Введение к работе
Актуальность темы. Современные условия дефицита энергетических и материальных ресурсов предъявляют все возрастающие требования к повышению эффективности проектируемых технологических процессов, аппаратов и оборудования. Наиболее полно эта проблема решается с применением систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих сформировать, сравнить и оценить большое количество вариантов проектных решений. При этом в САПР технологических процессов, протекающих в потоках жидкостей при неизотермических условиях, широко используют математические модели процессов теплопереноса в виде краевых задач, параметрами которых являются эффективные теплофизические характеристики (ТФХ) (тепг. лопроводность, температуропроводность, теплоемкость и др.) потоков технологических жидкостей (см. примечание на стр. 32).
Потоки реальных технологических жидкостей в большинстве случаев представляют собой дисперсные системы (суспензии, эмульсии или жидкостно-газовые смеси), эффективные значения ТФХ которых могут быть измерены только в процессе течения. При ,. остановке течения происходит разделение реальных технологических жидкостей на их компоненты. При этом, твердые частицы суспензий, выпадают в осадок, эмульсии расслаиваются, мелкие пузырьки газов выделяются из жидкостно-газовых смесей.
Традиционные методы и приборы теплофизических измерений основаны на предположении, что образец исследуемой жидкости в процессе измерения должен находиться в неподвижном "квазитвердом" состоянии (в образце не должно быть конвективного переноса теплоты). Поэтому эти методы и приборы не пригодны для измерения эффективных ТФХ потоков реальных технологических жидкостей.
Проведенные исследования показали, что наиболее подходящими для измерения эффективных ТФХ потоков технологических жидкостей являются так называемые методы ламинарного режима (.МЛР). Достоинствами МЛР являются как возможность непрерывного во времени измерения ТФХ технологических жидкостей в процессе течения через измерительные устройства, так и возможность экспериментального исследования зависимости теплопроводности жидкостей от скорости сдвига. Это второе достоинство МЛР имеет особенно большоезначение в связи с тем, что в последние десятилетия в научно-технической литературе публикуются работы, посвяшенные те.оретическому исследований эффектов анизотропии переноса теплоты .в,конвектив-
1 і
ных потоках жидкостей. Однако, экспериментальных данных, свидетельствующих о проявлении анизотропии теплопроводности при течении жидкостей, до последнего времени опубликовано не было.
Важным аспектом при разработке и использовании методов измерения ТФХ жидкостей в процессе течения, является.', проблема автоматизации измерительных операций и процессов обработки экспериментальных данных, решение которой позволяет исследователям получать необходимые сведения о характере и величине изменений ТФХ в ходе эксперимента и, в соответствии с этими сведениями, управлять условиями эксперимента для получения необходимых результатов, например, получения потоков жидкостей с заданными ТФХ. Наиболее полно и. эффективно эта проблема может быть решена путем создания автоматизированной системы научного исследования (АСНИ) ТФХ потоков технологических жидкостей.
Исходя из изложенного выше разработка и исследование методов и устройств для измерения эффективных теплофизических характеристик потоков технологических жидкостей, пригодных для использования в составе АСНИ ТФХ, является актуальной проблемой.
Цель работы состоит в повышении точности определения эффективных ТФХ потоков технологических жидкостей в процессе течения путем создания методов и измерительных устройств с улучшенными .техническими и метрологическими характеристиками.
Задачи работы. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: 1) разработаны теоретические основы измерения ТФХ жидкостей в процессе ламинарного течения в измерительных устройствах; 2) выполнен анализ источников погрешностей измерений и даны рекомендации по выбору режимных и конструктивных параметров измерительных методов и устройств; 3) разработаны новые методы и конструкции измерительных устройств, создано техническое, алгоритмическое, программное и метрологическое обеспечение АСНИ ТФХ потоков жидкостей; 4} получены оценки случайных и систематических погрешностей измерений ТФХ с применением разработанных методов и устройств, предложены алгоритмы введения поправок в результаты измерений; 5). разработанные методы и устройства применены для измерения и контроля ТФХ жидкостей.
Научная новизна. Разработаны теоретические основы измерения коэффициента температуропроводности а и комплексного тепло-физического параметра ц-а, представляющего собой произведение
коэффициента динамической вязкости ц на коэффициент темпе-ратуропроподности а, в процессе напорного ламинарного течения исследуемой., .жидкости через измерительные трубки с постоянной температурой стенки теплообменного участка.
Разработаны теоретические, основы измерения теплопроводности х, коэффициента температуропроводности а, объемной теплоемкости с-р и комплексных теплофизических параметров ц-а и с-р/ц в процессе напорного ламинарного течения исследуемой жидкости через измерительные трубки, стенки теплообменных участков которых обогреваются электронагревателями.
Разработаны теоретические основы измерения теплопроводности \, коэффициента температуропроводности а и динамической вязкости и, а также комплексного теплофизического параметра ц/\ в процессе сдвигового ламинарного течения исследуемой жидкости в зазоре между двумя коаксиально расположенными цилиндрами при вращении внешнего цилиндра с постоянной угловой скоростью.
Разработаны новые методы измерения ТФХ и конструкции измерительных устройтв, защищенные авторскими свидетельствами.
Впервые выполнен анализ источников погрешностей измерений ТФХ с применением разработанных методов и измерительных устройств. Решены задачи по выбору оптимальных режимных и конструктивных параметров этих методов и устройств.
Экспериментально определены зависимости от скорости сдвига вторых диагональных компонентов тензоров теплопроводности и температуропроводности ряда полимерных жидкостей,- эти результаты подтверждают положение, что при математическом моделировании теплопереноса в ламинарных потоках вязкоупругих жидкостей следует использовать тензорную форму записи уравнения энергии.
Практическая ценность работы Разработанные теоретические основы измерения ТФХ жидкостей реализованы в виде новых методов ламинарного режима и четырех типов конструкций проточных измерительных трубок, предназначенных для непрерывного измерения и контроля ТФХ жидкостей в ходе научного эксперимента.
Разработаны методы и практическая конструкция измерительного устройства, предназначенного для измерения ТФХ исследуемой жидкости, находящейся в зазоре между двумя коаксиально установленными цилиндрами в состоянии сдвигового - ламинарного течения, создаваемого за счет вращения внешнего цилиндра.
Созданы необходимые элементы математического, алгоритмического, программного, метрологического и технического обеспечения АСНИ ТФХ, ориентированной на использование разработанных методов и измерительных устройств.
Получены оценки случайных и системетических погрешностей измерений ТФХ с применением разработанных методов и устройств, созданы алгоритмы введения поправок в результаты измерения ТФХ жидкостей, позволившие уменьшить значения систематических погрешностей измерений на 3...5%.
Разработанные методы и измерительные устройства применены для измерения и контроля ТФХ ряда технологических жидкостей.
На основе экспериментально обнаруженных в процессе исследований эффектов предложены методы и устройства: 1) для измерения и контроля вязкости жидкости по величине расхода, соответствующего переходу ламинарного режима течения в турбулентный; 2) для контроля момента окончания реакции диазоткрования по величине интенсивности газовыделений в реакционной среде.
Реализация научно-технических результатов. Результаты работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ и переданы для использования предприятиям: НИИХимполимер (г.Тамбов, 1976 г.); ПО "Пигмент» (г.Тамбов, экон. эффект 11 тыс.руб., 1976 г.); Тамбовский филиал ВИЭСХ (г.Тамбов, 1976 г.); ПКБпластмаш (г.Краснодар, экон. эффект 15 тыс. руб, 1978 г.); ВНИПИМ (Г.Тула, экон.эффект 50 тыс. руб, 1991 г.); УкрНИИСП (г.Киев, экон. эффект 100 тыс. руб., 1992 г.); ГосНШХП (г.Казань, экон. эффект 3 млн. руб, 1993 г.); А/О НИИРТМаш. (г.Тамбов, экон. эффект 900 тыс. руб., 1993 г.); институт синтетических полимерных материалов РАН (г. Москва, экон. эффект 10 млн. руб, 1993 г.); НПП "Модуль" (г.Тамбов, экон. эффект 3 млн. руб., 1993 г.), А/0 "Кристалл" (г. Кирсанов Тамбовской области, экон. эффект 3 млн. руб, 1994 г., ожидаемый экон. эффект 20 млн. руб, ),- ТГТУ (г.Тамбов, 1994 г.). Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет около 20 млн. руб. Материалы диссертации используются в учебных курсах ТГТУ при обучении студентов специализации 21.03.17 "Автоматизация анали- тического контроля технологических процессов и производств".
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на vi Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам вешеств
(Г.Минск, 1978 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Пронесен и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия" (г. Москва, 1982 г.); Всесоюзных научных конференциях "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" (г. Тамбов, 1986,-1988 г.г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Тепло-физические измерения в решении актуальных задач современной науки и техники" (г.Киев , 1987 г.); vnr Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Новосибирск, 1988 г.), Всесоюзной конференции "Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизированных производств" (г.Тамбов, 1989 г.); їх и х Всесоюзных теплофизических школах (г.Тамбов, 1988,1990 г.г.); Третьей Всесоюзной;;-конферениии "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" *(г-Воронеж, ' 1990 г.); Международной школе-семинаре "Геофизика и теплофизика неравновесных систем" (г.Минск, 1991 г.); xliv и xlv научно-технических конференциях МИХМ (Г.Москва, 1991, 1992 г.); Всесоюзном семинаре по процессам переноса в химической технологии (С:- Петербург, 1991 г.); 11 симпозиуме по теплофизическим свойствам (г. Боулдер, США, 1991 г.); Международной выставке-конференции "Мера - 92" (г.Москва, 1992 г.); Международной тешюфизической школе {г.Тамбов, 1992 г.); 13 Европейской конференции по теплофизическим свойствам (Лиссабон, Португалия, 1993 г.); на г. научной конференции Тамбовского государственного технического университета (1994г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 70 работ, в том числе 12 авторских свидетельств, две справочные книги, депонирован монографический обзор объемом 2.7 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, приложений и списка использованной литературы,, изложена на 290 страницах, содержит 50 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 220 наименований. Приложения содержат 185 страниц, 21 рисунок и 16 таблиц.
