книги из ГПНТБ / Азимов, Р. К. Теплообменные измерительные преобразователи

Описаны конструкции и измерительные схемы расходомеров, значительная часть которых является оригинальной работой авторов.

Книга рассчитана на преподавателей и студентов вузов, а также научных работников.

ПАТХУЛЛА РАХМАТОВИЧ ИСМАТУЛЛАЕВ,

ПЕТР АРХИПОВИЧ КОРОТКОВ

А 4

Теплообменные измерительные преобразователи

Утверждено Ученым советом Ташкентского политехнического института им. Абу Райхана Беруни

(С ) Издательство «Фан» УзССР, 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

Возрастающие требования к надежности, качеству и экономи­ ческой эффективности устройств контрольно-измерительной техники и автоматики обусловливают появление новых разработок и широкий фронт поисковых исследований в этой области.

В последние годы значительное внимание уделяется разработке теплообменных измерительных преобразователей, которые являются,

ных устройств является преобразователь информации с нагревателем, термочувствительными элементами и теплопроводом. Теплообменный преобразователь информации связывает! выходную величину с из­

величинами основывается на зависимости процесса теплообмена между

A.Rothwell.

Несмотря на достигнутые успехи в разработке теплообменных пре­

образователей, проектирование и расчет устройств на его базе представляет значительные трудности и в ряде случаев осуществля­ ется весьма приближенно, не эффективно, без учета конструктивных

итехнологических особенностей преобразователей.

Вданной книге даются основы обшей теории теплового метода при стационарных и нестационарных режимах. Рассматриваются конст­ рукции, принципы действия и анализ различных устройств на основе теплообменных преобразователей для измерения расходов газов, жидкостей, жидких металлов, влажности и других величин.

Вработе проанализирован и обобщен материал по разработке, тео­ ретическому и экспериментальному исследованию и внедрению в про­ изводство различных конструкций теплообменных преобразователей, проведенных на кафедрах АХП Ленинградского технологического института им. Ленсовета и на кафедре ИИТ Ташкентского политехни­ ческого института.

3

Г л а в а I

ОБЩИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ

§ 1. Теплообмен при стационарном тепловом методе измерения

Стационарный тепловой метод измерения основан на использо­ вании процесса стационарного теплообмена, который возникает в зоне измерения между измерительным преобразователем и контролиру­ емой средой.

Вобщем случае это сложный процесс переноса тепловой энергии, который осуществляется одновременно теплопроводностью, конвек­ цией и лучеиспусканием. Для измерений интерес представляют все три вида теплопередачи. При этом в каждом случае учитывается роль

идоля каждого вида в суммарном процессе теплопередачи.

Водном случае, например, тепло, передаваемое теплопроводностью, является доминирующей величиной по отношению к теплу, пере­ даваемому за счет конвекции. В иных случаях картина может быть обратной.

Вобщем случае в линейной системе процесс теплообмена обычно записывается на основе закона Ньютона в виде [46]

При использовании формулы (1) имеют в виду, что она не отражает действительной зависимости теплового потока от температуры, физи­ ческих свойств и размеров тела и среды, а является некоторым формальным приемом, при помощи которого все трудности расчета теплообмена переносятся на определение величины коэффициента ос, который в меньшей степени зависит от F и Дt, чем Q.

где а*, ос* ч осл.— соответственно коэффициенты теплообмена путем теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

4

Передача тепла теплопроводностью имеет место при наличии в те­ ле температурного градиента, который является физическим факто­ ром, целиком определяющим условия возникновения теплового по­ тока.

Связь между количеством тепла Q, переданного через поверхность F за время т, и температурным градиентом dt/dl положена в основу закона Фурье, математическое выражение которого с учетом направ­ ления градиента (в сторону более высокой температуры) имеет вид

[46, 48]

(3)

Коэффициент пропорциональности X характеризует способность тела передавать тепловую энергию и называется коэффициентом теп­ лопроводности (дж/м • град • сек).

При тепловых измерениях нужно знать конечные величины раз­ ностей температур, расстояния вдоль нормали к изотермической поверхности и отрезков времени. Поэтому для полного количества тепла, переданного через плоскую стенку за время т справедливо выра­ жение

Здесь I — толщина стенки— расстояние между сечениями тела, в ко­ торых измеряются температуры ^ и fa, м\

F — площадь стенки, через которую проходит поток тепла, м2; z — время, за которое измеряется поток тепла, сек.

Величина

называется удельным тепловым потоком или плотностью теплового потока. Отношение Х/1 по аналогии с формулой (1) можно назвать ко­ эффициентом теплообмена ат путем теплопроводности.

При тепловом контакте твердого тела с потоком жидкости или газа, когда имеется перепад температур между телом и средой, происходит процесс теплообмена, называемый конвективным теплообменом. При этом виде теплообмена тепловая энергия переносится посредством перемещения материальных частиц среды. Кроме того, конвекция может сопровождаться теплопроводностью.

Рассмотрим общность и различие указанных процессов на приме­ рах теплопроводности через трехслойную стенку (рис. 1, а) и теплопе­ редачи через плоскую стенку, омываемую потоками с обеих сторон (рис. 1, б). Для каждого слоя (рис. 1, а) можно написать уравнение для разности температур, воспользовавшись формулой (5).

В результате будем иметь:

(6)

В скобках содержится сумма термических сопротивлений отдельных слоев.

При конвективном обмене стенка разделяет две среды А а В (рис. 1, б). В этом случае мы не знаем температур на поверхностях стенки.

ные слои, образующиеся у стенки при течении жидкостей. Понятие «толщина пограничного слоя» довольно условно, так как резкого пе­ рехода от пограничного слоя к течению вне слоя нет. Различают гид­ родинамический и тепловой пограничные слои.

Рис. 1. Схемы теплопередачи:

а — через многослойную плоскую стенку; 6 — через плос­ кую стенку, омываемую потоками с обеих сторон.

Под толщиной гидродинамического слоя понимают такое расстоя­ ние от стенки, на которое скорость отличается от скорости невозму­ щенного потока вдали отдела на определенную величину.

Тепловой пограничный слой — это слой жидкости v стенки, в пре­ делах которого температура изменяется от значения, равного темпера­

Толщина пограничного слоя зависит от многих факторов и в част­ ности от физико-геометрических свойств среды и скорости ее течения.

В линейном приближении перенос тепла через пограничный слой по аналогии с (4) можно представить для поверхности А следующим

6

Результаты экспериментальных исследований конвективного теп- >л»обмена для жидкостей и газов обычно представляются в виде

где коэффициенты С, Сг, С2 и показатели степеней а, Ь, с, е находят­ ся путем обработки данных результатов экспериментов 146, 49]

Критерий Нуссельта Nu является неопределяющим, так как он зависит от других критериев — определяющих, значения которых составляются из величин, характеризующих условия опыта (опреде­ ляющая температура, при которой берутся значения теплофизичес­ ких констант, линейные размеры):

определяет теплообмен при вынужденной конвекции. Чем больше Re,

характеризует теплообмен при свободной конвекции. В уравнениях для вынужденной конвекции он отсутствует.

8

является мерой отношения молекулярного и конвективного переносов тепла в потоке. В формулах для жидких металлов в отличие от фор­ мул для газов и жидкостей присутствует параметр а, а не v. Это объяс­ няется преимущественным влиянием на процесс теплообмена темпе­

характеризует связь между скоростью изменения температурного поля, физическими свойствами и размерами тела.

и средой, является мерой отношения внутреннего и внешнего терми­ ческих сопротивлений. Внешне критерий Bi похож на критерий Нуссельта. Однако между ними имеется существенное различие. В кри­ терии Bi коэффициент теплоотдачи представляет собой суммарную величину, учитывающую влияние всех видов теплообмена, а коэффи­ циент теплопроводности А, относится к материалу твердого тела. В кри­ терий Nu входят коэффициент теплоотдачи конвекций и коэффициент А окружающей среды. Критерий Nu является функцией других, оп­ ределяющих критериев Re, Pr, Gr и т. д.

Критерий Bi сам является определяющим, так как он применя­ ется при расчетах теплообмена, когда условия взаимодействия тела со средой задаются в виде коэффициента теплообмена а , а исследуются процессы распространения тепла в теле.

шая теплопроводность, что позволяет определить состояние тела по значению температуры. Условие Bi 1 соответствует большой отно­ сительной интенсивности теплообмена со средой. В этом случае темпе­ ратура поверхности тела становится практически равной температу­ ре среды, и весь процесс обусловлен теплопроводностью.

Наибольшие трудности для исследования нестационарных про­ цессов теплообмена тел сложной формы со средой представляет собой случай, когда Bi ^ 1. «у

Величина I в критериях Био и Фурье представляет собой характер­ ный размер системы и определяется как отношение объема тела к пло­ щади его поверхности. Таким образом, для простейших геометриче­ ских форм величину I легко получить.

9»