Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы, цель н задачи исследования 10
1.1. Назначение и область применения оребренных биметаллических труб 10
1.2. Тештопередающие характеристики оребренных биметаллических труб 12
1.3. Структура и особенности ТКС биметаллических труб 16
1.4. Существующие методы неразрушающего контроля ТКС биметаллических оребренных труб 25
1.4.1. Косвенные методы 26
1.4.2. Стационарный тепловой неразрушающий метод 28
1.4.3. Метод регулярного теплового режима 33
1.5. Возможности нестационарных методов контроля ТКС 38
1.6. Основные требования к современным методам неразрушающего 43
контроля ТКС оребренных биметаллических труб
2. Теоретические основы тепловых неразрушающих методов контроля ТКС биметаллических труб 47
2.1. Стационарный метод с радиальным наружным тепловым потоком и проточной водой 47
2.2. Регулярный метод охлаждения трубы проточной водой 51
2.3. Релаксационный адиабатический метод 56
2.4. Методы импульсного разогрева наружным или внутренним радиальным тепловым потоком 61
2.5. Методы радиального импульсного разогрева биметаллической трубы горячей воздушной струей 68
2.6. Релаксационный метод при свободном охлаждении трубы 73
2.7. Выводы по главе 78
3. Экспериментальное исследование нестационарных методов контроля ТКС биметаллических труб 81
3.1. Основные задачи и этапы исследований 81
3.2. Выбор нагревателей 85
3.3. Выбор конструкции температурных датчиков 89
3.4. Анализ температурного поля несущей и наружной труб 95
3.5. Анализ температурного поля ребер наружной трубы 101
3.6. Результаты экспериментальной проверки нестационарных методов контроля ТКС 105
3.7. Выводы по главе 117
4. Описание опытного образца автоматизированного прибора для неразрушаюшего контроля ТКС 119
4.1. Назначение и состав автоматизированного прибора 119
4.2. Описание и технические характеристики контроллера 121
4.3. Методика контроля ТКС биметаллических труб 123
4.4. Работа прибора с ПЭВМ , 126
Заключение и выводы 128
Список литературы
- Тештопередающие характеристики оребренных биметаллических труб
- Регулярный метод охлаждения трубы проточной водой
- Выбор конструкции температурных датчиков
- Методика контроля ТКС биметаллических труб
Введение к работе
Актуальность проблемы. Аппараты воздушного охлаждения (АВО) с биметаллическими оребренньши теплообменными трубами находят применение в разнообразных отраслях народного хозяйства, особенно там, где приходится иметь дело с интенсивным воздушным охлаждением химически агрессивных жидкостей высокого давления. АВО широко используются в химической, нефтегазотранспортной и пищевой промышленности, в холодильной технике и на различных перерабатывающих предприятиях. Главной технической характеристикой АВО является тепловая эффективность теплообменника. А она в основном зависит от теплового контактного сопротивления (ТКС), которое всегда имеется в биметаллической трубе на границе механического контакта образующих ее труб - несущей внутренней и оребренной наружной. Неоправданно большие ТКС обычно возникают в процессе изготовления биметаллических труб и не поддаются прямому неразрушающему контролю, а обнаруживаются только в процессе эксплуатации. Поэтому уже многие десятилетия существует проблема создания эффективных экспрессных методов неразру-шающего контроля ТКС биметаллических труб на этапе их изготовления, в заводских условиях. Проводившиеся в этом направлении исследования перестали удовлетворять современным требованиям нормативных документов. В 70-х годах прошлого века в нашей стране впервые была создана стационарная установка, пригодная для выборочного контроля ТКС промышленных оребренных труб. Однако длительность контроля одной трубы на установке занимала не менее часа, поэтому такой способ контроля не получил должного распространения. Проблема экспрессного неразрушающего контроля ТКС биметаллических труб АВО остается актуальной, так как непосредственно связана с общей проблемой снижения энергопотребления многих промышленных технологических процессов, составляющих основу нашего народного хозяйства.
Цель работы. Разработка методов и средств неразрушающего экспрессного контроля теплового контактного сопротивления в биметаллических ореб-ренных теплообменных трубах, составляющих основу современных промышленных аппаратов воздушного охлаждения.
Для достижения поставленной цели пришлось решить ряд задач:
- разработать аналитическую теорию экспрессных тепловых методов неразрушающего контроля ТКС биметаллических труб;
- создать малоинерционные датчики, пригодные для регистрации температуры внутренней и наружной поверхности оребренных труб;
- разработать импульсные источники нагрева, воспроизводящие при внутреннем и наружном радиальном нагреве трубы тепловой импульс прямоугольной формы;
- провести комплексную экспериментальную проверку выбранных методов контроля ТКС и выявить их технические возможности;
- создать опытный образец автоматизированного прибора переносного типа, предназначенного для экспрессного контроля ТКС биметаллических труб на этапе их изготовления.
Научная новизна. Разработана и экспериментально проверена группа нестационарных методов неразрушающего контроля ТКС биметаллических труб. На основе одного из разработанных методов создан автоматизированный прибор переносного типа, предназначенный для контроля ТКС в заводских условиях.
Автор защищает:
- три группы нестационарных тепловых методов неразрушающего контроля ТКС биметаллических оребренных труб;
- теоретическое обоснование и сравнительный анализ разработанных методов;
- способы регистрации поверхностной температуры трубы в условиях импульсного разогрева;
- способы радиального внутреннего и наружного нагрева трубы поверхностным тепловым импульсом прямоугольной формы;
- результаты проверки разработанных методов контроля ТКС;
- автоматизированный прибор для неразрушающего контроля ТКС биметаллических труб.
Практическая ценность работы. Разработанные методы и созданные на их основе автоматизированные приборы позволяют организовать массовый не-разрушающий контроль ТКС и отбраковку промышленных биметаллических теплообменных труб в заводских условиях, непосредственно после их изготовления.
Апробация работы. Содержание диссертации обсуждалось: 1) на Х1-ой Международной деловой встрече "Диагностика-2001"; 2) ХИ-ой Международной деловой встрече "Диагностика-2002"; 3) на XXI-ом тематическом семинаре "Диагностика оборудования и трубопроводов КС"; 4) на И-ой Международной научно-технической конференции "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке"; 5) на ХХ1Х-ХХХ научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУНиПТ.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 6 научных статей и получен патент Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (109 наименований) и приложения. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 52 рисунка.
Тештопередающие характеристики оребренных биметаллических труб
Аппараты воздушного охлаждения (АВО) с биметаллическими оребрен-ными тешгообменными трубами находят широкое применение в разнообразных отраслях народного хозяйства, особенно там, где приходится иметь дело с интенсивным воздушным охлаждением химически агрессивных жидкостей высокого давления. В биметаллических трубах АВО несущая труба теплообменника (обычно стальная или латунная) обеспечивает ему механическую прочность и химическую стойкость, а наружная алюминиевая труба, благодаря своим развитым кольцевым ребрам, существенно интенсифицирует конвективный теплообмен с воздушной наружной средой.
Ребра являются важным конструктивным элементом труб, которые используются для осуществления интенсивного теплообмена между потоком жидкого теплоносителя и наружной газовой средой. Благодаря ребрам удается сбалансировать относительно низкую тепловую активность газовой среды с высокой тепловой активностью жидкостей, обеспечивая тем самым значительное снижение габаритов и материалоемкости АВО.
Тепловая эффективность любой теплообмен ной трубы определяется ее теплопередающей способностью между протекающей внутри трубы жидкостью и наружным воздухом. Она зависит от нескольких факторов. К ним в равной мере относятся как коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях, так и радиальная тепловая проводимость самой трубы. Физической величиной, обратной проводимости, как известно, является эффективное термическое сопротивление. В случае биметаллических труб оно складывается из радиального теплового сопротивления самих труб и термического контакт -11 ного сопротивления (ТКС) между ними. В наружной трубе термическое сопротивление оказывается характеристикой, зависящей не только от материала и толщины основной части трубы, но также от геометрии и шага ее ребер. Строгий расчет теплового сопротивления ребер обычно связан с определенными трудностями. Поэтому термическое сопротивление обеих труб, как и их ТКС, обычно оценивают экспериментально.
Удельное суммарное термическое сопротивление обеих труб является весьма стабильной характеристикой биметаллических труб, слабо зависящей от условий их эксплуатации. Расчеты и опыт показывают, что его обычно удается снижать до значений, не превышающих Р = 1,0-10"4 м2-К/Вт. С другой стороны, величина ТКС, возникающего между трубами, определяется в основном качеством обработки сопрягаемых поверхностей труб и особенностями их механической опрессовки. Используемая на российских заводах технология опрессов-ки труб не допускает прямого контроля ТКС и не отличается высокой стабильностью. Поэтому снятые со станка биметаллические трубы нуждаются в экспериментальной проверке ТКС. Такой контроль оказывается важным, так как именно ТКС является основной составляющей в суммарном внутреннем тепловом сопротивлении биметаллической трубы.
Принято считать, что допустимыми являются удельные контактные сопротивления, если их величина не превышает значения Рк = 3,0-10 4м2К/Вт. Исследования В.Б. Кунтыша с сотрудниками [1,2,4,6,12,13,14,15,29], в частности, показали, что обкатка (опрессовка) алюминиевых труб на стальных несущих трубах позволяет снижать удельное термическое контактное сопротивление до значений (1,8...3,7)-1 О 4 м2-К/Вт, а обкатка на латунных несущих трубах - даже до значений 0,70-1 О 4 м2-К/Вт.
При разработке неразрушающего метода контроля теплового сопротивления биметаллических труб с наружным оребрением приходится учитывать не только их габаритные размеры, но и параметры ребер. Промышленные биме -12 таллические трубы обычно имеют длину 4, 6, 8 или 12 м. Диаметр несущей трубы в зоне контакта с оребренной наружной трубой, как правило, составляет 25 или 38 мм. Оребрение увеличивает поверхность теплообмена с окружающей воздушной средой в 10...20 раз. Ребра обычно выдавливаются на специальном станке в виде однозаходной винтовой резьбы с шагом г= 2,50...3,50 мм. Высота ребра изменяется в пределах //-(10,0 ... 15,0) мм. Наружный диаметр ореб-рения достигает значений D = (49,0...70,0) мм. Толщина стенки несущей трубы может изменяться от 2,00 до 6,00 мм. Масса одного погонного метра несущей трубы может изменяться в пределах от 1,13 до 4,74 кг, а у алюминиевого ореб-рения - от 1,08 до 2,12 кг.
Регулярный метод охлаждения трубы проточной водой
Сущность метода. Метод является развитием стационарного метода. Как и в предыдущем методе, через исследуемую трубу пропускается вода с комнатной температурой, а ее рабочий участок на начальном этапе опыта подогревается струей горячего воздуха. С помощью контактного температурного датчика контролируется изменяющийся во времени перепад температуры 9 (т) между основанием ребер / наружной трубы и проточной водой 4 (см. рис. 2.2.1). После достаточного разогрева трубы обдув наружным горячим воздухом резко прекращается. Начинается рабочий этап быстрого охлаждения трубы проточной водой, на котором производится автоматическая регистрация показаний 9(т) температурного датчика. Температура перегрева (т) внутренней трубы в опыте не регистрируется, но ее изменение влияет на интенсивность охлаждения наружной трубы &](т), остается вполне ощутимым и отражается в расчетных формулах метода.
В ней учтено, что внешняя поверхность наружной трубы (поверхность ее ребер) / и торцы рабочего участка трубы на стадии свободного охлаждения остаются практически теплоизолированными от наружной среды. Рабочий участок, следовательно, охлаждается только за счет конвективного теплообмена с проточной водой 4, сохраняющей на протяжении опыта постоянную температуру /вх. Особенности изменения перегрева наружной и внутренней труб на стадии регулярного охлаждения качественно отражены на рис. 2.2.2.
Математическая модель. Учтем, что тепловые сопротивления стенок наружной и внутренней труб обычно остаются в 5... 10 раз меньше ТКС биметаллической трубы. Это обстоятельство позволяет рассмотреть задачу в предположении, что каждая стенка охлаждается, сохраняя внутри себя практически равномерное температурное поле. В итоге математической моделью процесса охлаждения становится система двух дифференциальных уравнений, отражающих тепловой баланс наружной и внутренней труб с изотермической конвективной средой (проточной водой). С учетом использованных в п. 2.1 обозначений имеем где С], Сі - теплоемкости наружной и внутренней труб на рабочем участке, соответственно, Дж/К; Ь\, $2 перегревы наружной и внутренней труб относительно проточной воды, соответственно, К.
В соответствии с особенностями метода нас интересует закон изменения температуры перегрева fy (т) наружной трубы. После исключения из системы уравнений (2.2.1), (2.2.2) переменной &2(т) получаем для искомой переменной &(т) линейное дифференциальное уравнение второго порядка
В регулярной стадии охлаждения биметаллической трубы решением уравнения (2.2.3) является экспоненциальная функция где т - темп регулярного охлаждения рабочего участка трубы. В рассматриваемом методе температура перегрева &](т) наружной трубы определяется экспериментально. Следовательно, на регулярном участке опыта должна иметь место линейная зависимость
Соответствующая графическая или аналитическая обработка полулогарифмической зависимости (2.2.6) позволяет вычислить темп охлаждения т.
Чтобы связать темп охлаждения с коэффициентами (2.2.4), подставим функцию (2.2.5) в дифференциальное уравнение (2.2.3). Уравнение (2.2.3) должно сохраняться при произвольных значениях времени т. Это возможно, если выполняется алгебраическое уравнение
Уравнение (2.2.7) является квадратичным относительно параметра т. Следовательно, ему должны удовлетворять два значения темпа охлаждения. Реальная кривая охлаждения $] (т) содержит в себе обе экспоненты. Однако одна из них быстро затухает. В регулярной стадии опыта остается только та экспонента, у которой темп охлаждения является меньшим. Он и используется при последующей обработке результатов опыта.
Выбор конструкции температурных датчиков
В предыдущей главе было показано, что для неразрушающего контроля ТКС биметаллических труб теоретически пригодны разнообразные тепловые методы, причем в них могут использоваться как стационарные, так и нестационарные температурные режимы опыта. Принято считать, что методы стационарного теплового режима по длительности опыта всегда уступают нестационарным методам. Однако удалось показать, что в интересующем нас случае по своему быстродействию они оказываются вполне конкурентными, но существенно уступают нестационарным методам по другим техническим показателям. В частности, в стационарных методах контроля приходится использовать проточную воду, а также производить количественную оценку мощности теплового источника и показаний температурных датчиков. Большая группа нестационарных методов теплового контроля ТКС лишена этих недостатков. Для их реализации удается ограничиться интенсивным тепловым воздействием на выбранный для контроля локальный участок трубы и зафиксировать его температурный отклик на это воздействие. По этой причине в настоящей работе было отдано предпочтение исследований импульсных нестационарных методов неразрушающего контроля ТКС, чтобы выбрать среди них наиболее перспективный метод контроля, пригодный для внедрения в промышленное производство оребренных биметаллических труб.
У рассмотренных нестационарных методов контроля ТКС обнаруживается много общего. В частности, для реализации каждого из них следует использовать целый рад общих или близких узлов: импульсный источник локального нагрева, один или два малоинерционных локальных датчика температуры и вторичную аппаратуру, которая позволяет регистрировать быстро меняющиеся сигналы температурных датчиков. Ясно, что суммарные показатели того или иного метода будут определяться техническими показателями этих узлов, так как они составят основу разрабатываемого промышленного прибора. Следовательно, при выборе оптимального метода контроля ТКС предстояло найти и экспериментально исследовать приемлемые источники нагрева и датчики температурного контроля биметаллической трубы, а также подобрать необходимую вторичную аппаратуру для регистрации сигналов температурных датчиков.
Интенсивный радиальный импульсный нагрев локального участка биметаллической трубы используется во всех нестационарных методах контроля ТКС. Благодаря поверхностному радиальному нагреву между наружной и внутренней трубами рабочего участка создается значительный скачок температуры. Для нагрева в принципе пригодны любые по природе радиальные источники, как внутренние, так и наружные. Важно лишь, чтобы они обеспечивали возникновение одномерного осесимметричного радиального температурного поля в трубе, а длительность их воздействия легко ограничивалась несколькими секундами. Чтобы выбрать наиболее удобный способ нагрева, пришлось провести специальные исследования. Исследовались разнообразные способы импульсного нагрева. Оказалось, что ни один из известных тепловых источников сам по себе не обладает такой малой тепловой инерционностью, которая необходима для локального импульсного нагрева биметаллической трубы. Проблему удалось решить только с помощью движущихся стационарно работающих тепловых источников.
При внутреннем разогреве удовлетворительные результаты дали два нагревательных устройства, выполненные в виде металлического стержня с вмонтированным в него стационарно действующим проволочным нагревателем. Такой стержень работает в челночном режиме, вдвигаясь в исследуемую зону трубы на несколько секунд. Тепловую инерционность стержня-челнока при измерениях удается связать со скоростью его перемещения внутри трубы.
Кратковременный радиальный разогрев рабочего участка трубы снаружи удалось реализовать с помощью стандартных воздушных тепловентиляторов и фенов. Приемлемую кратковременность нагрева при этом удалось обеспечивать с помощью заслонки или быстрым изменением направления горячей воздушной струи.
Выбранные источники нагрева оказались способными обеспечить необходимую интенсивность разогрева рабочего участка трубы, не нуждаясь в форсированном режиме электропитания. Более конкретные сведения об использованных источниках импульсного разогрева приведены в п. 3.2.
При выборе датчиков, обеспечивающих регистрацию кратковременного всплеска температуры на рабочем участке трубы, особого внимания заслуживают, конечно, термопары и термометры сопротивления. Термопары привлекают внимание своей особой простотой реализации и очень малой внутренней тепловой инерционностью. Их пригодность для использования в рассматриваемых методах целиком зависит от внешних факторов, т. е. от способа крепления к рабочему участку трубы и чувствительности вторичного устройства, регистрирующего слабый электрический сигнал термопары. Термометры сопротивления, как металлические, так и полупроводниковые (термисторы, диоды и транзисторы), также обладают очень малой внутренней тепловой инерционностью. К тому же они значительно чувствительнее термопар. К сожалению, при использовании термометров сопротивления возникает проблема выбора конструкции датчика, обеспечивающей ему механическую прочность и малую тепловую инерционность. Созданию удачной конструкции обоих типов температурных датчиков пришлось уделить значительное внимание. Результаты этих исследований изложены в п. 3.3.
Методика контроля ТКС биметаллических труб
Контроллер ТРС 3.0 предназначен для съема показаний с датчиков измерения температуры по 4 каналам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с разрешающей способностью до 16 двоичных разрядов и настраиваемым периодом измерения. Результаты измерений сохраняются в текстовом файле на персональном компьютере для последующей обработки. Так же контроллер обеспечивает управление 2-мя реле.
Общие технические характеристики контроллера, параметры каналов АЦП и управления реле представлены в таблицах 4.1, 4.2 и 4.3, соответственно.
Навесить прибор кронштейнами на исследуемую трубу, и поддерживая его одной рукой, плотно установить термодатчик в паз между соседними ребрами, как это показано на рис. 4.3.1. Причем положение термопары должно быть строго фиксировано по отношению к направлению воздушного потока и соблюдаться от опыта к опыту. Это обусловлено тем, что величина угла " атаки" существенно влияет на эффективный коэффициент теплоотдачи 0СН эф.
Включить питание контроллера (рис. 4.2.2). При включении контроллера загорается зеленый индикатор "Питание" и на экране отображается главное меню (рис. 4.3.2). Эксперимент Установки
Выбор режима работы осуществляется кратким нажатием на соответствующую позицию. Удобно нажимать на дисплей с помощью обратного конца пишущей ручки или карандаша.
В режиме работы "Эксперимент" производится измерение ТКС биметаллической трубы.
В режиме работы "Установки" задаются параметры рабочих и градуиро-вочных опытов, также имеется возможность просмотра и изменения значений градуировочных констант термодатчика и системных настроек контроллера.
6. Выбрать режим работы "Установки". Задать интервал между измерениями Ах и общее число измерений N и запускает процедуру опыта. После чего управление опытом полностью передается контроллеру. Контроллер включает вентилятор и начинает регистрацию показаний термопары, рис. 6.3.1.
Через определенный интервал времени по команде из контроллера в момент времени тот автоматически отключается нагреватель. После этого в памяти ПЭВМ имеется массив экспериментальных данных, содержащий в себе информацию об изменении температуры /](х) оребренной трубы с течением времени. С помощью специального программного обеспечения производиться сглаживание массива данных и дальнейшая его обработка. График зависимости температуры і(т) (кривая 1) представлен нарис. 6.3.1.
Количество производимых измерений Взаимодействие персонального компьютера с контроллером осуществляется с помощью специально разработанного инструментального программного обеспечение, работающего в среде Microsoft Windows 9x/NТ/2000. После запуска программного обеспечения на экране монитора появляется диалоговое окно "LMT ТРС 3.0", представленное на рис. 4.4.1.
Перед началом проведения опыта необходимо настроить параметры подключения контроллера к ПЭВМ по интерфейсу RS232 для этого следует нажать кнопку "Подключение". И в окне "LMT ТРС 3.0 [Подключение]" (рис 4.4.2) задать: последовательный порт, через который осуществляется подключение к контроллеру ТРС 3.0; коэффициент усиления входного сигнала; период считывания показаний с датчиков температуры в миллисекундах (130...2550) с шагом 10 мс. Для увеличения скорости работы можно отключить каналы 1 и 3, что обеспечит диапазон периода измерения 70...2550 мс.
После этого необходимо выбрать количество производимых измерений и файл, в который будут сохраняться результаты (рис. 4.4.1). Можно выбрать, будут ли данные добавляться в конец файла или перезаписываться сначала. Незаполненное поле "Количество производимых измерений" означает, что измерения проводятся бесконечно, вплоть до принудительной остановки кнопкой "Стоп". Запуск измерений и съем показаний инициируется кнопкой "Пуск". В окне текущие измерения отображается номер измерения начиная с запуска последнего цикла измерений и данные текущих измерений по каналам АЦП1, АЦП2, АЦПЗ и АЦП4. При отключенных каналах 1 и 3 в колонках АЦП1 и АЦПЗ выводятся нули. Управление реле осуществляется установкой крестика напротив надписей "Реле 1" или "Реле 2", или при помощи нажатия комбинации клавиш "ALT + 1" и "ALT + 2".
1. Существующая измерительная техника не удовлетворяет требованиям экспрессного заводского контроля ТКС биметаллических теплообменных труб на этапе их изготовления. Установлено, что наиболее полно удовлетворить этим требованиям могут тепловые методы, в которых используются закономерности локального нестационарного разогрева труб.
2. Разработаны и теоретически обоснованы три группы нестационарных методов контроля ТКС биметаллических труб: методы линейного квазистационарного разогрева, релаксационные методы и методы начальной стадии импульсного теплового воздействия.
3. Проведено комплексное лабораторное исследование всех трех групп нестационарных методов контроля ТКС. Созданы три варианта устройств импульсного нагрева и два варианта температурных датчиков, обладающих уникально малой инерционностью ( 0,4 с).
4. Выполнен комплексный теоретический анализ нестационарного температурного поля системы "внутренняя труба - контакт - наружная труба - ребра", позволивший выявить структуру систематических поправок на неоднородность температуры в трубах и ребрах.
5. Создан опытный образец автоматизированного переносного прибора, обеспечивающего экспрессный неразрушающий контроль ТКС промышленных биметаллических оребренных труб на этапе их изготовления.
