07 | 12 | 2016
Учебные материалы
Для преподавателей
Работы студентов
Справочная и техническая литература
Статьи по темам

Измерение тепловых потоков на поверхности лотка инфракрасной сушильной камеры

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (1 Голос)

Измерение тепловых потоков на поверхности лотка инфракрасной сушильной камеры.

Выполнены измерения теплового потока на поверхности лотка инфракрасной сушильной камеры. Результаты натурного эксперимента согласуются с результатами расчетного исследования теплового состояния сушильной камеры.

Виконані виміри теплового потоку на поверхні лотка інфрачервоної сушильної камери. Результати натурного експерименту узгоджуються з результатами розрахункового дослідження теплового стану сушильної камери.

Measurements of a thermal stream on a surface of a tray of the infra-red drying chamber are executed. Results of natural experiment will be coordinated to results of settlement research of a thermal condition of the drying chamber.

q – тепловой поток, воспринимаемый преобразователем теплового потока, Вт/м2 ;

Т – температура излучателя, ºС;

Тп – температура поверхности, принимающей излучение, ºС;

t – температура в корпусе преобразователя теплового потока, ºС;

tk – температура воздуха в камере, ºС;

tw – температура охлаждающей жидкости, ºС;

α – коэффициент теплообмена, Вт/м2∙К;

Δt – разность температур воздуха и поверхности приемника теплового потока, ºС;

Dqmaxмаксимальная нормированная разность тепловых потоков, %;

ε – эффективная степень черноты системы излучатель-приемник;

σ =5,68·10-8 Вт/(м2·К4) – постоянная Стефана-Больцмана;

sq2 – дисперсия значения теплового потока в поперечном сечении камеры, Вт2/м4;

φ – коэффициент взаимного расположения и размеров излучателя и приемника;

ИК – инфракрасный;

ПТП – преобразователь теплового потока.

Индексы нижние:

1-2 – порядковый номер ПТП на боковых стенках теплообменника;

3 – порядковый номер ПТП на верхней стенке теплообменника;

k – конвективно-кондуктивная составляющая теплового потока;

max – наибольшее значение измеряемой величины;

mean – среднее значение измеряемой величины;

min – наименьшее значение измеряемой величины;

s – лучистая составляющая теплового потока.

Компьютерное моделирование теплового состояния рабочего пространства ИК сушильной камеры [1] показало, что использование отражателей ИК излучения позволяет равномерно распределить тепловой поток по поверхности нагрева (в данном случае по поверхности сетчатого лотка сушильной камеры) при размещении источников ИК излучения за пределами рабочего пространства сушильной камеры. Такие отражатели ИК излучения мы назвали «изотермическими».

С целью экспериментального установления поля теплового потока на поверхности лотка при использовании «изотермических» отражателей выполнены измерения теплового потока в межлоточном пространстве ИК сушильной камеры. В результате эксперимента определены конвективно-кондуктивная и лучистая составляющие теплового потока в рабочем пространстве ИК сушильной камеры, построено поле лучистого теплового потока на поверхности лотка ИК сушильной камеры.

Эксперимент выполнен на лабораторной ИК сушильной установке, представляющей собой камеру объемом 2,5м3 (см. рис.1). Каркас камеры выполнен из П-образного металлического профиля, профиль обшит стальными оцинкованными листами. Изнутри стенки камеры теплоизолированы пенофолом на алюминиевой фольге. Ширина рабочего пространства камеры составляет 950мм, глубина – 850мм, высота – 2000мм. В рабочем пространстве на расстоянии 200мм друг от друга по высоте установлены сетчатые лотки. Источники излучения - ИК излучатели с «изотермическими» отражателями (рис.2). Каждый излучатель состоит из корпуса 1, трех линейных газонаполненных ламп накаливания J-78-100 2, держателей ламп 3, двух продольных 4 и боковых отражателей 5. Мощность лампы составляет 100Вт, температура вольфрамовой спирали – 2700 К (по данным производителя) [2]. Продольные и боковые отражатели выполнены из алюминиевой фольги толщиной 0,5мм и 1мм соответственно.

В качестве средства измерения использована система измерения температуры и теплового потока, содержащая 3 преобразователя теплового потока [4] (см. рис.3); 2 термопары типа К (хромель-алюмель); универсальный цифровой мультиметр DT9208A; измеритель температуры ИТ-8ТП [3]; персональный компьютер.

Система охлаждения ПТП состоит из алюминиевого теплообменника-холодильника, циркуляционного насоса и накопительной емкости объемом 100 л. Теплообменник - полый параллелепипед квадратного сечения с размерами 40х40х80 мм, внутри которого установлен дефлектор, обеспечивающий равномерное охлаждение стенок теплообменника. ПТП приклеиваются на грани теплообменника прозрачной клейкой лентой.

Схема лабораторной сушильной камеры

Схема ИК излучателя

Рис.2. Схема ИК излучателя.

1 – корпус, 2 – лампа ИК, 3 – держатель лампы, 4 –отражатель продольный, 5 – отражатель боковой.

Рис.1. Схема лабораторной сушильной камеры.

 

Преобразователь теплового потока

Рис.3. Преобразователь теплового потока.

1 – теплообменник; 2 – измерительные ПТП; 3 –трубки подвода-отвода охлаждающей воды.

Циркуляцию воды в системе обеспечивает центробежный насос производительностью 3 л/мин, имеющий собственную емкость объемом 4,5л. Вода самотеком из накопительной емкости поступает в теплообменник, из теплообменника выкачивается насосом и нагнетается в емкость. Значительная площадь испарения (0,12 м2) и объем воды (100 л) обеспечивают постоянство температуры воды в емкости в течение эксперимента.

Теплообменник с ПТП устанавливается в камере на направляющей рейке, конструкция которой позволяет выполнять измерения в 19-ти положениях по ширине, и в 9-ти по глубине камеры. При этом ПТП, установленный на верхней грани теплообменника, находится на уровне рабочей поверхности лотка (рис.4).

В эксперименте измерению подлежат тепловой поток, падающий на грани теплообменника, температура ПТП, температура воздуха в камере, температура воды на выходе из теплообменника. Температура ПТП измеряется термопарой, встроенной в его корпус при изготовлении, температура воды после теплообменника - в емкости циркуляционного насоса. Измерения выполнялись с интервалом 10с в течение 5 минут в каждом положении ПТП. Значение теплового потока вычислялось как среднее из 20 зарегистрированных значений в каждом положении.

При измерении теплового потока ПТП находится в состоянии сложного конвективно-кондуктивно-лучистого теплообмена. Для измерения ПТП только лучистой составляющей теплового потока, поступающей от излучателей, необходимо на лицевой стенке (обращенной к источнику излучения) ПТП поддерживать температуру, равную температуре воздуха в камере. Осуществить такое требование в условиях эксперимента практически не удается. Для выделения из общего теплового потока, поступающего в стенку ПТП лучистой составляющей, осуществлена попытка максимально уменьшить значение конвективно-кондуктивной составляющей и учесть ее вклад в общий тепловой поток, определив в эксперименте коэффициент теплообмена на поверхности ПТП. Для уменьшения конвективно-кондуктивной составляющей теплового потока в эксперименте температура воды в накопительной емкости уравнивалась с температурой помещения, а в ходе эксперимента дверь в камеру держали открытой для улучшения условий воздухообмена между объемом камеры и помещения.

Измеренный приемником тепловой поток q включает в себя две составляющие – лучистую qs и конвективно-кондуктивную qk:

(1)

Для условий эксперимента при фиксированном положении приемника теплового потока величины ε, Т, φ, α постоянны. Изменяться могут Тп и Δt при изменении температуры воздуха или температуры охлаждающей жидкости. Изменение Тп в ожидаемых пределах от 20 до 30 ºС при температуре излучателя Т=2700 К приведет к изменению лучистого теплового потока не более чем на 1,5·10-3 %. Изменение Δt от 1 до 10 ºС увеличит конвективно-кондуктивный тепловой поток на порядок. То есть, изменения температуры воздуха и воды в ходе эксперимента приведут к изменению только конвективно-кондуктивной составляющей измеряемого теплового потока.

Схема расположения ПТП в рабочем пространстве камеры при измерении тепловых потоков

Рис.4. Схема расположения ПТП в рабочем пространстве камеры при измерении тепловых потоков.

1 – лампа ИК; 2 – отражатель; 3 – теплообменник с ПТП; 4 – уровень поверхности лотка; - ряды измерений, - положения ПТП в рядах

Определение коэффициента теплообмена α возможно при измерении зависимости q от Δt, так как, исходя из формулы (1):

(2)

Изменять Δt позволит изменение температуры воды в системе охлаждения. Для этого в эксперименте следует из системы охлаждения исключить накопительную емкость, оставив теплообменник-холодильник и циркуляционный насос.

Для определения коэффициента теплообмена α выполнено измерение теплового потока в течение 180 минут в 6-м положении 5-го ряда (см. рис.4). Определяли α как тангенс угла наклона зависимостей теплового потока от температуры ПТП. Линеаризация этих зависимостей по методу наименьших квадратов позволяет определить значения α для q1, q2 и q3 соответственно: α1=8,36±0,18 Вт/(м2·К); α2=8,26±0,10 Вт/(м2·К); α3=6,30±0,10 Вт/(м2·К) при доверительной вероятности 95%. Величины α1 и α2 определяют теплообмен на вертикальной стенке и могут быть усреднены значением α=8,31±0,24 Вт/(м2·К).

Принимая, что измеритель температуры ПТП расположен в среднем сечении преобразователя, а теплопроводность материала преобразователя – постоянная величина в диапазоне температур, наблюдаемых в эксперименте, температуру tп поверхности ПТП определяем по формуле:

tп=2·t-tw. (3)

Конвективно-кондуктивную составляющую теплового потока qk вычисляем по формуле:

qk=a·(tk - tп). (4)

Лучистую составляющую теплового потока qs определяем как разность измеренной ПТП величины q и рассчитанной по (4) величины qk:

qs= q - qk . (5)

Полученные значения qs для всех ПТП постоянны в течение эксперимента и составляют: q1s=614±21,6 Вт/м2, q2s=368±12,4 Вт/м2, q3s=333±11,9 Вт/м2.

Для построения поля лучистого теплового потока, падающего на поверхность лотка ИК камеры, измерения выполнялись одним проходом ПТП (положения 1-19) в каждом ряду. Результаты измерений представлены на рис.5 и в таблице 1.

Поле потока излучения на поверхности лотка ИК сушильной камеры

Рис.5. Поле потока излучения на поверхности лотка ИК сушильной камеры.

Количественными критериями оценки неравномерности теплового потока на поверхности лотка в каждом положении ПТП приняты: дисперсия значения теплового потока sq2; и максимальная нормированная разность тепловых потоков Dqmax:

.

Для подтверждения воспроизводимости результатов измерения в 5-м ряду выполнили двумя проходами – теплообменник поворачивали на 180º вокруг вертикальной оси и выполняли измерения в порядке положений 19-1. Рассогласование измеренных значений теплового потока при прямом и обратном проходе не превышает 14,5% (см. таблицу 2).

Табл. 1. Значения Dqmax и sq2 для всех рядов (поперечных сечений) камеры

Ряд

qmean, Вт/м2

sq2, (Вт/м2)2

Dqmax, %

8

262,5

401,5

29,22

7

276,9

507,3

33,55

6

249,9

999,5

43,17

5

275

613,7

34,8

4

237,8

840,4

45,33

3

269,7

756,6

42,01

2

234

861,9

50,01

1

219,5

482,8

39,91

среднее

253,2

683

39,75

Табл. 2. Значения теплового потока при прямом и обратном проходе.

грань теплообменника

лучистый тепловой поток, Вт/м2

среднее при прямом ходе

среднее при обратном ходе

максимальное рассогласование

Вт/м2

%

верхняя

269,7

270,6

11

4

левая

473,2

442,7

67,9

14,3

правая

397,2

365,4

53,9

13,6

Для расчетного определения тепловых потоков в межлоточном пространстве использована конечно-элементная модель сложного теплообмена. Исходными данными для расчета являются геометрия межлоточного пространства, тепловая мощность источника излучения, а также оптические параметры отражающих и поглощающих поверхностей. Удельная тепловая мощность цилиндрического источника излучения (диаметр цилиндра – 10мм, длина – 1000мм) принята равной 10000Вт/м2, что составляет 314Вт для излучателя с тремя лампами мощностью 100Вт каждая. Поверхность лотка принята абсолютно черной, поверхность отражателя – зеркально отражающей.

На рис.6 приведены расчетное (точки) и экспериментальное (линии) поля падающего лучистого теплового потока на поверхность лотка. Расчетные значения неравномерности теплового потока на поверхности лотка Dqmax и sq2 приведены в таблице 3. Здесь же для сравнения приведены средние экспериментальные значения из табл.1.

Причинами наблюдаемого расхождения между экспериментом и расчетом следует назвать такие:

- в эксперименте источник излучения представлен тремя лампами, распределенными по длине излучателя, вследствие чего наблюдаются повышенные значения теплового потока во 2, 4 и 6 рядах;

- экспериментальные отражатели не в полной мере воспроизводили требуемую геометрию и качество поверхности (имелись дефекты в виде пятен травления).

Расчетное и экспериментальное поля падающего лучистого теплового потока на поверхность лотк

Рис.6. Расчетное и экспериментальное поля падающего лучистого теплового потока на поверхность лотка.

I – ряд на поверхности лотка; J – положение в ряду.

Табл. 3. Сравнение результатов расчетного и натурного эксперимента

 

qmean, Вт/м2

sq2, (Вт/м2)2

Dqmax, %

расчет

290,1

44,08

7,45

эксперимент

253,2

683

39,75

Выводы.

В эксперименте конвективную составляющую теплового потока, регистрируемого ПТП, необходимо учитывать как систематическую погрешность определения лучистого теплового потока по формуле (5). Для вычисления значения конвективной составляющей по формуле (4) следует пользоваться численными значениями коэффициента теплообмена α=8,31±0,24 Вт/(м2·К) для вертикально размещенного ПТП и α3=6,30±0,10 Вт/(м2·К) для горизонтально размещенного ПТП. Возможность использования полученных в эксперименте значений коэффициентов теплообмена обусловлена воспроизводимостью условий эксперимента при измерении тепловых потоков в сечениях ИК камеры как пространственной, так и временной при характерной продолжительности эксперимента – 150-200 минут.

Экспериментально измеренные значения падающего на поверхность лотка ИК сушильной камеры лучистого теплового потока хорошо согласуются с расчетными значениями для используемых «изотермических» профилей и демонстрируют достаточно высокий уровень равномерности теплового облучения по площади лотка. Повысить степень равномерности падающего теплового потока излучения позволит более точное изготовление отражающих поверхностей из материала с одинаковой отражающей способностью.

Литература.

1. А. Завалий, И. Янович. Система инфракрасного изотермического нагрева поверхности // Motrol. Motorization and power in agriculture. – Volume 11B. – Simferopol-Lublin 2009. S. 172-178.

2. Галогеновые кварцевые инфракрасные излучатели, нагреватели, трубки [Электронный ресурс]./ООО "RxM plus" (РхМ плюс).– Режим доступа: http://www. mirnagreva. ru/quartz_hal. html#qartz2_1 – Загл. с экрана.

3. Специализированные промышленные контроллеры [Электронный ресурс]./ АОЗТ «ТЕРА».– Режим доступа: http://www. ao-tera. com. ua/product_list/ru/t_controller/0/251.html – Загл. с экрана.

4. Геращенко О. А., Федоров В. Г. Тепловые и температурные измерения. – К.: Наукова думка, 1965. – 304 с.

Завалий А. А.*, Янович И. В.*, Декуша Л. В.**


Измерение тепловых потоков на поверхности лотка инфракрасной сушильной камеры - 4.0 out of 5 based on 1 vote

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить