СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ В НАПРАВЛЕНИИ, ПОПЕРЕЧНОМ ПОТОКУ ОЖИЖАЮЩЕГО ГАЗА
METHOD FOR MEASURING THE THERMAL CONDUCTIVITY OF A PSEUDOFLUIDIZED LAYER IN THE DIRECTION CROSSWISE TO THE FLUIDIZING GAS FLOW

Изобретение относится к измерительной технике в области теплофизических свойств веществ, материалов и изделий и ориентировано на использование при диагностике эффективности работы промышленных аппаратов, основанных на принципе псевдоожижения зернистого материала восходящим потоком газа, например, обжиговых печей, сушильных аппаратов и теплогенераторов.
На современном уровне развития науки и техники известны следующие способы измерения температуропроводности.
Известен способ измерения коэффициента температуропроводности, который заключается в нагревании поверхности исследуемого объекта, при этом нагрев поверхности исследуемого объекта осуществляют посредством теплоносителя, поступающего в теплообменник, внешняя поверхность которого, кроме поверхности, примыкающей к участку поверхности исследуемого объекта, снабжена тепловой изоляцией, при измерениях находят зависимость от времени температуры теплоносителя на входе в теплообменник первым измерителем температуры, измеряют зависимость температуры от времени вторым измерителем температуры, размещенным между теплообменником и тепловой изоляцией, а коэффициент температуропроводности находят расчетным путем (патент РФ №2322662, МПК G01N 25/18, опубл. 20.04.2008, БИ №11).
Недостаток указанного способа - невозможность его применения для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя.
Известен способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме, включающий предварительный нагрев твердого тела, использование термопреобразователей в качестве средств измерений теплового режима твердого тела, отличающийся тем, что нагрев твердого тела осуществляют бесконтактным тепловым воздействием на переднюю лицевую поверхность твердого тела с помощью источника инфракрасного излучения, температурное поле твердого тела регистрируют в течение нестационарного теплового режима, определяемого расчетным способом, по экспериментальным данным строят одномерное нестационарное температурное поле твердого тела, по которому решают дифференциальное уравнение теплопроводности и из него находят искомую температуропроводность (патент РФ №2502989, МПК G01N 25/18, опубл. 27.12.2013, БИ №36). Недостаток данного способа аналогичен недостатку предыдущего способа и заключается в невозможности его применения для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя.
Известен способ измерения эквивалентной температуропроводности верхнего слоя донных осадков морских акваторий, который включает измерение и регистрацию температуры на двух горизонтах в донных осадках и температуры придонного слоя воды в течение 12-15 час, с последующим расчетом эквивалентного коэффициента температуропроводности по расчетной формуле (патент РФ №2579547, МПК G01N 25/18; G01K 13/00, опубл. 10.04.2016, БИ №10). Суть данного способа заключается в использовании морских приливов в качестве естественного источника тепла, температура которого периодически изменяется во времени, доставляя в максимуме прилива более холодную придонную воду из больших глубин в менее глубокие районы акваторий. По сути, морские приливы в данном способе играют роль источника периодического теплового воздействия на измерительную базу, сосредоточенную между двумя слоями донных осадков. Данный принцип - принцип периодического теплового воздействия на заданную измерительную базу - является общим для большинства методов измерения температуропроводности, и пригоден, в том числе, для измерения температуропроводности псевдоожиженного, однако сам способ для этих целей применен быть не может.
Известен способ определения коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов, включающий импульсное тепловое воздействие на поверхность плоского образца и регистрацию зависимости температуры поверхности образца, противоположной подвергнутой нагреву, от времени с момента начала теплового воздействия с последующим расчетом коэффициента температуропроводности, при этом тепловой импульс воздействует на кольцевую периферийную область поверхности образца, регистрируют время достижения половины максимального значения температуры в центре образца с последующим расчетом значения коэффициента температуропроводности по заданной формуле (патент РФ №2589760, МПК G01N 25/18, опубл.27.09.2016, БИ №27). Данный способ непригоден для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя.
Известен способ определения температуропроводности твердотельного материала, в котором предварительно выполняют калибровку измерительного устройства путем установки эталона температуропроводности в качестве образца твердого материала, облучают эталон двумя когерентными пучками света от импульсного лазера, направленными под заданным углом друг к другу и формирующими интерференционную картину в плоскости эталона в виде чередующихся светлых и темных полос, возбуждают тепловую динамическую решетку в объеме или на поверхности эталона за счет его пространственно-периодического нагрева, зондируют пятно возбуждения эталона пучком света от непрерывного лазера, фотометрируют пучок, дифрагированный в первый порядок, измеряют значения периода решетки эталона и времени релаксации сигнала дифракции эталона при различных значениях угла для построения калибровочного линейного графика эталона, в откалиброванное измерительное устройство помещают исследуемый образец, возбуждают в нем тепловую динамическую решетку с заданным периодом, определяют время релаксации сигнала дифракции в исследуемом образце и вычисляют искомую величину температуропроводности по заданному соотношению (патент республики Беларусь №16130 (BY), МПК G01N 25/18, опубл. 30.06.2012). Данный способ непригоден для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя.
Известен способ определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела, заключающийся в воздействии на поверхность твердого тела тепловым потоком, регистрации температуры исследуемого твердого тела и расчетном определении коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердого тела, при этом воздействие на поверхность твердого тела осуществляют нагретым жидким теплоносителем со скоростью истечения струи, обеспечивающей обновление теплопередающего слоя, при этом температуру твердого тела регистрируют на его обратной, по отношению к воздействующему тепловому потоку, стороне поверхности (патент республики Казахстан №30616 (KZ), МПК G01N 25/18, опубл. 16.11.2015, БИ №11). Данный способ непригоден для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя.
Наиболее близким к предлагаемому способу является нестационарный способ, основанный на экспериментальном измерении времени релаксации, за которое температура в точке с заданными координатами достигает своего максимального значения после приведения испытуемой среды в соприкосновение с нагретым зондом, выполненным из того же материала, что и испытуемая среда (Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: Физматгиз, 1962, 456 с. С. 211). Известная разновидность данного способа, применяемая для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя, заключается в разделении с помощью передвижной перегородки объема псевдоожиженного слоя на две части: горячую и холодную, быстром удалении перегородки и непрерывной регистрации температуры холодной части в заданной точке, определении времени до наступления ее температурного максимума и последующем расчете искомой температуропроводности по заданному соотношению (Бородуля В.А., Тамарин А.И. Использование нестационарных тепловых источников для исследования перемешивания частиц в псевдоожиженных слоях // Инженерно-физический журнал, 1962, Т. 11, С. 102-104; Пахалуев В.М. Исследование процесса теплового переноса в заторможенных кипящих слоях. Автореф. канд.дисс. Свердловск, 1969). Недостаток способа-прототипа - невозможность его использования в крупногабаритных псевдоожиженных слоях, например, промышленного масштаба, а также недостаточная точность.
Технический результат изобретения - повышение точности измерений и расширение номенклатуры измеряемых объектов.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в псевдоожиженный слой вводят твердое тело, создают заданную разность температуры твердого тела и псевдоожиженного слоя, в течение заданной длительности времени регистрируют мгновенную температуру заданного участка поверхности твердого тела, выполняют спектральный анализ пульсаций измеренной температуры участка поверхности твердого тела, для спектрального анализа используют быстрое преобразование Фурье, по результатам спектрального анализа получают распределение спектральной плотности мощности пульсаций температуры по спектру, из полученного распределения спектральной плотности мощности находят частоту низкочастотной гармоники указанных пульсаций и рассчитывают искомую температуропроводность, при этом используют соотношение:
где
f
1
- частота низкочастотной гармоники пульсаций температуры поверхности твердого тела,
Н - высота певдоожиженного слоя,
D - максимальный поперечный габаритный размер псевдоожиженного слоя.
w
f
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлен характерный вид пульсаций температуры поверхности Т твердого тела, размещенного в псевдоожиженном слое. На фиг. 2 представлено характерное распределение спектральной плотности мощности S пульсаций температуры по спектру (по частоте ).
f
0
В теоретическую основу предлагаемого способа положено следующее. При теплообмене любого твердого тела, погруженного в псевдоожиженный слой, спектр колебаний (пульсаций) температуры его поверхности формируется за счет двух процессов: за счет гравитационных колебаний слоя и за счет процесса перемешивания зернистого материала в объеме слоя. Гравитационные колебания псевдоожиженного слоя происходят в его вертикальном направлении, вызваны силой гравитации и заключаются в попеременном прохождении так называемых пакетов частиц и газовых пузырей вблизи поверхности твердого тела, погруженного в псевдоожиженный слой. В результате гравитационных колебаний на поверхности твердого тела генерируются пульсации температуры, частота которых находится в пределах =1÷10 Гц и ее значение довольно точно оценивается по известному соотношению (Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1981. 296 с.):
где
g - ускорение свободного падения,
0
Н - насыпная высота псевдоожиженного слоя.
f
f
f
f
f
l
0
1
1
1
Процесс перемешивания зернистого материала в певдоожиженном слое вызван крупномасштабной циркуляцией твердых частиц по объему слоя, связанной со стремлением газовых пузырей подниматься по определенным, предпочтительным путям наименьшего гидродинамического сопротивления. В частности, в любом псевдоожиженном слое в его центре всегда преобладает подъемное движение твердой фазы (пакетов частиц), а у его стенок - опускное движение. Пакеты частиц локализованы в объемах, различающихся друг от друга по размерам, и всегда имеют различную среднеобъемную температуру. Различие в температуре пакетов связано с тем, что в любом псевдоожиженном слое имеют место довольно значительные градиенты температуры по его горизонтали, что, в свою очередь, обусловлено неравномерным теплоотводом по объему слоя. При этом, в процессе перемешивания происходит обмен частицами между пакетами частиц, что приводит к частичному выравниванию их температур. В результате процесса перемешивания на поверхности твердого тела формируются низкочастотные колебания температуры, вызванные прохождением разнородных по температуре пакетов частиц, при этом амплитуда таких колебаний существенно превосходит амплитуду гравитационных колебаний, а их частота  на порядок и более ниже частоты гравитационных колебаний  и, в зависимости от габаритных размеров псевдоожиженного слоя, обычно находится в пределах =0,001÷0,1 Гц. Указанная частота  напрямую связана с габаритными размерами псевдоожиженного слоя: чем больше габаритные размеры псевдоожиженного слоя, тем ниже значение указанной частоты  и наоборот. Данная частота также напрямую связана с температуропроводностью псевдоожиженного слоя в направлении, поперечном потоку ожижающего газа, и характеризует качество процесса псевдоожижения (Ходунков В.П. Качество псевдоожижения: путь к энергосберегающим технологиям // Известия ВУЗов: Приборостроение. 2013. Т. 56. №1. С. 67-72).
а
в
В общем случае температуропроводность псевдоожиженного слоя описывается соотношением:
где
v
P
- средняя скорость циркуляции частиц,
ц
L - путь циркуляции частиц.
Для описания температуропроводности псевдоожиженного слоя в направлении поперечном потоку ожижающего газа (в горизонтальном направлении) соотношение (2) принимает вид:
где
- средняя скорость циркуляции твердых частиц в направлении поперечном потоку ожижающего газа (в горизонтальном направлении),
D - наибольший горизонтальный (поперечный) габаритный размер псевдоожиженного слоя.
Скорость циркуляции твердых частиц в горизонтальном направлении  соотносится со скоростью твердых частиц в вертикальном направлении  как:
Из чего следует, что средняя скорость циркуляции твердых частиц в направлении поперечном потоку ожижающего газа (в горизонтальном направлении) равна:
v
P
С другой стороны, скорость твердых частиц в вертикальном направлении  равна:
где
Н - высота псевдоожиженного слоя.
Подставив (6) в (5) и далее в (3) получаем соотношение, которое положено в основу уравнения измерения заявленного способа:
f
f
1
1
Таким образом, для измерения температуропроводности псевдоожиженного слоя в направлении, поперечном потоку ожижающего газа (горизонтальном направлении) необходимо измерить только частоту низкочастотных колебаний , при этом значения высоты псевдоожиженного слоя Н и его максимального габаритного размера D всегда известны и могут быть точно измерены известными традиционными способами. Для измерения частоты  в объем псевдоожиженного слоя необходимо поместить некоторое твердое тело с установленным на его поверхности первичным преобразователем температуры и с помощью данного преобразователя зарегистрировать спектр пульсаций его температуры, при этом для усиления амплитуды пульсаций с целью их надежной регистрации необходимо принудительно создать фоновую разность температуры между твердым телом и псевдоожиженным слоем. Этого можно достичь либо путем принудительного нагрева, либо путем охлаждения твердого тела встроенной в него системой терморегулирования. При этом величину фоновой разности температуры задают исходя из величины регистрируемой амплитуды колебаний: разность должна быть достаточна для надежной регистрации колебаний температуры и подбирается экспериментальным путем для каждого типа аппаратов с псевдоожиженным слоем индивидуально.
f
1
В результате регистрации пульсаций температуры поверхности твердого тела, помещенного в псевдоожиженный слой, получают спектр, характерный вид которого представлен на фиг. 1. Так как реальный спектр пульсаций температуры поверхности - многочастотный, поэтому для выделения в нем низкочастотной составляющей необходим спектральный анализ, для осуществления которого наиболее действенным методом является быстрое преобразование Фурье. В результате выполнения спектрального анализа получают автокорреляционную функцию - распределение спектральной плотности мощности пульсаций S по спектру (фиг. 2), по данному распределению находят низкочастотную составляющую (гармонику) , подставляют ее в уравнение измерения (7) и получают искомое значение температуропроводности.
B
1
В
1
f
a
f
2
Пример осуществления способа. Пусть, например, требуется измерить температуропроводность псевдоожиженного слоя в направлении, поперечном потоку ожижающего газа, в сушильном аппарате диаметром D=1,8 м, с высотой псевдоожиженного слоя H=0,3 м. Температура псевдоожиженного слоя составляет T=180°С. Для измерения в псевдоожиженный слой вводят твердое тело - водохлаждаемый зонд, например, выполненный в виде толстостенного стального цилиндра диаметром 50 мм с установленным на его торцевой поверхности платиновым термометром сопротивления. Зонд охлаждается водой, при этом температура его поверхности не превышает 120°С, разность температур псевдоожиженного слоя и поверхности зонда составляет 60°С и ее достаточно для регистрации пульсаций температуры. При выполнении измерений в течение 5 минут непрерывно регистрируют сигнал платинового термометра сопротивления, т.е. его температуру. После чего, зарегистрированные сигнал анализируют методом быстрого преобразования Фурье, и, в результате, например, получают, что частота низкочастотных колебаний равна =0,01 Гц. Подставляют полученное значение в уравнение измерения (7) и получают искомое значение температуропроводности, которое оказывается равным: =HD=0,01⋅0,3⋅1,8=0,0054 м/с.
Предложенный способ, в отличие от способов-аналогов, легко реализуем в условиях работы крупных промышленных аппаратов, и имеет более широкую номенклатуру применения при одновременно высокой достигаемой точности измерений.