CC BY
138
3. Долинин К. А., Долинин Д. А. Применение программного комплекса ANSYS FLUENT для моделирования движения пылегазового потока // Математическое моделирование в энергетике с использованием программной системы ANSYS. 2003. С. 15-18.
4. Широков С. Н., Ермаков А.В. Современный подход к проектированию установок газоочистки // Промышленная экология. 2005. № 1. С. 37-39.
5. Чистяков Я. В. [и др.]. Разработка пылеуловителей нового поколения // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. № 1. С. 21-31.
6. Джасим А.-З.А.М. Математическое моделирование и аэродинамическое исследование турбулентного течения запыленного потока в золоуловителях. Барнаул: Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, 2012. 142 с.
7. Белоглазова Л. В. Анализ математической модели при решении задач с запыленным потоком // Культура, наука, образование: проблемы и перспективы развития. 2017. С. 98-100.
8. Wilcox D. Turbulence modeling for CFD. 3rd ed. California: DCW Industries, 2006. 536 p.
9. Белоглазова Л.В. [и др.]. Влияние осесимметричности «сомбреро» на степень эффективности улавливания инерционно-вакуумного золоуловителя // Омский научный вестник. 2015. № 3(143). С. 230-232.
УДК 536.551; 629.7.036.72
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА В ПОТОКЕ DETERMINATION OF GAS TEMPERATURE IN THE FLOW
И. С. Вавилов, П. С. Ячменев, А. И. Лукьянчик, А. В. Лысаков, Р. Н. Литау
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
I. S. Vavilov, P. C. Yachmenev, A. I. A. I. Lukyanchik, A. V. Lysakov, R. N. Litau
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В работе представлены результаты тепловых экспериментальных исследований, целью которых является получение значений температуры газового потока методом перепада объёмного (массового) расхода. Исследовался трубопровод, нагреваемый на коротком серединном участке. Было выведено уравнение, позволяющее определять температуру газа в зоне нагрева по замеряемым статическому давлению до нагрева и после него и расходам газа до и после нагрева. Практическая значимость заключается в определении термодинамических параметров газа в тракте электротермического микродвигателя малого космического аппарата, когда условия эксперимента и конструктивные особенности двигателя не позволяют применять иные методы.
Ключевые слова: температура газа, объёмный расход, перепад расхода, электротермический дилатометрический микродвигатель, вязкость газа.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-131-142
I. Введение
Измерение температуры газа в теплообменных аппаратах резистивных реактивных корректирующих двигателей малой тяги малых космических аппаратов (МКА) является актуальной задачей, неизбежно возникающей при проектировании новых образцов микродвигателей. Актуальность обусловлена, в первую очередь, миниатюрностью двигателей микротяги МКА, что уменьшает, а в некоторых случаях - исключает применение традиционных средств измерения температуры, во вторую очередь - высокими температурами газа на выходе из камеры двигателя и внутри неё, а также высокими температурами корпусных элементов (речь идёт об электродуговых двигателях малой тяги). Второе обстоятельство приводит к повреждению и оплавлению элементов измерительных устройств.
В экспериментальной практике широко применяются термоприёмники с использованием термоэлектрических преобразователей (термопар). В стационарных условиях термочувствительный элемент термопары (спай) измеряет равновесную температуру, которая представляет собой баланс между подведённым к спаю теплом и
теплом, отводимым в виде излучения и теплопроводности конструкции термопары [1]. В части двигателей микротяги ситуация осложняется тем, что расходы носителей тепла (массовые расходы рабочих газов) не превышают 5 мг/с, а давления в камере нагрева не выше 0,5 атм (для электродугового двигателя (ЭДМД)) и 1000 Па (для двигателя с дилатометрическим приводом клапана-испарителя (ДМД) [2]). Электрические мощности, подводимые к резистивным элементам ЭДМД, составляют не более 70 Вт, для ДМД эта цифра не превышает 8 Вт, поэтому потери на излучение и теплопроводность становятся значительными.
В настоящее время методы измерения температуры можно разделить на контактные и бесконтактные. В контактных методах первичный преобразователь непосредственно контактирует с контролируемой средой или поверхностью. Первичными преобразователями являются термометры расширения, сопротивления, термоэлектрические преобразователи, кварцевые преобразователи температуры в частоту [3].
Бесконтактные методы позволяют измерять температуру на расстоянии от контролируемого объекта или среды. Этот метод реализован в пирометрах [3].
Как было отмечено выше, в измерении температуры газового потока широко применяются контактные методы с термоэлектрическими преобразователями. Косвенную оценку температуры газа можно получить, определяя потерю теплоты трубопровода, по которому движется поток. Данный метод громоздок своим математическим аппаратом, основан на уравнении Ньютона-Рихмана, в состав которого входит коэффициент теплоотдачи. Поиск данного коэффициента является сложной задачей, в которой необходимо знать режимы течения газа в трубопроводе, коэффициент теплопроводности газа, удельную теплоёмкость, эффективный диаметр молекул и пр.
В настоящее время на материально-технической базе научно-исследовательской лаборатории ОмГТУ «Двигательные установки микротяги малых космических аппаратов» (НИЛ «ДУМИТ МКА») ведутся исследования микродвигателей МКА двух типов: электродугового с низким энергопотреблением и дилатометрического. Трудности измерения температуры газа внутри камер двигателей заключаются в высокой температуре корпусных деталей электродугового двигателя (900 0С и выше) и капиллярными проточными элементами ДМД. В обоих случаях применение термопар невозможно.
II. Постановка задачи
Задача заключается в разработке методики определения температуры газового потока в рабочей камере двигателя малой тяги. Математическая основа методики должна иметь минимальное число задействованных физических параметров, т.к. каждый новый член математической модели вносит погрешность в результаты расчётов. Для практической реализации методики должно быть достаточно материально-технической базы НИЛ «ДУМИТ МКА» без привлечения дополнительных ресурсов.
Задачи, решённые в ходе исследований и нашедшие отражение в данной работе:
- разработать методику определения температуры газа в рабочих камерах электротермического микродвигателя;
- провести экспериментальные исследования на стенде и последующую теоретическую обработку результатов экспериментов с целью верификации методики.
III. Теория
Известно, что с повышением температуры газа его вязкость увеличивается. В лабораторных испытаниях это проявляется в падении расхода газа в питающей магистрали. В области нагрева возникает «тепловое сопротивление», что ведёт к падению массового расхода газа [4].
Для малых скоростей газового потока, когда абсолютная величина давления меняется незначительно, справедлива формула [4]:
G I T
cold _ |о hot _I
Ghot \ Tcold
где Gcoid, Ghot - соответственно массовые расходы газа до и после нагрева; Tcold, Thot - соответственно температуры газа до и после нагрева. Формула (1) не учитывает теплообмена между стенками трубопровода и газом.
При истечении подогреваемого газа в вакуум, когда изменения статического давления становятся заметны, формула (1) даёт завышенные значения температуры газа (в 10-12 раз).
Для вывода уравнения, учитывающего изменение давления газа в подогреваемом потоке, рассмотрим трубопровод (рис. 1) с термодинамическими параметрами газа до нагрева (вид А) и после нагрева трубопровода (вид В).
Рис. 1. Параметры газа в трубопроводе до нагрева (А) и после нагрева (В)
В случае движения газа в трубопроводе (поз. 1, рис. 1) без нагрева газ с параметрами /0 = (Т0, Р0, (0) вводится через устройство определения объёмного расхода газа (поплавковый ротаметр, поз. 3 на рис. 1) в трубопровод 1. Проходя ротаметр, параметры газа незначительно меняются и становятся = (Т, Р, ( ). Ротаметр
показывает значение объёмного расхода манометр (поз. 4, рис. 1) показывает статическое давление газа на выходе из ротаметра на входе в трубопровод. При гладком трубопроводе постоянного сечения потерями давления можно пренебречь и параметры газа на выходе /2 = ^ = (Т, Р, ( ). Статическое давление газа на выходе регистрируется манометром 2.
В случае подогрева трубопровода до температуры Те1 внешним источником теплоты параметры газа до
участка нагрева и после него принимают соответственно значения =(Т0, Р2, () и =(Т, Р, () •
Вследствие возникновения «теплового сопротивления» давление Р2, регистрируемое манометром 4, повышается относительно Рь а давление Р3, регистрируемое манометром 2, становится ниже Рь Р3 < Р1 < Р2. Объёмный расход, регистрируемый ротаметром, составляет р2. При нагревании газа р1 > р2. Вследствие падения статического давления на выходе из трубопровода скорость газа увеличивается и объёмный расход растёт р3 > р2.
Основными уравнениями, положенными в методику, являются уравнения неразрывности и уравнения моле-кулярно-кинетической теории газов (МКТ).
Уравнения неразрывности для случаев А и В (рис. 1) принимают вид:
\qi- pi = qi- pi
\qi- p2 = q3-рз
(2)
т. к. величины объёмных расходов на входе в трубопровод до и после нагрева регистрируются ротаметром, можно получить отношение с известным значением левой части:
Qi- Pi = Qr Pi
Q2 ■ P2 Q3-Рз
(3)
Плотность газа можно выразить через длину свободного пробега молекул X, вязкость п и среднюю скорость движения молекул и [5]:
р =
3
и-л
Средняя скорость молекул может быть выражена через термодинамические параметры газа [5]:
и = ,
8■ R-T ' ж-M
(4)
(5)
где R - универсальная газовая постоянная; M - молекулярная масса газа; Т - температура газа.
Средняя длина свободного пробега молекулы обратно пропорциональна давлению [5]. Согласно МКТ, можно записать:
я =
к-Т
>/2-р-
(6)
п-а
где k - постоянная Больцмана; Т - температура газа; Р - давление газа; с - эффективный диаметр молекул. Динамическую вязкость газа, как функцию от температуры, можно описать формулой Сазерленда [6]:
1 = %-
С + т
С + Т
Т
273
(7)
где По - динамическая вязкость при контрольной температуре Т0; Т - абсолютная температура газа; С - константа Сазерленда, зависящая от природы газа. Т.о., уравнение (4) можно записать в виде:
А =
3-По (С + т0
1п3 -М Р- а1
2-к V Т + С
Т3
4Я '
(8)
Тогда выражения для плотностей в случаях А и В (рис. 1) примут вид:
А =-
А =
А =-
3-По п3 -М Р -а2
2-к \ 3-По Т л/Я
1п3 - М Р -а1
2-к \ 3 -По 1 То3 ТЯ
С + Т ) П - М
2-к V Т + С) У Т.3
(9)
ТЯ
При равенстве площадей проходных сечений трубопровода правую часть уравнения (3) можно записать через скорости холодного и и подогретого и3 потоков газа:
Ql -А Ц А
Оз -Аз Ц Аз
Скорость истечения газа при известном перепаде давлений можно определить по формуле Сен Венана [7]:
(10)
Ц =
2-у Я-Т
у-\ М
1 -1р
(11)
где у - показатель адиабаты газа; Р - давление источника газа; Р - давление приёмника газа.
По формуле (11) получим значения скоростей газа на выходе из трубопровода в область с давлением Pvak:
у-11
2-у я-то 1 - Рак у
у-1 м V Р )
у-1"
_ 2-у я-т 1 - Рак у
1 у-1 м V Р3 )
(12)
Подставляя формулы (4)-(12) в формулу (3), после преобразований можно получить уравнение для определения температуры газа после прохождения области нагрева, без учёта теплообмена со стенками трубопровода:
02
(
Т Р
' тз р з
Т + С }
Т + С
VТ0 + С .
у-1
1 - в у
1 в соЫ
1 -в,у
у-1
. у
hot
где ВсоЫ =
Р.
уак
Р
=
Р.
уак
Р
- соответственно перепады давлений в трубопроводе до и после нагрева.
з
и
На практике давления Р1 и Р2 легко определяются манометром, установленным на входе в трубопровод (рабочую камеру двигателя), в то время как приборное определение давления Р3 затруднительно, особенно для электродугового микродвигателя. В точке замера Р3 в электродуговом двигателе температура корпусных элементов поднимается выше 900 0С.
Падение статического давления при подогреве можно определить из уравнения сохранения импульсов [4]:
Р2 " Р3 =»2' А '(Ц "Ц2 ) •
(14)
В уравнении (14) плотность газа перед «тепловым сопротивлением» можно выразить через уравнение Менделеева-Клапейрона:
А =
Р' М я-тп
(15)
Скорость газа на выходе из трубопровода находится по уравнению (12), скорость газа в холодном участке трубопровода можно определить, зная р2, по показаниям ротаметра и площади проходного сечения трубопровода Б:
Ц2 =
&
Подставим в выражение (14) формулы (12), (15) и (16) и получим:
Р - Р =
а. Р2 • м р я-тп
(16)
2 Г Я'Т 1 - (р л уак у-1 г
Г -1 м 1 Р3 У
.02.
(17)
Совместное решение уравнений (13) и (16) позволяет определить температуру потока газа по перепаду объёмного расхода. В уравнениях (13) и (16) регистрируемые величины: объёмные расходы газа до нагрева и после нагрева р2 (по ротаметру); давления на входе в трубопровод до нагрева Р1 и после нагрева Р2 (по манометру).
IV. Результаты экспериментов Для верификации теоретических выкладок методика была применена при анализе результатов экспериментального исследования нагрева рабочего газа в электродуговом двигателе при истечении в вакуум и нагрева газа в трубопроводе постоянного сечения экспериментального стенда при истечении в атмосферу. В данной работе рассмотрен второй случай.
Экспериментальный стенд был изготовлен в НИЛ «ДУМИТ МКА» и представлен на рис. 2.
Рис. 2. Экспериментальный стенд для определения величины нагрева газа методом перепада расхода
Рабочий газ (воздух) подаётся из компрессора в питающую магистраль (поз. 6, рис. 2) стенда. На питающей магистрали установлен отсечной механический пневматический клапан 1. Давление в магистрали регистрируется манометром МП3А-УФ (поз. 2). После клапана газ поступает в ротаметр РМА-0.1 ГУЗ (поз. 3), а после него в тепловой блок (область с поз. 5 на рис. 2), состоящий из трубопровода с внутренним диаметром 5 мм (поз. 8), электрическим нагревателем трубопровода 10 и термопарой 9, расположенной вдоль оси трубопровода на выходе из него. В трубопровод 10 в трёх точках, условно в области до «теплового сопротивления», в «тепловом сопротивлении» и после него, впаяны трубки Прандтля. В дальнейшем, нумерация этих трубок осуществляется «по потоку» (слева направо на рис. 2): № 1 - в области холодного газа; № 2 - в зоне нагрева; № 3 - в области горячего газа. Трубопровод выполнен из материала 12Х18Н10Т и окрашен чёрной матовой эмалью для точности снимаемых тепловизором (модель Testo 875-1i) теплограмм. Трубки Прандтля с помощью гибких трубопроводов соединены с тремя блоками пьезометров 7. Для наблюдения изменения объёмного расхода нагретого газа на выходе из теплового блока установлен ротаметр РМА-0.16 ГУЗ (поз. 4).
На первом этапе эксперимента газ подавался в трубу без подогрева. Настроечным винтом ротаметра выстраивалось значение расхода на модели РМА-0.1 ГУЗ равным 20 делений. Замерялось статическое давление в сечениях трубопровода (пунктирная линия на рис. 3). Избыточное давление в магистрали - 0.58 бар. Далее механическим клапаном отсекался поток воздуха и на нагреватель подавалось напряжение 4 В (ток 0.629 А). Трубопровод разогревался до равновесной температуры (см. первый столбец в табл. 1): максимальное значение 83.3 0С; среднее значение - 33.2 0С. Область прогрева трубопровода ограничена габаритами нагревателя. Относительно не высокая теплопроводность стали 12Х18Н10Т не позволяет прогреться трубопроводу - область нагрева не выходит за границы трубок Прандтля. Далее подавался воздух, с помощью тепловизора поминутно регистрировалась температура трубопровода, снимались показания манометра, пьезометров, термопары и ротаметров. Результаты замеров приведены в табл. 1 и 2.
ТАБЛИЦА 1
РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАМЕРОВ НА УЧАСТКЕ ОТ 0 ДО 3 МИН
Равновесная температура трубопровода без газа
Время движения газа 1=1 мин; показания МП3А-УФ -0,58 бар; ротаметр РМА-0.1ГУЗ -19 (19.5) дел.; ротаметр РМА-0.16ГУЗ _-23 дел._
Показания термопары за всё время движения газа
Время движения газа 1=2 мин; показания МП3А-УФ -0,58 бар; ротаметр РМА-0.1ГУЗ -19 (19.5) дел.; ротаметр РМА-0.16ГУЗ -24 дел._
Время движения газа 1=3 мин; показания МП3А-УФ -0,58 бар; ротаметр РМА-0.1ГУЗ -20 (19.5) дел.; ротаметр РМА-0.16ГУЗ -26 дел._
ТАБЛИЦА2
РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАМЕРОВ НА УЧАСТКЕ ОТ 4 ДО 7 МИН
Время движения газа t=4 мин; показания МП3А-УФ -0,58 бар; ротаметр РМА-0.1ГУЗ -20 (19.5) дел.; ротаметр РМА-0.16ГУЗ - 26 дел.
Время движения газа 1=5 мин; показания МП3А-УФ -0,6 бар; ротаметр РМА-0.1ГУЗ -20 (19.5) дел.; ротаметр РМА-0.16ГУЗ - 26 дел.
Время движения газа 1=6 мин; показания МП3А-УФ -0,6 бар; ротаметр РМА-0.1ГУЗ -19 (19.5) дел.; ротаметр РМА-0.16ГУЗ - 25 дел.
Время движения газа 1=7 мин; показания МП3А-УФ -0,62 бар; ротаметр РМА-0.1ГУЗ -19 (19.5) дел.; ротаметр РМА-0.16ГУЗ - 25 дел.
Длина трубопровода,
Рис. 3. Избыточное статическое давление в трубопроводе без нагрева и с нагревом
Изображения совмещены по масштабу. Красные стрелки показывают точки замера статического давления, белые - температуру в точках замера давления и иллюстрируют смещение теплового поля по потоку. Из табл. 1 и 2 видно, что происходит активный теплообмен между газом и материалом трубопровода: воздух, проходя зону нагрева, принимает тепловую мощность и отдаёт её часть трубопроводу далее по течению; термопара, установленная на выходе из трубопровода соосно с потоком, регистрирует остаточное теплосодержание газа.
Также видно, что расход подогреваемого газа условно постоянен: если при настройке расхода в «холодной» трубе поплавок ротаметра был неподвижен и плавал на уровне 20 делений, то при течении в «горячей» трубе поплавок плавно менял своё положение от 19 делений до 20 делений. Несмотря на перепады расхода, рост остаточной температуры воздуха не прекращался. На седьмой минуте температура газа по термопаре составила 29.6 0С (± 2 0С - погрешность измерения термопарами типа ТХА).
Из табл. 1 и 2 видно, что избыточное давление в питающей магистрали по прибору МП3А-УФ составляет 0.58 бар за первые четыре минуты истечения, далее давление повышается до 0.6-0.62 бар. Такое явление наблюдалось в нескольких замерах. Данный скачок давления не может быть связан с нагревом газа и появлени-
ем «теплового сопротивления» в трубопроводе, а является следствием работы пневмоавтоматики воздушного компрессора. Объём ресивера составляет 6 л, при выработке газа давление в ресивере понижается, газовый редуктор разгружается, давление на выходе повышается. В таких случаях на 1-2 деления повышается объёмный расход в ротаметре. Статическое давление в «холодном» трубопроводе и установка расхода на ротаметре производились при избыточном давлении в питающей магистрали 0.58 бар. Поэтому для проверки формулы (13) будут взяты экспериментальные данные по давлениям и расходам первых четырёх минут нагрева.
Результаты расчёта температуры воздуха в зоне нагрева приведены в табл. 3 и на рис. 4.
Рис. 4. Расчётные значения температуры воздуха в трубопроводе и температуры нагревателя
В табл. 3 и на рис. 4 показаны две кривые изменения температуры газа со временем. Это связано с покачиванием поплавка на первых двух минутах нагрева потока воздуха, а также неточностью регистрации положения поплавка при таких малых перепадах расхода. Т.о., линии указывают границы возможных температур. На рис. 4 дополнительно приведены линии охлаждения нагревательного элемента, что указывает на забор тепловой энергии газовым потоком от греющих поверхностей.
ТАБЛИЦА 3
РАСЧЁТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА В ТРУБОПРОВОДЕ
Время, мин ТЕМПЕРАТУРА, 0С
Показания ротаметра РМА-0.1 ГУЗ -19 дел. Показания ротаметра РМА-0.1 ГУЗ -19.5 дел. Термопара
1 79.37475727 59.47518093 27.06±2
2 79.23811786 59.34012191 28.17±2
3 44.48898432 44.48898432 28.79±2
4 44.22072765 44.22072765 29.07±2
Как отмечалось выше, движение газа в трубопроводе происходит с теплообменом. Механизм заключается в следующем: в начальный момент движения газ попадает в область нагрева, принимает часть тепловой энергии от стенки, охлаждая её, при дальнейшем движении далее по течению отдаёт часть тепла трубопроводу и более холодным доходит до термопары.
Рассмотрим состояние системы в первые четыре минуты подачи газа в нагретый до равновесной температуры трубопровод. Обозначим тепловую мощность, принятую газом от нагревателя Рнаг, тепловую мощность, отданную газом трубопроводу далее по течению Р^. Тогда остаточная тепловая мощность газа, регистрируемая термопарой, равна:
Р = Р — Р (18)
газ наг труб • ( )
На рис. 5 представлены температурные поля трубопровода до запуска газа и через минуту после подачи газа.
Видно, как центральная область трубопровода, где расположен нагревательный элемент, охлаждается, а трубопровод далее по течению разогревается.
ЗОЯ 524 1043 15.712053 26.1931.43 3646 419 47 145238 576162.85 6809 733378.» 83.8
Рис. 5. Поля температур трубопровода до подачи воздуха и через минуту после подачи
Для поиска тепловых мощностей термограммы представляются в виде поля точек, из которых выделяются температурные точки трубопровода. Зная длину трубопровода (300 мм) и число температурных точек, укладывающихся на этой длине, можно представить трубопровод как число п сегментов с постоянной температурой. Тогда тепловую мощность, принятую или отданную газом, можно выразить формулой:
ср ■т
Р = -р--
п-1
IТ "IТ
Л
(19)
где ср - удельная теплоёмкость материала (сталь 12Х18Н10Т или жаростойкий герметик, в данном случае); т - масса материала; 1 - время, за которое температура сегмента изменилась с величины Т до величины Т Из термограмм первых четырёх минут движения газа были получены графики смещения тепловых полей (рис. 6).
Рассмотрим линии при 1=0 мин и при 1=1 мин. Линия нагрева трубопровода до зоны нагрева смещается влево, что указывает на повышение температуры газа (соответственно, охлаждение трубопровода), далее за точкой пересечения кривых трубопровод нагревается (газ теряет энергию - охлаждается). Те же процессы происходят в следующие три минуты, пока тепловая система не выйдет на стационарный режим. Т.о., режим набора мощности до значения Рнаг сменяется режимом потери мощности на величину Р^б.
Используя термограммы, формулы (18) и (19), зная массовый расход воздуха, его удельную теплоёмкость и начальную температуру, можно определить температуру воздуха в зоне нагрева и на выходе из трубопровода. В табл. 4 и на рис. 7 приведены значения температур газа, полученные из уравнения баланса мощностей.
Рис. 6. Распределение температур трубопровода в первые четыре минуты течения воздуха
ТАБЛИЦА4
РАСЧЁТНАЯ ИЗ БАЛАНСА МОЩНОСТЕЙ ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА В ТРУБОПРОВОДЕ
Время, мин ТЕМПЕРАТУРА, 0С
В зоне нагрева На выходе из трубопровода Термопара
1 55.232 35.933 27.06±2
2 46.08 33.536 28.17±2
3 40.124 30.819 28.79±2
4 36.581 29.326 29.07±2
......................................
Показания термопары •Температура холодного спая Температура газа в зоне нагр £
ева
Температура газа на выходе
Температура
■
Л V
0123456789 10 11 12
Время, мин
Рис. 7. Сравнительный график расчётных температур газа и показаний термопары
Из табл. 4 и рис. 7 видно, что во время переходного процесса термопара фиксирует не температуру газа, а переходный тепловой процесс материала защитного корпуса термопары, выполненного в данном случае из стали 12Х18Н10Т. Реальная температура газа имеет максимальное значение в начальные моменты времени подачи его на нагретую поверхность. На стационарном режиме показания термопары и расчётные значения температур газа совпадают.
V. Обсуждение результатов Определение температуры газового потока является важной задачей газодинамических расчётов. В данной работе был предложен простой способ определения этого важного термодинамического параметра через статическое давление газа и его объёмный (массовый) расход. Была выведена формула, позволяющая определять максимальную температуру газа и изготовлен экспериментальный стенд.
В результате экспериментальных исследований и теоретической обработки, кроме метода перепада расходов, был представлен метод определения температуры газа, основанный на балансе тепловых мощностей. Данный метод был выбран как верифицирующий. Метод перепада и метод баланса мощностей дают качественную картину изменения температуры газа на нестационарном режиме, когда газ подаётся на нагретую поверхность. Метод определения температуры потока термопарами точен только на стационарном режиме, когда тепловой баланс на корпусе термопары уже установился. Отсюда вытекает недостаток термопарного метода.
Определение температуры по формуле (13) предназначалось для решения конкретных задач, возникающих в процессе работы НИЛ «ДУМИТ МКА», исходя из технических возможностей. Главным достоинством метода перепада является применимость в условиях вакуумной камеры при большой разрежённости газа в тракте исследуемых образцов микродвигателей; простота, опирающаяся на показания только двух приборов. Недостатком метода является возрастающая погрешность при малых перепадах температуры газа. В первую очередь, это вызвано малыми отклонениями поплавка ротаметра и погрешностями измерений самого ротаметра. В меньшей степени это относится и к показаниям манометра. Данный недостаток можно компенсировать выбором средств измерений большей точности.
Метод теплового баланса имеет высокую точность при условии фиксации всего поля температур изучаемого объекта, знания масс и удельных теплоёмкостей всех участвующих в теплообмене материалов. Поэтому хорошая сходимость с экспериментальными данными возможна для простых однородных конструкций при условии тепловизионной съёмки. В условиях вакуумных испытаний последнее условие соблюсти невозможно. Плюс ко всему часто объекты испытаний не являются однородными не по материалам, не по геометрическим формам. Т.о., формула (13) отражает метод с наименьшим числом требующих измерения величин.
VI. Выводы и заключение В статье представлены результаты работы авторов в области измерения термодинамических параметров газа. Данная работа имеет конкретное практическое применение: определение температуры рабочей среды в тракте электротермического микродвигателя МКА. Обоснованием необходимости проведения работ является техническая невозможность применения иных методов: размеры проходных сечений микродвигателя соизме-
римы с габаритами термопары (например, в ДМД); фиксация термопарой действительной температуры газа лишь на стационарном режиме; ошибки в работе многоканального измерителя температур при электромагнитных возмущениях (применительно к электродуговому двигателю); техническая невозможность осуществления тепловизионной съёмки в вакуумной камере.
В работе представлена методика определения температуры газа, основанная на методе падения его расхода при подводе теплоты. Был изготовлен экспериментальный стенд, проведены тепловые испытания, которые подтвердили теоретические выкладки.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации, Конкурс СП-2018, СП-923.2018.1.
Список литературы
1. Репик Е. У., Соседко Ю. П. Методы и средства измерения температуры торможения газового потока в сложных условиях течения // Ученые записки ЦАГИ. 2008. Т. XXXIX, № 4. С. 60-71.
2. Вавилов И. С., Лукьянчик А. И., Ячменев П. С., Павленко А. В., Лысаков А. В., Литау Р. Н. Дилатометрический микродвигатель наноспутника: оценка характеристик // Проблемы машиноведения: материалы II Междунар. научн-технич. конф. Омск: ОмГТУ, 2018. С. 254-262.
3. Иванова Г. М., Кузнецов Н. Д., Чистяков В. С. Теплотехнические измерения и приборы: учебник для вузов. М.: МЭИ, 2005. 460 с.
4. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1991. Т. 1. 600 с.
5. Кикоин А. К., Кикоин И. К. Молекулярная физика. М.: Наука. 1976. 480 с.
6. Адельсон С. В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. 1963. 311 с.
7. Сивухин Д. В. Общий курс физики. М.: ФИЗМАТЛИТ/МФТИ, 2005. Т. 2. 551 с.
УДК 658.26:620.92.001.57
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ТОПЛИВООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
THERMODYNAMIC ANALYSIS OF FUEL SYSTEMS OF HYDROCARBON PROCESSING ENTERPRISES
А. В. Кульбякина1, Н. А. Озеров1 , П. А. Батраков2
'Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
А. V. Kulbyakina1, N. А. Ozerov1, P. А. Batrakov2
' Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Предприятия переработки углеводородного сырья (ПП УВС) являются ключевым звеном топливно-энергетического комплекса РФ, в то же время они характеризуются повышенной энергоемкостью производства и оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Необходимость внедрения энерго и ресурсосберегающих технологий на предприятиях отрасли декларируется на государственном уровне и является сложной научной задачей. Высокий потенциал повышения энергоэффективности ПП УВС сосредоточен в модернизации топливных систем. В статье проведен анализ топливной системы, установлены ее взаимосвязи с технологической системой объекта, его энергетическим комплексом и внешними системами энергообеспечения. Проведен анализ структуры энергопотребления основных производств ПП УВС по всем видам топлива. Установлено, что преимущественно в качестве топлива используется углеводородное топливо собственной выработки - нефтезаводские газы, мазут. Выявлено, что топливный газ собственной выработки имеет переменный компонентный состав. Проведен термодинамический анализ эффективности использования топлива на ПП УВС, целью которого
