Определение температуры среды трубопроводной обвязки судовых компрессоров по температуре наружной стенки

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-1-81-86 УДК 629.5.064:621.6.078

А. Е. Семенов, С. А. Путилин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ ТРУБОПРОВОДНОЙ ОБВЯЗКИ СУДОВЫХ КОМПРЕССОРОВ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ НАРУЖНОЙ СТЕНКИ

Для определения температуры среды в судовых системах трубопроводов используются показания контактных термометров, пирометров и тепловизоров, которые измеряют температуру стенки трубопровода с достаточно высокой точностью. Кроме поправок на точность измерения температуры стенки прибором необходимо уметь перейти к значению температуры среды. Значение температуры стенки трубопровода отличается от температуры среды в трубопроводе, поэтому необходимо выполнить расчет, в результате которого можно найти температуру среды в трубопроводе. На основании решения системы уравнений, описывающих явление теплопередачи через цилиндрическую поверхность, разработана методика определения температуры среды в трубопроводе по измеренной температуре стенки трубопровода. Условия теплопередачи могут сильно отличаться для различных трубопроводов и сред. Рассчитаны температурные поправки для различных условий эксплуатации трубопровода. Для вычислений разработана компьютерная программа, написанная в математическом пакете Mathcad. Вычислены температурные поправки для определения температуры среды внутри трубопровода по величине температуры наружной стенки трубопровода. Проведен анализ различных факторов, влияющих на величину температурных поправок: теплоотдачи к воздуху, теплоотдачи от среды внутри трубопровода, толщины стенок и загрязнений. Проверка теоретических данных выполнена на судовом компрессорном агрегате. В ходе эксперимента подтверждена возможность определения температуры среды внутри трубопровода по температуре поверхности трубопровода с учетом разработанных поправок. Приборы, определяющие температуру стенки трубопроводов, могут быть использованы как дополнительные средства измерения для повышения информативности результатов контроля, анализа режимов работы и повышения надежности эксплуатации судовых трубопроводных систем.

Ключевые слова: судовой трубопровод, температура поверхности трубопровода, температура среды трубопровода, измерение температуры среды.

Введение

Диагностика судового оборудования с применением контактных термометров [1], пирометров [2] и тепловизоров [3] позволяет достаточно быстро определить состояние оборудования и режимов его работы [4]. Для определения температур технологических сред, воды, воздуха в судовых трубопроводах необходимо скорректировать показания прибора, измеряющего температуру наружной стенки, т. к. температура стенки зависит от скорости воздуха и среды в трубопроводах. Введение поправки для определения температуры среды по измеренной температуре стенки позволяет более точно определить температуру среды.

Методика расчета температуры среды трубопровода по показаниям прибора

Используя уравнения теплообмена в трубопроводах [5] для расчета поправки и температуры среды в трубопроводе, записываем следующие уравнения:

а = а п

^ воз нар \ ст.нар возу' У '

а = асредп

Ч = 2п^сг

Ч = 2п^загр

= 'сред — 'ст.нар,

где ¿юз - температура воздуха, °С; ¿ст.нар - температура наружной стенки, °С; авоз - коэффициент теплоотдачи от воздуха к наружной стенке, Вт/(м2К); асред - коэффициент теплоотдачи от среды к внутренней поверхности, Вт/(м2К); dнар - наружный диаметр трубопровода, м; dвн - внутренний диаметр трубопровода, м; d33rp - внутренний диаметр с учетом загрязнений, м; - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(мК); Хзагр - коэффициент теплопроводности загрязнений, Вт/(мК).

Предварительно определяем авоз, асред по известным уравнениям теплопередачи [5, 6] в зависимости от скорости воздуха и скорости среды в трубопроводе.

Решаем уравнения (1)-(5) в математической программе Mathcad относительно переменных q, 4т.вн, ^стзагр, ¿фед, AT, где q - линейная плотность теплового потока, Вт/м; tст. вн - температура внутренней стенки, °С; ¿ст.загр - температура внутренней поверхности загрязнений, °С; ¿сред - температура среды в трубопроводе, °С; AT - поправка к измеренной температуре, К.

Расчет температурных поправок для определения температуры среды трубопроводов

Расчет в программе Mathcad позволяет использовать для решения уравнений (1)-(5) функции Given - Minerr. Разработанная в Mathcad программа расчета поправки и температуры среды позволяет проводить анализ результатов измерения температуры стенки прибором.

В качестве примера проведем расчет поправки к измеренной температуре наружной стенки трубы 25 х 4 мм при следующих условиях: коэффициент теплопроводности стенки 46,5 Вт/(мК); коэффициент теплопроводности загрязнений 1,5 Вт/(мК); температура воздуха +25 °С; температура наружной стенки 50 °С; коэффициент теплопередачи от воздуха к наружной стенке трубы 1-15 Вт/(м2К); коэффициент теплопередачи от среды к внутренней стенке трубы или загрязнений для газа 10, 50, 100 Вт/(м2К); для жидкости 1 000, 2 000 и 3 000 Вт/(м2К).

На рис. 1-4 представлены результаты анализа влияния коэффициента теплоотдачи от наружной стенки к воздуху и коэффициента теплоотдачи от среды к внутренней стенке на температурные поправки для чистой и загрязненной гладкой трубы.

60

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

Коэффициент теплоотдачи среды 10 Вт/

И Коэффициент теплоотдачи среды 50 Вт/

2 4 6 8 10 12

Теплоотдача к наружной поверхности трубы, Вт/

Рис. 1. Поправки для расчета температуры газовой среды в судовом трубопроводе по температуре наружной стенки чистой трубы

и л

л &

£

3

и ^

о й л

о

с

0,7 0,6 0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

1IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

-- Ш Коэффициент теплоотдачи среды 1 000 Вт/

А Коэффициент теплоотдачи среды 31 000 Вт/

0 2 4 6 8 10 12 14

Теплоотдача к наружной поверхности трубы, Вт/

16

Рис. 2. Поправки для расчета температуры жидкой среды в судовом трубопроводе по температуре наружной стенки чистой трубы

Л &

£ р

5р

й р

о

С

Ш Труба без загрязнений

Труба с толщиной загрязнений 1 мм

"А— Труба с толщиной загрязнений! 2 мм I I I I I I I I I I | | | | I

2 4 6 8 10 12 14

Теплоотдача к наружной поверхности трубы, Вт/

Рис. 3. Сравнение поправок для расчета температуры газовой среды в судовом трубопроводе по температуре наружной стенки чистой и загрязненной трубы

16

0

0

2

Теплоотдача к наружной поверхности трубы, Вт/

Рис. 4. Сравнение поправок для расчета температуры жидкой среды в судовом трубопроводе по температуре наружной стенки чистой и загрязненной трубы

На рис. 1, 2 видно, что увеличение коэффициента теплоотдачи к воздуху приводит к значительному увеличению температурных поправок для определения температуры среды, причем для газовой среды влияние коэффициента теплоотдачи от наружной стенки к воздуху на поправки значительно выше, чем для жидкой среды. Из вышесказанного следует, что при измерении температуры стенки прибором необходимо стремиться к уменьшению скорости воздуха на измеряемом участке, ограждая участок измерения. Увеличение теплоотдачи от среды к внутренней стенке ведет к снижению поправки для определения температуры среды. При вычислении температуры жидкой среды поправка значительно ниже из-за высокого коэффициента теплоотдачи, чем для газообразной среды.

При расчете необходимо учитывать влияние загрязнений стенки трубопровода. На рис. 3, 4 показано влияние толщины загрязнения трубы на величину поправки. Так, при коэффициенте теплоотдачи от воздуха 5 Вт/(м2К) и коэффициенте теплоотдачи от газа 50 Вт/(м2К) температурная поправка для чистой гладкой трубы составляет 3,6 °С, при загрязнении 1 мм - 3,8 °С, при толщине загрязнений 2 мм - 4,0 °С. Для жидкости при коэффициенте теплоотдачи 1 000 Вт/(м2К) и при коэффициенте теплоотдачи от воздуха 5 Вт/(м2К) температурная поправка для чистой гладкой трубы составляет 0,2 °С, при загрязнении 1 мм - 0,33 °С, при толщине загрязнений 2 мм - 0,46 °С.

Экспериментальное определение температуры стенки трубопроводов и расчет температуры среды

Для оценки методики расчета температурных поправок экспериментально проведена диагностика нагнетательного трубопровода агрегата, используемого в судовых системах.

Для диагностики трубопроводов компрессорного агрегата использовался тепловизор Testo 875-2i. На компьютере с помощью программы IRSoft V3.1 SP3, поставляемой с прибором, получены термограммы и проведен их анализ. По термограмме определены значения температуры стенок трубопровода и оборудования. Для определения температуры среды по температуре стенки трубопровода из термограммы проводились расчеты температурных поправок по разработанной нами программе в Mathcad. Температура в точке измерения тепловизором контролировалась термопарами, установленными в термогильзе.

На рис. 5 приведены термограмма и фотография судового компрессорного агрегата с трубопроводной обвязкой (опыт: 12; дата: 12.05.2017 г.; время: 10:12:00), полученные с использованием тепловизора Testo 875-2i.

ли

räl

Рис. 5. Термограмма и фотография судового компрессорного агрегата с трубопроводной обвязкой

Для проверки методики расчета и программы получена термограмма, по которой определена максимальная температура нагнетательного трубопровода: 102 °С. Поправка для условий работы аммиачного трубопровода при коэффициенте теплоотдачи среды в трубопроводе 85 Вт/(м2К) (при 13 м/с) составила 5,5 К. Прибавляя поправку к температуре стенки, получаем температуру среды в нагнетательном трубопроводе компрессора: 107,5 °С. Температура газа, определенная по термопаре в термогильзе, составила 106 °С.

Выводы

1. При измерении температуры стенок трубопроводов и стенок оборудования с целью определения температуры среды можно использовать полученные выше поправки.

2. Разработанная методика расчета температуры среды по термограмме тепловизора, реализованная в математическом пакете Mathcad, позволяет определять температуру среды в измеряемом сечении трубопровода с учетом поправок.

3. Испытания судового компрессорного агрегата подтверждают достоверность температурных поправок при определении температуры среды по измеренной температуре стенки.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Фрунзе А. В. Влияние методических погрешностей пирометра на выбор прибора // Фотоника. 2012. № 3. С. 46-51.

2. Термометры контактные цифровые ТК-5.08 руководство по эксплуатации. 2018. URL: http://www.technoac.ru/files/manual/tk-5.09_11 .pdf.

3. Тепловизор Testo 875-2i. Руководство пользователя. М.: ООО «Тэсто Рус», 2016. 16 с.

4. Семенов А. Е., Путилин С. А. Обследование холодильника для фруктов // Развитие науки в XXI веке: сб. ст. XXVII Междунар. конф. Харьков: Науч.-информ. центр «Знание», 2017. C. 63-72.

5. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 344 с.

6. Данилова Г. Н., Богданов С. Н., Иванов О. П. и др. Теплообменные аппараты холодильных установок / под общ. ред. д-ра техн. наук Г. Н. Даниловой. Л.: Машиностроение, 1986. 303 с.

Статья поступила в редакцию 25.09.2017

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Семенов Александр Евгеньевич — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры теплотехники и холодильных машин; semenalex48@yandex.ru.

Путилин Сергей Анатольевич — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры теплотехники и холодильных машин; serjpu@rambler.ru.

A. E. Semenov, S. A. Putilin

MEASURING TEMPERATURE OF THE MEDIUM OF SHIP COMPRESSOR PIPING USING TEMPERATURE OF THE OUTER WALL

Abstract. To determine the temperature of the medium in the ship's piping systems there are used readings of contact thermometers, pyrometers and thermal scans which measure the temperature of the pipeline rather accurately. Aside from corrections for accuracy of the measurement of the wall temperature, it is necessary to move towards measuring temperature of the medium. Readings of the temperature of the pipeline wall differ from the readings of the medium temperature inside the pipeline, so it is necessary to calculate and find the temperature of the medium in the pipeline. After solving a system of equations describing the phenomenon of heat transfer through the cylindrical surface, there has been worked out the technique of measuring temperature of the pipeline medium, according to the measured temperature of the pipe wall. The conditions of heat transfer can vary for different pipelines and media. The paper gives calculated temperature corrections for different operating conditions of the pipeline. To carry out calculations, a computer program has been written in the Mathcad mathematical package. Temperature corrections have been calculated to determine the medium temperature inside the pipeline using the temperature value of the outer wall of the pipeline. There has been carried out analysis of various factors affecting temperature changes: heat transfer to the air, heat transfer of medium inside the pipeline, wall thickness and contamination. Verification of theoretical data has been made on a ship of the compressor unit. The experiment confirmed the possibility of measuring temperature of the medium inside the pipeline, according to the temperature of pipeline surface using the developed corrections. Devices measuring the temperature of the pipeline walls can be used as additional measurement to enhance informativeness of testing results, analysis of operating modes, and improve the operation reliability of ship piping systems.

Key words: ship pipeline, surface temperature of the pipeline, temperature of the pipeline medium, measuring temperature of the environment.

1. Frunze A. V. Vliianie metodicheskikh pogreshnostei pirometra na vybor pribora [Influence of a pyrometer method errors on the choice of an instrument]. Fotonika, 2012, no. 3, pp. 46-51.

2. Termometry kontaktnye tsifrovye TK-5.08 rukovodstvo po ekspluatatsii. 2018 [Digital contact thermometers TK-5.08 Operating instruction. 2018]. Available at: http://www.technoac.ru/files/manual/tk-5.09_11.pdf.

3. Teplovizor Testo 875-2i. Rukovodstvo pol'zovatelia [Infrared scanner Testo 875-2i.User manual]. Moscow, OOO «Testo Rus», 2016. 16 p.

4. Semenov A. E., Putilin S. A. Obsledovanie kholodil'nika dlia fruktov [Examining a fruit cool storage warehouse]. Razvitie nauki v XXI veke: cbornik statei XXVII Mezhdunarodnoi konferentsii. Kharkov, Nauch.-inform. tsentr «Znanie», 2017. Pp. 63-72.

5. Mikheev M. A., Mikheeva I. M. Osnovy teploperedachi [Heat transfer principles]. Moscow, Energiia Publ., 1977. 344 p.

6. Danilova G. N., Bogdanov S. N., Ivanov O. P. i dr. Teploobmennye apparaty kholodil'nykh ustanovok [Heat exchangers in refrigerating plants]. Pod obshchei redaktsiei d-ra tekhn. nauk G. N. Danilovoi. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1986. 303 p.

Semenov Alexander Evgenyevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Heat Engineering and Refrigerating Machines; semenalex48@yandex.ru.

PUtilin Sergey Anatolyevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical üni-versity; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Heat Engineering and Refrigerating Machines; serjpu@rambler.ru.

REFERENCES

The article submitted to the editors 25.09.2017

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS