Метрологическое оснащение исследовательского стенда теплопереноса при импульсном воздействии импактной водо-капельной струи

УДК 528.1:631.4

А.Д. Назаров, А.Ф. Серов, М.В. Бодров, В.А. Симаков ИТ СО РАН им. С.С. Кутателадзе, Новосибирск

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО СТЕНДА ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПАКТНОЙ ВОДОКАПЕЛЬНОЙ СТРУИ

В докладе описаны методы, средства измерения и системы контроля, используемые в исследованиях теплопереноса между импульсной газокапельной струей и плоским теплообменником на этапах подготовки и проведения эксперимента.

A.D. Nazarov, A.F. Serov, M.V. Bodrov, V.A. Simakov

Institute of Thermophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (IT SB RAS) Lavrentev avenue 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

METROLOGICAL EQUIPMENT OF SETUP FOR HEAT TRANSFER INVESTIGATION AT THE PULSE EFFECT OF AN IMPACT WATER-DROPLET JET

This report describes measuring methods and tools together with control systems used for investigations of heat transfer between an impact gas-droplet jet and a flat heat exchanger at the stage of experiment preparation and execution.

В теплофизических исследованиях с применением газокапельного потока измеряются и контролируются величины большого и разнообразного числа параметров. Это влечет применение первичных датчиков, функционирующих на основе разных физических законов, имеющие неодинаковые выходные интерфейсы электрического сигнала, которые объединяются в специализированную информационно-измерительную систему. В функции такой системы входит не только фиксация измерительной информации, но управление оборудованием.

Основными элементами экспериментальной исследовательской установки, структурная схема которой показана на рис. 1, являются теплообменник и источник газокапельного потока.

Рис. 1. а - Аэрозольный экспериментальный стенд. 1 - цифровой теплообменник с калориметром; 2 - программируемый источник

многоструйного импульсного спрея. б - Фотография аэрозольного источника. 1

- блок жидкости; 2 - газовый блок

Условиями эксперимента определен режим течения жидкостной фазы в газокапельном потоке: в постоянном потоке газа должны периодически двигаться области капельно-жидкостной фазы заданной длительности и частоты, создавая импульсный режим потока. Для осуществления этой задачи был сконструирован источник аэрозоли, показанный на рис.1б., выполненный в виде двухкамерного блока: для воздуха и воды [1,2]. На плоской части источника расположены 16 жидкостных форсунок в виде матрицы 4 х 4. На этой же поверхности для создания спутного воздушного потока установлены 25 газовых сопла с диаметром выходного отверстия 0.35 мм.

Расход газовой составляющей не изменяется во времени для конкретного режима, и определяется давлением на входе воздушного блока. За счет изменения рабочего давления Рё = (0^6) атм. начальная скорость воздушного спутного потока может быть установлена (0^20) м/с.

Жидкостная форсунка представляет собой распылитель из четырех сопел диаметром 125 мкм включаемых одним электромагнитным клапаном. Для управления жидкостными клапанами разработано микропроцессорное устройство, формирующее сигналы длительности, частоты и последовательности открытия каждого клапана. Устройство состоит из контроллера с микропроцессором М8Р430Б149 и блока исполнительного устройства (ключами). Процессорная плата связана с компьютером по каналу иББ, что позволяет оперативно задавать режим работы матрицы жидкостных клапанов. Электронные устройства собраны в конструктиве системы КАМАК.

Структурная схема алгоритма и панель управления программы, при помощи которой задаются параметры включения клапанов, показаны на рис. 2.

5-1=л

ПР. -^СошташІ тай

іде команды

Рис. 2. Структурная схема алгоритма работы микроконтроллера М8Р430Б149 и

панель управления

Программно-аппаратное устройство позволяет генерировать длительность (Ті = (0.002^0.01) с) и частоту открытия клапана (Бі = (1^50) Гц), что позволяет формировать газокапельный поток с заданной удельной массой жидкой фазы. Расход жидкости и её концентрация на поверхности теплообменника определяется порядком включения клапанов и давлением на входе блока электромагнитных клапанов (Рь = (0.5 ^ 3) атм., при этом начальная скорость жидкости в потоке регулируется (0.5 ^ 30) м/с). Генерация частотно-временных характеристик аппаратно-программной системы управления жидкостными клапанами поверялась частотомером вычислительным Ч3-64. По расчетам и прямым измерениям блок управления обеспечивает точность формирования длительности включения клапана < 0.05 %. Но реальная погрешность определяется временем переходного процесса (открытие-закрытие) электромагнитного клапана (~ 0.0001 сек). Этот переходный процесс зависит от давления в магистрали подачи жидкости, что может вносить нелинейную зависимость расхода от длительности импульса до 5 % при открытии клапана продолжительностью на 2 мс. При проведении измерений была учтена эта погрешность, что позволило расширить диапазон открытия длительности импульса от 0.001 с до 0.01 с.

Измерения жидкостной фазы проводились разработанным в лаборатории прибором для локального измерения концентрации жидкости в газокапельном потоке. Принцип действия измерителя основан на поглощении энергии высокочастотного электромагнитного поля при взаимодействии с водяной компонентной аэрозольного потока. Источником электромагнитных колебаний является излучатель, соединенный с генератором с.в.ч. колебаний.

На рис. 3а показана структурная схема прибор, на рис. 3б конструкция с.в.ч. датчика. К излучателю 4 через схему согласования 3 и высокочастотный усилитель 2 подводится переменный электрический сигнал генератора 1 (частотой 433,92 МГц). Устройство автоматической регулировки уровня (АРУ) 7, 8 поддерживает на постоянном уровне значение амплитуды переменного с.в.ч. сигнала на выходе усилителя. Разностный сигнал с детектора 5 и 6 после сумматора 9, дает информацию об электромагнитной энергии, поступающей на излучатель до и после взаимодействия со средой смеси. Аналоговый сигнал преобразуется в код с помощью АЦП контроллера 10, где информация архивируется, может выводиться на индикацию и передаваться в компьютер для дальнейшей обработки и визуального представления результатов измерения. Калибровка измерителя жидкой фаза выполнялась по двум значениям концентрации влаги: 100% - дистиллированная вода и 0% - сухой воздух.

К компьютеру

Рис. 3. а - Структурная схема измерителя. б. - Конструкция зонда

Измерение, разработанным прибором, концентрации жидкой фазы по сечению газокапельного потока на расстоянии Ь = 50 мм от поверхности

теплообменика [1] показали, что на площади равной поверхности

теплообменника отклонение от среднего не превышают 5%.

Скорость воздушной фазы газокапельного потока измерялась

термоанемометром “АТТ-1004” - это прибор, зарегистрированный в

Государственном реестре средств измерений, с техническими характеристиками: диапазон измерения V = (0.5 ^ 20) м/с; разрешение - 0.1 м/с; погрешность - ±(0.05 V + 0.2), где V - измеренное значение скорости воздушного потока. Измерения поля скоростей были проведены для Рё = 0.05, 1.5 и 2 МПа. Картина распределения скоростей существенно не менялась.

При регистрации распределения воздушной и жидкостной фаз

использовалось координатное устройство (рис.4а). Перемещение с точностью 20 мкм (погрешность перемещения составляла Ы0-) осуществлялось по двум координатам шаговыми двигателями под управлением компьютерной программой. Аппаратура управления выполнена в стандарте системы КАМАК. Связь с компьютером осуществляется по интерфейсу Я8-232. Программа управления для компьютера написана на языке программирования С++ [5,6]. На рисунке 4б и 4в показана панель управления программы, позволяющая задавать перемещение каретки в ручном и в автоматическом режимах, задавая путь обхода и задержки между очередными перемещениями через интерфейс программы.

а. б. в

Рис. 6. Координатное устройство:

а) Структурная схема; б) меню настройки параметров; в) меню управления

режимами работы

Визуализация потока осуществлялась высокоскоростной камерой со скоростью регистрации 7000 видеокадров в секунду. Обработка видеоданных специальной программной «Phantom Control» позволили определить размер капель, составляющий жидкостную составляющую газокапельного потока, скорость движения области капель в потоке. Увидеть перераспределение капель по размеру при движении от источника к поверхности теплообменника.

Эти результаты дополнялись данными полученными от локального датчика пульсаций, которым измерялись распределения концентрации капель в цуге и скорость цуга капель по времени дрейфа от сопла до датчика. В измерениях применялся пьезоэлектрический датчик пульсаций диаметром D = 10 мм с чувствительностью P = 10 мВ/Па в диапазоне пульсаций Епульс=(50-15000) Гц. Информационно-измерительная система, в которую включен датчик, позволяет получить погрешность измерения амплитуды пульсаций порядка 1%. В компьютере проходила обработка полученной информации. Оптические наблюдения и измерения датчиком пульсаций импульсного спрея показали, что поток содержит два основных размера капель (крупные, D ~ (120-150)мкм; мелкие, ё~(45-50)мкм.). Анализ данных показывает, что в процессе движения цуга капель происходит его удлинение примерно в четыре раза (с 0,003 сек. до 0,012 сек).

Регистрация интенсивности охлаждения импульсным спреем поверхности теплообменника выполнялась калориметром, измеряющим интегральный тепловой поток [1, 2]. Контур теплоносителя цифрового калориметра состоит из теплообменника, первичного преобразователя образцового ультразвукового расходомера, электрокотла, циркуляционного насоса, накопительного объема и теплоизолированных подводящих шлангов. В поток контура введены специальные попарно калиброванные платиновые термометры сопротивления (т.с.п.) для измерения перепада температуры теплоносителя между входом и выходом в теплообменнике, термометр жидкости в потоке спрея, термометр жидкости с поверхности пластины в специальном сборнике.

Как показала практика, суммарная погрешность измерения теплового потока отводимого от теплообменника с учетом паразитных тепловых потоков (теплопроводящая арматура и т.п.) находится в пределах 1.5 ^ 3 % (около 20 Дж), что позволяет с достаточной точностью определять параметры теплообмена и их зависимость от режима охлаждающего потока.

Для измерений локальных характеристик теплового потока была создана информационно-измерительная система, первичными датчиками в которой были локальный датчик теплового потока (д.т.п.) [3] и миниатюрного т.с.п. Точность измерения локальных данных системой составляет ±0.5 %.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 09-08-00197-а.

1. Назаров А. Д., Серов А. Ф., Терехов В. И., Шаров К. А. Экспериментальное исследование испарительного охлаждения импульсным спреем [Текст] / А.Д. Назаров, А. Ф. Серов, В. И. Терехов, К. А. Шаров // ИФЖ. - 2009. - Т82., №6. - с.1160-1166.

2. Nazarov A.D., Terekhov V.I, Serov A.F. and Sharov K.A. An Experimental Study of Pulsed-Spray Impingement Evaporative Cooling [CD] / A.D. Nazarov, V.I Terekhov, A.F. Serov and K.A. Sharov // 7th International Symposium on Heat Transfer, (ISHT 08), 26-29 October. 2008: Paper - Beijing, China.

3. Митяков Владимир Юрьевич Возможности градиентных датчиков теплового потока на основе висмута в теплотехническом эксперименте [Текст] / В.Ю. Митяков // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - С.-Петербургский государственный политехнический университет - 2005. - С.239.

© А.Д. Назаров, А.Ф. Серов, М.В. Бодров, В.А. Симаков, 2010