, омывающем его. Логично предположить, что наличие такой информации может стать предпосылкой к 8 созданию новых методов исследования процессов теплообмена. Кроме того, совместное использование тепловизора и сетки-преобразователя температур позволяет визуализировать процесс изучаемого взаимодействия. Возможность получения принципиально новых сведений о теплообмене привело к постановке целей и задач данной диссертационной работы.

Целью работы явилось установление закономерностей теплового взаимодействия газовых потоков между собой и с поверхностью твердого тела с помощью тепловизионной термометрии. В задачу исследования входило:

1. Разработка тепловизионного метода диагностики, позволяющего одномоментно измерять температурные поля твердого тела и газового потока, омывающего его и определять характеристики процесса теплообмена. Усовершенствование методики выбора характеристик сетки-преобразователя температур (СПТ), которая используется при тепловизионных исследованиях процессов теплоотдачи.

2. Исследовать процессы теплообмена в случае теплового взаимодействия нестесненных газовых потоков с помощью тепловизионной диагностики.

3. Исследовать процесс естественной конвекции от шара и установить особенности нестационарного охлаждения.

4. Исследовать и визуализировать процесс вынужденной конвекции в трубе круглого сечения.

5. Разработать устройство для определения характеристик теплоотдачи по результатам тепловизионных обследований для случая отсутствия возможности использования СПТ, например, при диагностике крупного промышленного оборудования. Автоматизировать процесс получения информации с данного устройства.

Научная новизна работы заключалась в следующем:

Основные результаты диссертационной работы и ее отдельные положения были представлены и получили одобрение на V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2004) (Самара, 2004 г.); II Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2004 г.); Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2002, 2004 гг.); студенческой научной конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Екатеринбург, 2003 г.); XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Калуга, 2005 г.); XVII Российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2005 г.); HEFAT 2005 4th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Cairo, Egypt, 2005 г.).

Работы с участием автора в области тепловизионного контроля удостоены на Всероссийской выставке научно-технического творчества студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» двух дипломов за I место в номинации «Диагностика и измерительные устройства для целей энерго- и ресурсосбережения» (Екатеринбург, 2003 и 2005 гг.).

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ в научных журналах и сборниках трудов, материалах Российских и Международных

11 конференций. По теме диссертации получены патенты РФ №2255315, зарегистрированный в Государственном реестре изобретений 16.07.2004г и № 2279063 от 27.06.06.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получены следующие основные результаты:

2. Разработаны пассивные датчики теплообмена (ПДТ), защищенные патентом РФ, для тепловизионного исследования процессов теплоотдачи. Процесс управления ПДТ автоматизирован. Применение таких датчиков позволяет исключить привлечение нормативных показателей для определения характеристик теплоотдачи и находить их непосредственно при термографировании объекта.

3. Для случая теплообмена двух неограниченных ортогональных газовых потоков в покоящейся среде установлена зависимость интенсивности теплового взаимодействия от конструктивных и режимных факторов протекающего процесса. Показано, что применение закрутки потоков как средства интенсификации позволяет улучшить теплообмен в 3,6 раза по сравнению с прямоточным течением с теми же характеристиками. Полученные данные обобщены уравнением подобия для относительной интенсивности теплообмена.

6. Апробация разработанных методик в промышленных условиях показала высокую эффективность их применения.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Ефимова, Александра Владимировна, Екатеринбург

1. Тепловой неразрушающий контроль изделий: Научно-методическое пособие / О.Н.Будадин, А.И.Потапов, В.И.Колганов, Т.Е.Троицкий-Марков, Е.В.Абрамова.-М.:Наука,2002. —472с.

2. Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и BJI// РД. 153-34.0 20.363 - 99.-М., 1999.-190с.

3. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., Высшая школа, 1967

4. Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 254 с.

5. Й.Джалурия. Естественная конвекция, М.:Мир, 1983 400стр

6. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Справочник. М.: Атомиздат, 1979.

7. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена. М.: Высшая школа, 1974, 328 с.

8. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие.-М.: Энергоатомиздат, 1990.-367 с.

9. Стырикович М.А., Полонский B.C., Циклаури Г.В. Тепломассообмен и гидродинамика в двухфазных потоках атомных электрических станций. М.: Наука, 1982. -368 с.

10. Температурные измерения: справочник / О.А. Геращенко, А.Н. Гордов, В.И. Лах и др. Киев: Наукова думка, 1989. 702 с.

11. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общей ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. М.:Энергоатомиздат, 1982. -512с.

12. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978. - 704с.

13. В.Н. Попов Об искажении температурного поля в области закладки термопар. ТВТ, 1966, т.6, №2, с.261

14. Линевег Ф. Измерение температур в технике: Справочник: пер. с нем. М.: Металлургия, 1980. 543 с.

15. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ Под общей ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина. М.:Изд-во МЭИ, 2001.-564с.

16. Теплофизические свойства веществ / Под ред. Н.Б. Варгафтика. Л.: Госэнергоиздат, 1956.

17. Теплопроводность твердых тел: Справочник / АС. Охотин, Р.П. Боровикова, Т.В. Нечаева, А.С. Пушкарский. Под ред. А.С. Охотина. М.: Энергоатомиздат, 1984.

18. Гордов А.Н. Основы пирометрии. М.:Металлургия, 1971. - 447 с.

19. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М.:Госэнергоиздат,1962. -331 с.

20. В.В.Носов, Г.Н.Лукьянов. Применение тепловизора в качестве средства технической диагностики оборудования и объектов предприятий. С.Пб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. - 42 с.

21. Рибо Г. Оптическая пирометрия. М.: Гостехтеориздат, 1934. - 455 с.

22. Методика инфракрасной диагностики тепломеханического оборудования// РД. 153-34.0 20.364 - 00.-М.:ОРГРЭС,2000.-82с.

23. Ж.Госсорг. Инфракрасная термография. М. «Мир», 1988. 416 с.

24. Инфракрасная термография в энергетике. Т1. Основы инфракрасной термографии/ А.В.Афонин, Р.К.Ньюпорт, В.С.Поляков и др. Под ред. Р.К.Ньюпорта, А.И.Таджибаева. СпБ.:Изд-во ПЭИПК, 2000 г. - 240 с.

25. B.C. Поляков. Методические указания. «Применение тепловизионных приемников для выявления дефектов высоковольтного оборудования», Л., ЛИПКЭн, 1990.

26. Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. М.: Высшая школа, 1980. -423 с.

27. Прикладная аэродинамика / Н.Ф. Краснов, В.Ф. Кошевой, А.Н. Данилов и др.; Под ред. Н.Ф. Краснова. М.: Высшая школа, 1974. 731с.

28. М.Ван-Дайк. Альбом течений жидкости и газа. М.:Мир, 1986, 240 с

29. Практикум по теплопередаче: Учебное пособие для вузов/ А.П.Солодов, Ф.Ф.Цветков, А.В.Елисеев, В.А.Осипова; Под ред. А.П.Солодова. -М.:Энергоатомиздат, 1986 296 с.

30. Саламандра Г.Д. Фотографические методы исследования быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1974.

31. ЗЗ.Электродиффузионная диагностика турбулентных потоков: Сб. трудов / Под ред. С.С. Кутателадзе. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1973.

32. Рейнольдс А. Дж. Турбулентные течения в инженерных приложениях: Пер. с англ. М.;Энергия,1979 - 408 стр.

33. Шубауэр Г., Чен К. Турбулентное течение. В кн.; Турбулентное течение и теплопередача. М.; Изд-во иностр. лит., 1963.

34. Зб.Знаменская И.А., Мурсенкова И.В. Визуализация сложных течений газа//Вестник ЦМО МГУ, 1997. №1

35. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения (методы и приборы) М.: Наука, 1964. 720 с.

36. Ринкевичус Б.С. Современные оптические методы в исследовании задач тепломассообмена // Труды Второй Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Издательство МЭИ, 1998. Т. 1. с.70-75

37. Хауф В., Григуль У. Оптические методы в теплопередаче: Пер. с англ. / Под ред. В.Я. Лихушина. М.: Мир, 1973. 240 с.

38. В.П.Вавилов, Е.Ахмед, Д.Джин и др. Экспериментальная тепловая томография твердых тел при импульсном одностороннем нагреве // Дефектоскопия. 1990. № 2.

39. Bradshaw P. The turbulence structure of ecuilibrium boundary layers J.Fluid Mech., 1967, 29, p 625-645

40. Садовников Г.В., Смольский Б.М., Щитников B.K. Исследование совместного процесса тепло- и массопереноса с помощью интерферометра // Тепло- и массоперенос. М.: Энергия, 1968. Т. I.e. 520-530.

41. Идельчик И.Е. Некоторые эффекты и парадоксы в аэродинамике и гидравлике. М.: Машиностроение, 1982 - 96 с.

42. Свиргун СВ., Шевчук А.И. Энергетический расчет оптических систем с узкополосными интерференционными фильтрами // Опт.-мех. пром-сть. 1977, №4. С. 68-69.

43. Гуменник Е.В., Ринкевичюс Б.С. Использование рефракции сканируемого лазерного пучка для исследования структуры прозрачных неоднородностей//ТВТ. 1987. Т.25. № 6. с. 1191-1200

44. Greenhalagh D.A. Inelastic scattering laser diagnostics; CARS, Planar LIF and Planar LII. In 2., p.357-389.

45. M.M. Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов. JL, Машиностроение, 1977.

46. Д.Я. Свет. Оптические методы измерения истинных температур.- М.; Наука, 1982.

47. JI.A. Новицкий, Б.М. Степанов. Оптические свойства материалов при низких температурах/Справочник. М.; Машиностроение, 1980.

48. Васильев JI.A. Теневые методы. М.: Наука, 1968. 400 с.

49. Corrsin S. Turbulence: experimental methods, vol. VIII, 2, Handbuch der Physik. Berlin: Springer, 1963.

50. И.А.Хребтов, В.Г.Маляров. Неохлаждаемые тепловые матричные приемники ИК излучения. Оптический журнал, том 64. № 6, 1997, с.З—16.

51. P.W.Kruse. A comparison of the limits to the performance of thermal and photon detector imaging arrays. Infrared Physic Technology, 1995, v.46, p. 869-882.

52. V.A.GalIo, D.S.Willits, R.A.Lubke, E.C.Thiede. Low cost uncooled IR sensor for battlefield surveillance. Proc. SPIE, 1993, v.2020, p.351—362

53. R.A.Wood. Uncooled Thermal imaging with monolithic silicon focal plans. Proc. SPIE, 1993, v. 2020, p. 322-329

54. R.Owen, J.Belcher, H.Beratan, S.Frank. Producibility advances in hybrid uncooled infrared devices, Proc. SPIE. 1994, v. 2225, p. 79-86

55. В.П. Вавилов Активный тепловой контроль многослойных изделий: Автореф. дис.д-ра техн. наук. М., 1985. 35 с.

56. Н.А. Бекешко. Некоторые актуальные вопросы развития методов и средств теплового неразрушающего контроля // Дефектоскопия. 1986. № 12.

57. А.с. 1712852 СССР, МКИ G01 №25/72. Способ тепловизионного контроля внутренних дефектов/В.М. Сапцин, В.П. Вавилов. Заявл. 27.11.89, №4762166/25.

58. Пат. 2059230 RU, МКИ G 01 № 25/72. Способ инфракрасного дефектоскопирования / Е.В. Берников, С.С. Гапонов, В.И. Туринов. Заявл. 27.11.92, №92007717/25.

59. Pat. 4854724 US. Способ и устройство для термографической проверки швов, полученных точечной сваркой / M.S. Adams, Е.М. Crisman. Заявл. 05.03.86.

60. Pat. 4996426 US. Устройство для обнаружения подповерхностных дефектов в отражающих материалах путем регистрации профиля тепловизионного изображения/P.G. Cielo, X. Maldague, J.C. Kraper. Заявл. 11.09.89.

61. Pat. 5294138 US. ИК контрольная система и способ индикации тепловой эмиссии/Nan S. Yang. Заявл. 05.04.93.

62. Ljungberg S.A. Infrared techniques in building and structures: Operation and maintenance //Infrared methodology and technology. N.Y.: Gordon and Breach, 1994. (Nondestructive Testing Monographs and Tracts; Vol. 7, p. 211-252.).

63. Pat. 5562345 US. Способ и устройство для термографического и количественного анализа структуры и включений / J. Heyman, W. Winfrec. Заявл. 05.05.92.

64. Pat. 5631465 US. Способ обработки термографических данных при неразрушающем контроле / S.M. Shepand. Заявл. 29.02.96.

65. B.Petersson, B.Axen. Thermography: Testing of thermal insulation and airtghtness of buildings / Swedish Council for Building Research. Stockholm, 1980. p 130.

66. В.П.Вавилов. Диагностика строительных конструкций методом инфракрасной термографии // В мире неразрушающего контроля. 2000. № 2. С. 8-11.

67. X.Malcaque, J.C.Kraper, P.Ciclo, D.Poussart. Infrared thermographic inspection by internal temperature perturbation techniques // Non-destruct. test.: Proc 12th World conf., Amsterdam, Apr. 23-28,1989. Amsterdam etc., 1989. Vol. 1, p. 561566.

68. Murphy I.C., Maclachlan I.W. et al. Thermal imaging of farrier coatings on refractory substrates // Rev Progr. Quant. Non-Destruct. Eval. 1988. Vol. 7 A, N 7. p. 245-252.

69. Monti R., Marnara G. The computerized thermography for NDT in aerospace applications //Non-destruct. test. Proc. 4th Europ. conf., London, 13-17 Sept., 1987. Oxford etc., 1987. Vol. 2. p. 1266-1279.

70. Thermographic inspection of electrical installations. Stockholm, 1985. p 45.

71. Международный стандарт ISO 6781-83. Теплоизоляция. Качественное выявление теплотехнических нарушений в ограждающих конструкциях. Инфракрасный метод.М., 1983.

72. Дроздов В.И., Сухарев В.И. Термография в строительстве. М.: Стройиздат, 1987. 240 с.

73. Luong M.P. Infrared thermography of fatigue behavior of concrete // Proc. 1 1th Europ. conf. on earthquake engineering. P., 1998. P. 11.

74. ANSI/ASHRAE standard 101-1981. Application of infrared sensing devices to the assessment of building heat loss characteristics. Atlanta (Ga.), 1981.

75. ASTM standard C1060. Thermographic inspection of insulation in envelope cavities in wood frame buildings. Philadelphia (Pa.), 1987.

76. ISO standard 6781. Thermal insulation qualitative detection of thermal irregularities in building envelopes - infrared method. N.Y., 1981.

77. ASTM CI 153-90. Standard practice for the location of wet insulation in roofing systems using infrared imaging//Annual book of ASTM standards. Philadelphia (Pa.), 1990.

78. Vavilov V.P., Grinzato E., Bison P.G., Marinetti S. Non-destructive testing of delaminations in Frescoes plaster using transient infrared thermography // Res. NDE. 1997. Vol. 5, N4. P. 57-71.

79. Hart J.M. A practical guide to infrared thermography for building surveys // Building research establishment report. Watford.

80. ASTM designation E 1186-87. Standard practices for air leakage site detection in building envelopes. Philadelphia (Pa.), 1987.

81. Guidelines for specifying and performing infrared inspections / Infraspection Inst. Thermographic inspection of electrical installations. Stockholm, 1985.45 p.

82. Ю.А.Попов, А.А.Кеткович, Г.С. Хулап и др. Обнаружение отслоений в трехслойных изделиях с использованием быстродействующего тепловизора // Дефектоскопия. 1975. № 6. С. 62-67.

83. Evans J. Meteorology and infrared measurements// Proc. SPIE. 1981. Vol.313: Thermosense IV.

84. Wilson D.W., Charles J.A. Thermographic detection of adhesive bond and interlaminar flaws in composites / Center for Composite Materials College of Engineering Universities of Delaware. Dover, 1980. 24 p.

85. W.D.Clarce, R.T. Mack. Обнаружение пустот в пеноуретане с помощью термографии II). Cell. Plast. 1986. Vol. 22, N 5. P. 404-414.

86. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука , 1974 .-712 с.

87. А.В.Афонин, В.В.Казанский, В.С.Яцек. Моделирование спектральной освещенности элементов земной поверхности от небосвода в тепловой ИК области спектра/Оптический журнал, № 2, 2000.

88. Пат. №2230300 РФ. Устройство для визуализации газовых потоков/А.Н.Шуба, Б.П.Жилкин и др. Заявл.10.06.04.

89. Демидов Е.Ф., Шаркова Э.В. Влияние качества объектива на отношение сигнал/шум в сканирующих оптико-электронных системах // Опт.-мех. пром-сть, 1976. № 6. С. 3-6.

90. Ухов Б.В., Клочкова В.Г., Красников Д. Н. и др. Влияние аберраций оптической системы на основные параметры тепловизора // Опт.-мех. пром-сть, 1978. № 11. с. 3-5.

91. Раковский Ю.Н. Совместная оптимизация оптических фильтров в сканирующих оптико-электронных системах // Опт.-мех. пром-сть, 1978. С. 17-20.

92. Техническая термодинамика. Теплопередача. / Б.Н.Юдаев М.: Высшая школа, 1988. - 479 с. С. 292

93. П.В.Цой. Методы расчета задач тепломассопереноса.-М.:Энергоатомиздат,1984. 416с.

94. М.Ю.Коновалов. Гидродинамика и теплообмен струй и факелов, сформированных многоканальными аксиальными завихрителями/ Дисс.канд.техн.наук.- Ек-г, Машинопись, 2006.

95. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука, 1981.208 с.

96. Пат. 2255315 RU МКИ G 01 К 13/02. Способ тепловизионной диагностики процессов теплоотдачи / Богатова Т.Ф., Ефимова А.В., Жилкин Б.П., Зайцев А.В. и др. заявл. 16.07.04, № 2004122019

97. Залманзон JI.A. Теория элементов пневмоники. М.: Наука, 1969. 508 с.

98. Теплопередача/ В.П.Исаченко, В.А. Осипова, А.С.Сукомел /М.: Энергоиздат, 1981. 485с.

99. А.Н. Шуба. Гидродинамика и теплообмен затопленной газовой струи, сформированной одно- и двухканальным аксиальным завихрителем/Автореферат дисс.канд.техн.наук.- Ек-г, Машинопись, 2002.

100. Merk H.J., Prins J.A., Appl.Sci.Res.,SecA, 4 (I,II,III), 11,195,207 (1953-1954)

101. Braun W.H.,Ostrach S., Heighway J.E., Int.J.Heat Mass Transfer, 2,121 (1961)

102. Чень Т., Оссин А., Тайн C.JI. Решение задачи о ламинарном пограничном слое в условиях свободной конвекции для шара. // Труды Амер. О-ва инж.-мех., сер. С, Теплопередача, 1964, №4, стр.81

103. Amato W.S., Tien С.,Int.J.Heat Mass Transfer, 15, 327 (1972)

104. Acrivos A., A.I.Ch.E.J., 6, 584(1960)

105. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.1/ Пер. с англ. под ред. Б.С.Петухова,В.К.Шикова.-М.:Энергоатомиздат,1987.560с.// В.Гнилинский. Теплообмен при однофазной конвекции, с.233-247.

106. Perry А. Е., Schofield W. Н., Joubert Р. N. Rough wall turbulent boundary layers.—J. Fluid Mech., 1969, 37, p. 383—413.

107. Coles D. Interfaces and intermittency in turbulent shear-flow. The mechanics of turbulence. — Proceedings of Symposium Held in Marseilles. New York: Gordon and Breach, 1964.

108. Henderson F. M. Open channel flow. New York: Macmillan, 1966.

109. Hinze J. 0. Turbulent pipe-flow. — Proceedings of a Symposium Held in Marseilles: The Mechanics of Turbulence. New York: Gordon and Breach, 1964.

110. R.A.McClatchey, R.W.Fenn, J.E.A.Selby Optical properties of the atmosphere, air force Cambridge research laboratories, AFCRL 70 - 0527, 1970

111. O.M.Williams. Noise limitations in dynamic infrared scene projection. SPIE, 1995, v.2552, p. 44-55

112. Новицкий П.В. Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. JL: Энергоатомиздат, 1991.-304с.

113. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. JL: Наука, 1968.-98с.

114. Пат.2279063 RU, МКИ G 01 N 25/00. Устройство для определения характеристик теплоотдачи / Богатова Т.Ф., Ефимова А.В., Жилкин Б.П., Зайцев А.В., Зайцев К.В. Заявл.ОЗ. 12.04, № 2004135439. Опубл. 27.06.2005. Бюл.№18.

115. Аэродинамика закрученной струи. Под. ред. Ахмедова Р.Б. М.: Энергия, 1977, 240 с.

116. СПОСОБ ТЕИЛОВИЗИОННОИ ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООТДАЧИ

117. Патентообладатель^™). Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет -У ПИ" (RU)1. Автор(ы): см, на обороте1. Заявках» 2004122019

118. Приоритет изобретения 16 июля 2004 г. l к. к Ад 3a.>ei истрировано в Государственном реестре

119. МЯ^ЯШвА* изобретений Российской Федерации 27 июня 2005 г ■Г Срок действия патента истекает 16 июля 2024 Г.

120. Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам1. Б ТТ. Симонов