Спосіб визначення коефіцієнта тепловіддачі за умов конвективного теплообміну органічної суміші

Спосіб визначення коефіцієнта тепловіддачі за умов конвективного теплообміну органічної суміші, що включає вимірювання температури теплоносіїв, причому вимірюють масу грійного теплоносія та суміші, а температуру грійного теплоносія та суміші вимірюють через проміжки часу і визначають експериментальний коефіцієнт конвективної тепловіддачі в базовому режимі теплообміну (19) 1 3 97021 Винахід належить до області теплофізичних вимірювань і може бути використаний для визначення коефіцієнтів тепловіддачі до багатокомпонентних органічних сумішей, що використовуються як сировина в системах біоконверсії, біоенергетики. Відомим є спосіб визначення коефіцієнта тепловіддачі [AC CPCP № 1078301, Кл. G01N25/18. заявл. 05.07.82.: опубл.07.03.84., Бюл. № 9], який полягає у вимірюванні швидкості і температури теплоносія, температури поверхні, перепаду тиску за рахунок опору теплообмінної поверхні. Коефіцієнт конвективного теплобміну визначають за формулою  1  A1  A 2  A 3 , L  w  p  L3 де A 1  f     3  p p (1)  ,   3 A 2  f ( p   p ),  p   р  , A3     p   ст    р - перепад тиску, віднесений до одного ряду пучка. Недоліком відомого способу є висока трудомісткість виконання і обробки дослідів за рахунок необхідності визначення в окремому досліді кожного теплофізичного параметра з достатньою точністю. Найбільш близьким по суті до способу, що пропонується є спосіб визначення коефіцієнта тепловіддачі за умов конвективного теплообміну органічної суміші [Патент на корисну модель України № 24616, кл. G01N25/18. заявл. 05.02.2007: опубл. 10.07.2007., Бюл. № 10], який полягає у вимірюванні температури теплоносіїв, вимірюванні маси грійного теплоносія та суміші, а температуру грійного теплоносія та суміші вимірюють через проміжки часу і визначають експериментальний коефіцієнт конвективної тепловіддачі в базовому режимі теплообміну  баз при температурі суміші експ tc і температурному напорі між грійною стінкою і сумішшю t, які відповідають шуканим режимам, а комплекс фізичних властивостей для базового режиму теплообміну визначають за залежністю  баз (2) КФВ баз  експ , експ A де А - коефіцієнт, що враховує всі параметри, які входять в критеріальне рівняння для базового режиму теплообміну, окрім теплофізичних властивостей, а з використанням критеріальних рівнянь, які відповідають шуканому режиму теплообміну, і значень комплексу фізичних властивостей для 4 базового режиму розраховують комплекс фізичних властивостей, що відповідає шуканому режиму теплообміну КФВ шук , причому експериментальноексп розрахунковий шуканий коефіцієнт тепловіддачі  шук визначають за структурованим критеріальер ним рівнянням з врахуванням КФВ шук . експ Недоліком відомого способу є те, що забезпечення одночасної відповідності tc і t в базовому і шуканому режимах практично неможливе, так як при дотриманні рівності tc в обох режимах спостерігається розбіжність значень t і, навпаки, при досягненні рівності t, tc в базовому і шуканому режимах неоднакове, і, внаслідок цього, допущен0,25 ня, що значення поправки (Prp/Prст) однакове в базовому і шуканому режимах недостатньо точне. Крім того, не подано обґрунтування вибору модельної рідини та її теплофізичних параметрів для визначення поправки на теплофізичні властивості суміші ПТФВ, що призводить до похибки при визнашук ченні  ер та проектування неефективного тепло обмінного обладнання для органічних сумішей. В основу винаходу поставлено задачу створення способу визначення коефіцієнта тепловіддачі за умов конвективного теплообміну органічної суміші, в якому за рахунок більш точного вибору модельної рідини та її параметрів, а також використання її теплофізичних властивостей досягається шук можливість коректного визначення КФВ експ через КФВ баз , що призводить до зменшення похибки експ шук визначення  ер та підвищення ефективності те плообмінного обладнання. Поставлена задача досягається тим, що залежність визначається з врахуванням напряму теплообміну КФВ баз  експ  баз експ A  (Пнт )m б де A  0,54  , (3) (g  t ) 0,25 - коефіцієнт, що враH0,25 ховує всі параметри, які входять в критеріальне рівняння для базового режиму теплообміну, окрім теплофізичних властивостей, (Пнт ) m  ( Prp/ Prст )m  ( p /  ст )m б б б - поправка на напрямок теплообміну в суміші в базовому режимі, а експериментально-розрахунковий шуканий шук коефіцієнт тепловіддачі  ер визначають за струк турованим критеріальним рівнянням 5 97021 6  шук  С  gn1  (ПТФВ  КФВ баз )  w n2  1n3 t n4 (Пнт )m , (4) ер експ     КФВшу кп екс КФВ шук , який визначають за допомогою функції експ перетворення ПТФВ, причому вибір модельної рідини та її теплофізичних параметрів здійснюють з де (Пнт ) m  ( Prp/ Prст )m  (p / ст )m - поправка на напрямок теплообміну в суміші в шуканому режимі; t  ( t c t 0 ) , де tc - температура стінки тепло урахуванням КФВ баз та tc, а значення поправок експ на напрямок теплообміну в базовому режимі розраховують методом послідовних наближень за допомогою теплофізичних властивостей модельної рідини, приймаючи в першому наближенні модельною рідиною воду, та значення ПТФВ і значення поправок на напрямок теплообміну в шуканому режимі розраховують з використанням теплофізичних властивостей модельної рідини. В таблиці представлено складові структурованого критеріального рівняння (4) для різних режимів теплообміну, які здійснюються в елементах систем біоконверсії. обмінної поверхні, °С, t0 - при вимушеній течії температура рідини на вході в трубу, при вільному русі - температура рідини за межами шару, що рухається, С; w - визначальна швидкість, м/с; l - визначальний розмір, м; 2 g - прискорення вільного падіння, м/с ; Рrр - критерій Прандтля за температури рідини (суміші); Рrст - критерій Прандтля за температури стінки; С - константа, що залежить від режиму теплообміну; n1, n2, n3, n4 - показники степеня, з врахуванням комплексу фізичних властивостей, що відповідає шуканому режиму теплообміну Таблиця КФВ шук експ Режим теплообміну ПТФВ n1 n2 n3 n4 C m Вимушена конвекція в трубах і кільцевих каналах 1. Ламінарний, в'язкісно-гравітаційний КФВ шук  експ   Cp  p 0 0,57  p,1 p 0,43 0  p,1  ПТФВ   0   p,15   p0,15   Cp  p 0,1 0,33 - 0,2 0,7 0,25 0,25 5 6 0,33 0,18 0,1 0,1 0,25 0,37 5 0,25 0,18 p - 0,3 0,1 0,25 0,01 3 5 Вільна конвекція біля вертикальної стінки 2. Ламінарний КФВ шук  експ   Cp  p 0,75 p 0,25 0   p,25 0  p,25  ПТФВ = 1 Вільна конвекція біля горизонтальних труб 3. Турбулентний КФВ шук  експ   Cp  p 4. Ламінарний 0,33 КФВ шук  експ   Cp  p 0,67 p  0   p,33 0  p,33 0 0,75   p,25 p 0  p,25  П ТФВ  ( p  C p   p ) 0,08 ( p   p ) 0,08  ПТФВ = 1 0,25 В табл.: р - коефіцієнт температурного розширення суміші, °С ;  p - кінематична в'язкість суміші, м/с; -1  p - коефіцієнт теплопровідності суміші, Вт/(м K);  p - густина суміші, кг/м ; Ср - теплоємність суміші, . 3 кДж7(кг-K). На кресленні представлено зіставлення експериментальних значень коефіцієнта тепловіддачі шук  шук , та отриманих за ЕРМ  ер для мелясної експ барди в діапазоні температур t=20...100 °C і масо вих концентрацій с = 30,6...49,1 %, режим теплообміну в'язкісно-гравітаційний при ламінарній течії в кільцевому каналі: еквівалентний діаметр dекв=50 мм, швидкість течії суміші w=0,2; 0,4; 0,6 м/с. 7 97021 Спосіб здійснюється наступним чином. Для даної органічної суміші, інформація по теплофізичним властивостям якої обмежена, гіпотетично визначають умови теплообміну, оцінюють режим теплообміну, приймають відповідне критеріальне рівняння теплообміну і, отже, відповідне структуроване рівняння. Визначають температуру шуканого режиму tшук і за допомогою експериментальної установки для дослідження тепловіддачі за умов вільної конвекції проводять базовий експеримент по теплообміну в органічній суміші при температурі суміші tc = tшук, в результаті чого визначають  баз . експ Розраховують значення комплексу фізичних властивостей в базовому режимі теплообміну для кожної із модельних рідин [КФВб]м, використовуючи їхні відомі теплофізичні властивості, але при різних концентраціях і в різних діапазонах температур, при цьому як модельну вибираються такі рідини, теплофізичні властивості яких достатньо досліджені: соапсток, мелясна барда, цукровий розчин, водний розчин гліцерину тощо. Розрахунки проводять за формулою  0,75   0,25  КФВ б M   p 0,25p   Cp  p 0,25 . (5)   p     Визначають КФВ баз за формулою (3), де знаексп чення поправки на напрямок теплообміну в суміші в базовому режимі (Пнт )m розраховують методом б послідовних наближень за допомогою теплофізичних властивостей модельних рідин, приймаючи в першому наближенні модельною рідиною воду. Виконують аналіз теплофізичних властивостей всіх модельних рідин і для кожної з них підбирають такий діапазон визначальних параметрів - концентрацій см, % і температур tм, °С, при якому значення розрахункового комплексу фізичних властивостей кожної із модельних рідин [КФВб]м співпадає з визначеним комплексом фізичних властивостей КФВ баз . Тобто, за умови КФВ баз  [КФВб]м вибиексп експ рають перелік модельних рідин з різними визначальними параметрами для досліджуваної суміші. Зіставляючи температури вибраних модельних рідин tм і температуру суміші tc, остаточно приймають таку модельною рідину і з такою концентрацією cм%, температура якої найближча до 8 температури досліджуваної суміші, при цьому залишається необхідною умовою рівність КФВ баз  експ [KФВб]м. Вважають, що теплофізичні параметри досліджуваної суміші ідентичні до теплофізичних параметрів вибраної модельної рідини. Використовуючи структуроване рівняння, що описує шуканий режим теплообміну, та теплофізичні властивості вибраної модельної рідини, визначають ПТФВ (табл.), поправку на напрямок теплооm бміну в субстратах в шуканому режимі (Пнт) , здійснюють уточнення і перевірку правильності вибору шуканого режиму теплообміну. Визначають комплекс фізичних властивостей шук для шуканого режиму КФВ експ , використовуючи ПТФВ. У вибране структуроване критеріальне рівняння, яке відповідає шуканому режиму теплообміну, підставляють значення комплексу фізичних влас шук тивостей для шуканого режиму КФВ експ і визначають експериментально-розрахунковий коефіцієнт тепловіддачі для шуканого режиму теплообміну  шук . ер Вищенаведений спосіб, починаючи з визначення КФВ баз , повторюють для кожної точки баексп зового експерименту. Виконано зіставлення експериментальних значень коефіцієнта тепловіддачі  шук , та отриексп шук маних за ЕРМ  ер для мелясної барди (див. Креслення). Шуканий режим теплообміну - в'язкісно-гравітаційний при ламінарній течії в кільцевому каналі: еквівалентний діаметр dекв=50 мм, швидкість течії суміші w=0,2; 0,4; 0,6 м/с. Значення експериментального коефіцієнта тепловіддачі  шук експ отримані за допомогою чисельного експерименту з використанням відомого критеріального рівняння в діапазоні температур t = 20...100 °С і масових концентрацій с = 30,6...49,1 %. Із креслення видно, що розбіжність між коефіцієнтами тепловіддачі, визначеними згідно з даним способом і за відомими критеріальними рівняннями, не перевищує 10 %. 9 Комп’ютерна верстка Мацело В. 97021 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601