СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА МЕЖКАНАЛЬНОГО МАССООБМЕНА В ПУЧКЕ КРУГЛЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ
METHOD OF DETERMINING RELATIVE COEFFICIENT OF INTER-CHANNEL MASS EXCHANGE IN BUNDLE OF CIRCULAR CYLINDRICAL RODS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении относительного коэффициента межканального массообмена в пучках круглых цилиндрических стержней с треугольной компоновкой.
Известен способ определения относительного коэффициента межканального массообмена в пучке гладких цилиндрических стержней с треугольной компоновкой [Габрианович Б.Н., Рухадзе В.К. Исследование межканального перемешивания теплоносителя в пучках гладких стержней с помощью фреонового метода // Материалы межотраслевой конференции «Теплофизические исследования». М.: ВНИИМИ, 1977. С.23-33].
В известном способе относительный коэффициент межканального массообмена в пучке гладких стержней определяют путем прокачки через его проточную часть воздушного потока, подачи в поток воздуха газообразного химического трассера, измерения профилей концентраций химического трассера по длине различных каналов пучка стержней, сравнения экспериментальных профилей концентраций трассера с номограммой, полученной путем решения системы дифференциальных уравнений массообмена для области, включающей 84 ячейки вокруг канала впуска трассера.
Недостатком известного способа является относительно высокая погрешность определения коэффициента межканального массообмена в пучке стержней с относительно большой длиной из-за того, что при его определении практически не учитывают факт полного перемешивания трассера с потоком воздуха в выходной части пучка стержней.
Известен способ определения эффективного коэффициента межканального массообмена в пучках витых труб [Дзюбенко Б.В., Ашмантис Л.-В., Сегаль М.Д. Моделирование стационарных и переходных теплогидравлических процессов в каналах сложной формы. Вильнюс. Pradai, 1994 г. С.101-112].
В указанном способе эффективный коэффициент межканального массообмена определяют при прокачке теплоносителя через экспериментальный участок методом диффузии тепла от группы витых труб, нагреваемых электрическим током. В поперечном сечении трубного пучка создают неравномерность поля энерговыделения или теплоотвода, которая формирует неравномерность поля температуры теплоносителя. Для параметров, реализованных в эксперименте, рассчитывают поля температур теплоносителя в выходном сечении и в том же сечении экспериментально термопарами измеряют поле температуры теплоносителя. Экспериментально определяют безразмерную температуру теплоносителя в различных точках выходного поперечного сечения пучка в ядре потока. На графики наносят экспериментальные поля температур теплоносителя и результаты расчета температур теплоносителя при различных безразмерных коэффициентах межканального массообмена. Эффективный коэффициент межканального массообмена определяют путем сопоставления расчетных и экспериментальных профилей температур в выходном сечении пучка стержней.
Недостатком способа является относительно высокая погрешность определения эффективного коэффициента межканального массообмена в трубном пучке, обусловленная тем, что при относительно большой длине пучка стержней в его выходной части измеряют температуру теплоносителя, практически соответствующую его среднесмешанной температуре. При этом сопоставление измеренных и расчетных профилей температур теплоносителя приводит к занижению значения коэффициента межканального массообмена.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ определения относительного коэффициента межканального массообмена в пучках круглых цилиндрических стержней с треугольной компоновкой [Габрианович Б.Н., Рухадзе В.К. Исследование межканального перемешивания теплоносителя в пучках гладких стержней с помощью фреонового метода. Сб. трудов межотраслевой конференции «Теплофизические исследования-76». г.Обнинск. 1977. М.: ВИМИ, 1977. С.23-33].
В указанном способе для определения относительного коэффициента межканального массообмена воздушный поток прокачивают через каналы пучка стержней, фреоновый трассер подают в поток воздуха впускного канала пучка стержней, с помощью отборного зонда отбирают пробу из различных точек по длине каналов пучка, подают пробу в систему анализа проб и прокачивают ее через датчик галоидного течеискателя, по показаниям измерительного блока галоидного течеискателя по градуировочной характеристике определяют концентрации трассера в воздушном потоке. Определяют относительные концентрации трассера в каналах пучка. Вычисляют средние относительные концентрации трассера в рядах идентичных каналов пучка, соответствующие идентичным поперечным сечениям его проточной части. Относительный коэффициент межканального массообмена определяют с использованием относительных концентраций трассера в канале впуска и средних относительных концентраций трассера в рядах сходственных каналов по соотношению, полученному с использованием дифференциального уравнения межканального обмена, записанного для пучка стержней с треугольной компоновкой.
Недостатком известного способа является относительно высокая погрешность определения относительного коэффициента межканального массообмена в проточной части пучка стержней. Указанный недостаток обусловлен отсутствием ограничений по выбору характерного участка пучка стержней, на котором следует производить определение указанного коэффициента.
Технический результат изобретения состоит в повышении точности определения относительного коэффициента межканального массообмена в пучках стержней и расширении функциональных возможностей способа.
Для исключения указанного недостатка в способе определения относительного коэффициента межканального массообмена в пучке круглых цилиндрических стержней, включающем прокачку воздушного потока через проточную часть пучка, впуск газообразного химического трассера в канал впуска трассера, отбор пробы из воздушного потока отборным зондом в различных точках по длине каналов пучка, подачу пробы в систему анализа проб и прокачку ее через датчик галоидного течеискателя, определение по показаниям измерительного блока галоидного течеискателя по градуировочной характеристике концентрации трассера в пробе, определение относительной концентрации трассера в каналах пучка, вычисление средней относительной концентрации трассера в рядах идентичных каналов пучка, соответствующей идентичным поперечным сечениям его проточной части, определение относительного коэффициента межканального массообмена путем подстановки экспериментальных относительных концентраций химического трассера в приближенное соотношение, полученное из дифференциального уравнения межканального массообмена для случая впуска химического трассера в каналы пучка с треугольной компоновкой стержней, предлагается:
- относительный коэффициент межканального массообмена определять в пределах характерного участка проточной части пучка стержней;
- в качестве характерного участка выбирать участок, на котором в канале впуска трассера и каналах первого ряда пучка имеет место трассер, в канале впуска трассера имеет место уменьшение концентрации трассера по ходу воздушного потока, в поперечных сечениях проточной части пучка относительная концентрация трассера в канале впуска трассера выше, чем в каналах первого ряда пучка, а в каналах первого ряда пучка концентрация трассера выше, чем в каналах второго ряда пучка;
- по распределениям относительной концентрации трассера определять относительную продольную длину проточной части пучка, на которой трассер из одного канала пучка попадает в другой смежный с ним канал пучка;
- при условии отсутствия трассера в каналах второго ряда пучка относительный коэффициент межканального массообмена определять по приближенному соотношению, учитывающему относительные концентрации трассера в канале впуска трассера, среднюю относительную концентрацию трассера соответственно в каналах первого ряда пучка, относительные кратчайшие расстояния от сечения впуска трассера в канал впуска соответственно до входного и выходного поперечных сечений характерного участка пучка;
- при условии наличия и отсутствия трассера соответственно в каналах второго и третьего рядов пучка относительный коэффициент межканального массообмена определять по приближенному соотношению, учитывающему относительные концентрации трассера в канале впуска трассера, средние относительные концентрации трассера соответственно в каналах первого и второго рядов пучка, относительные кратчайшие расстояния от сечения впуска трассера в канал пучка соответственно до входного и выходного поперечных сечений характерного участка пучка;
- относительные кратчайшие расстояния от сечения впуска трассера в канал пучка до входного и выходного поперечных сечений его характерного участка выбирать с учетом приближенного соотношения, учитывающего количество каналов, окружающих стержень в центральной части пучка и относительную продольную длину проточной части пучка, на которой трассер из одного канала пучка попадает в другой смежный с ним канал пучка;
- отсчет рядов каналов в пучке начинать от канала впуска трассера;
- в качестве масштабного фактора при определении относительных коэффициента межканального массообмена, длин и расстояний в пучке использовать характерный размер элементов его конструкции, а при определении относительной концентрации трассера - его характерную концентрацию.
В частных случаях исполнения способа предлагается:
- в качестве характерного размера элементов конструкции пучка использовать наружный диаметр стержня;
- в качестве химического трассера использовать газообразный фреон;
- в качестве характерной концентрации при определении относительной концентрации трассера использовать максимальную концентрацию трассера в канале впуска трассера или среднесмешанную концентрацию трассера в проточной части пучка.
Способ определения относительного коэффициента межканального массообмена в пучке круглых цилиндрических стержней состоит в следующем.
Воздушный поток прокачивают через проточную часть пучка стержней.
Газообразный химический трассер впускают во впускной канал проточной части пучка стержней.
Пробы из потока воздуха отбирают отборным зондом в различных точках по длине каналов пучка.
Отобранную пробу подают в систему анализа проб и прокачивают ее через датчик галоидного течеискателя.
По показаниям измерительного блока галоидного течеискателя по градуировочной характеристике определяют концентрации трассера в пробе.
Определяют относительные концентрации трассера в каналах пучка путем деления измеренных концентраций на характерную концентрацию трассера в пучке стержней.
Вычисляют средние относительные концентрации трассера в рядах идентичных каналов пучка, соответствующие идентичным поперечным сечениям его проточной части.
Относительный коэффициент межканального массообмена определяют в пределах характерного участка проточной части пучка стержней.
В качестве характерного участка выбирают участок, который отвечает следующим условиям:
- в канале впуска трассера и каналах первого ряда пучка имеет место трассер;
- в канале впуска имеет место уменьшение концентрации трассера по ходу воздушного потока;
- в поперечных сечениях проточной части пучка относительная концентрация трассера в канале впуска трассера выше, чем в каналах первого ряда пучка;
- в каналах первого ряда пучка концентрация трассера выше, чем в каналах второго ряда пучка.
По распределениям относительной концентрации трассера определяют относительную продольную длину проточной части пучка, на которой трассер из одного канала пучка попадает в другой смежный с ним канал пучка.
Относительный коэффициент межканального массообмена определяют путем подстановки экспериментальных относительных концентраций химического трассера в приближенное соотношение, полученное из дифференциального уравнения межканального массообмена для случая впуска химического трассера в канал пучка с треугольной компоновкой стержней.
Для определения относительного коэффициента межканального масссообмена используют одно из двух соотношений в зависимости от условий, характерных для процесса перемешивания воздушного потока в проточной части пучка.
При условии отсутствия трассера в каналах второго ряда пучка относительный коэффициент межканального массообмена определяют по приближенному соотношению:
При условии наличия и отсутствия трассера соответственно в каналах второго и третьего рядов пучка относительный коэффициент межканального массообмена определяют по приближенному соотношению:
В соотношениях (1) и (2) приняты следующие обозначения:
0
m - относительный коэффициент межканального массообмена; N - относительная концентрация трассера в канале впуска трассера;  и  - средние относительные концентрации трассера соответственно в каналах первого и второго рядов пучка;  и  - относительные кратчайшие расстояния от сечения впуска трассера в канал пучка соответственно до входного и выходного поперечных сечений характерного участка пучка.
Относительные кратчайшие расстояния от сечения впуска трассера в канал пучка до входного и выходного поперечных сечений его характерного участка выбирают с учетом приближенного соотношения
где  и  - относительные кратчайшие расстояния от сечения впуска трассера в канал пучка соответственно до входного и выходного поперечных сечений характерного участка пучка, n - количество каналов, окружающих стержень в центральной части пучка;  - относительная продольная длина проточной части пучка, на которой трассер из одного канала пучка попадает в другой смежный с ним канал пучка.
Соблюдение указанного условия исключает попадание в канал впуска трассера из смежных каналов пучка в результате процесса перемешивания. Условие основано на том, что определение относительного коэффициента межканального массообмена следует производить на таком участке продольной длины пучка, на котором трассер, вышедший из впускного канала, не попадет в него вновь в результате процесса массообмена.
Отсчет рядов каналов в пучке начинают от канала впуска трассера.
В качестве масштабного фактора при определении относительных коэффициента межканального массообмена, длин и расстояний в пучке используют характерный размер элементов его конструкции, а при определении относительной концентрации трассера - его характерную концентрацию.
В частных случаях осуществления способа:
- во-первых, в качестве характерного размера используют наружный диаметр стержня;
- во-вторых, в качестве химического трассера применяют газообразный фреон;
- в-третьих, в качестве характерной концентрации используют максимальную концентрацию трассера в канале впуска или среднюю в поперечном сечении прочной части пучка концентрацию трассера.
Пример конкретного выполнения способа
Через проточную часть пучка круглых цилиндрических стержней, имеющих длину 1,2 м, прокачивают воздушный поток.
Пучок имеет следующие конструктивные характеристики:
- число стержней - 37;
- диаметр стержней - 0,0091 м;
- отношение шага расположения стержней в треугольной решетке к диаметру стержня - 1,4.
В опытах имеет место следующие гидродинамические характеристики потока:
-5
- массовый расход фреона через проточную часть пучка - 8,6·10 кг/с;
- массовый расход воздуха через проточную часть пучка - 0,173 кг/с;
3
- число Рейнольдса в прочной части пучка - 2,9·10.
Газообразный фреон впускают через впускной капилляр в канал впуска, расположенный в центральной части пучка.
Отборным зондом, наружный диаметр которого составляет 1,5 мм, производят отбор проб из воздушного потока по длине канала впуска, каналов первого, второго и третьего рядов пучка. В каждом канале на длине 1 м после впускного капилляра по ходу потока на длине с равномерным шагом по длине пучка производят по 20 отборов пробы.
Пробу подают в систему анализа проб и прокачивают ее через датчик галоидного течеискателя.
По показаниям амперметра галоидного течеискателя по градуировочной характеристике, учитывающей взаимосвязь показаний прибора со значением концентрации трассера, определяют концентрацию трассера в отобранной пробе.
Относительную концентрацию трассера в каналах пучка определяют, используя в качестве масштабного фактора максимальную концентрацию трассера в потоке воздуха в канале впуска.
Вычисляют среднюю относительную концентрацию трассера в первом и втором рядах каналов пучка.
Подставляют относительные концентрации химического трассера в приближенные соотношения (1) и (2).
Определяют относительную продольную длину проточной части пучка, на которой трассер из канала впуска попадает в каналы первого ряда пучка, из каналов первого ряда попадает в каналы второго ряда пучка.
При условии отсутствия трассера в каналах второго ряда пучка относительный коэффициент межканального массообмена определяют по приближенному соотношению (1), а при условии наличия и отсутствия трассера соответственно в каналах второго и третьего рядов пучка относительный коэффициент межканального массообмена определяют по приближенному соотношению (2).
Относительные кратчайшие расстояния от сечения впуска трассера в канал пучка до входного и выходного поперечных сечений его характерного участка выбирают с учетом приближенного соотношения (3). В соотношении (3) для треугольной компоновки стержней множитель n=6.
Отсчет рядов каналов в пучке производят начиная от канала впуска трассера.
В качестве масштабного фактора при определении относительных коэффициента межканального массообмена, длин и расстояний в пучке используют наружный диаметр стержня.
Полученные известным способом относительные коэффициенты межканального массообмена соответствуют диапазону значений от 0,0046 до 0,0187, т.е. их разброс составляет ±203%. Использование усовершенствованного способа позволяет исключить неопределенность при определении указанного коэффициента и получить его достоверное значение.