Совершенствование характеристик тепловых датчиков расхода паро-газовых сред в технологических процессах пищевых производств

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

681. 586'33:664
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВЫХ ДАТЧИКОВ РАСХОДА ПАРО-ГАЗОВЫХ СРЕД В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
В.Г. МИНЕНКО, Р.В. ТЕРЮХА
Кубанский государственный технологический университет,
350 072, г. Краснодар, ул. Московская, 2- тел.: (861) 255−85−32, электронная почта: k-fizika@kubstu. ru
Исследован процесс теплообмена паро-газовой смеси с металлополимерным чувствительным элементом теплового первичного преобразователя расхода с узким газовым каналом. Полученные результаты связывают характеристики преобразователя расхода с его конструктивными параметрами, что позволяет при помощи конструктивных решений добиться необходимых оптимальных характеристик преобразователя. Результаты теоретических исследований хорошо согласуются с экспериментальными данными в рабочем диапазоне расхода газа.
Ключевые слова: датчики расхода газа, первичные преобразователи, паро-газовые среды, теплообмен.
Характеристики существующих первичных преобразователей расхода (ППР) газа в оборудовании предприятий пищевой промышленности не удовлетворяют возросшим требованиям по инерционности, точности измерений, коррозионной стойкости и технологичности изготовления чувствительного элемента.
Для улучшения характеристик первичных преобразователей нами предложена конструкция датчика расхода газа с металлополимерным чувствительным элементом (МПЧЭ).
МПЧЭ является планарным терморезистором, сформированным методом фотолитографии из термочувствительной никелевой фольги одновременно с выводами и герметизированным с двух сторон тонкой диэлектрической пленкой. Общая толщина конструкции 10−4-10−5 м, что позволяет достичь малой инерционности, не более 0,4 с. Толщину и тип герметизирующих полимерных пленок подбирали таким образом, чтобы обеспечить необходимую коррозионную стойкость. Например, применение двухслойной герметизации, состоящей из полиимидной и фторопластовой пленок, обеспечивает химическую стойкость конструкции МПЧЭ в большинстве агрессивных сред и термостойкость в диапазоне температур -250 … +250°С. Высокая точность измерений достигается благодаря стабильности и идентичности характеристик (не ниже 0,01%) металлофольгового терморезистора.
В настоящее время нет законченной теории тепловых преобразователей расхода, так как не учитывается наличие конечного теплового сопротивления корпуса [1], что в ряде случаев приводит к несовместимости экспериментальных и расчетных характеристик [2].
Допустим, что охлаждаемая пластина МПЧЭ помещена в газовый канал прямоугольного сечения, боковые стенки которого бесконечно удалены (рисунок).
Анализ работы МПЧЭ в газовом канале (рисунок) строится на основе теории конвективного теплообмена [3, 4], предполагающей, что теплоотдача от нагретой пластины сосредоточена в пределах теплового пограничного слоя толщиной 5Х, и уравнения Ньютона-Рих-мана:
Q = aFAT,
(1)
где Q — тепловая мощность, рассеиваемая пластиной в среду- а — коэффициент теплоотдачи- Г — площадь пластины- АТ — перепад температур между пластиной и средой.
Коэффициент теплоотдачи, а связан с параметрами газового потока соотношением
а г
Зк_ 25 г
(2)
где ё — коэффициент теплопроводности газа.
В узких газовых каналах расстояние h между пластиной и стенками конструкции ППР меньше расчетной толщины теплового пограничного слоя в свободном газовом потоке, т. е. в этом случае 8Х = h = const и, а вдоль пластины не меняется:
а
ЗХ
— = const. 2h
(З)
Отсюда можно сделать вывод, что теплообмен в этом случае существенно отличается от теплообмена в свободном газовом потоке.
В этом варианте влияние конструктивного оформления — материалов корпуса и геометрии газового канала — на теплообмен нагретой пластины чувствительного элемента со средой может быть значительным и должно быть учтено.
В данном случае теплоотвод от пластины осуществляется двумя путями:
за счет теплопроводности газа и корпуса в окружающую среду — поток тепла Qё-
за счет теплоемкости уносится газовым потоком
Яо. = О. Ср А Т,
(4)
где Яо — тепловая мощность, отводимая от пластины газовым потоком- Ср — удельная теплоемкость газа- АТ — разность температур газа на входе детектора и на его выходе- О. — массовый расход газа.
Для измерения расхода газа необходимо обеспечить калориметрический ражим теплообмена, при котором
бОт & gt->- бх •
Нахождение уравнения, описывающего работу ППР в газовом канале, осуществим в два этапа. На первом этапе, считая температуру МПЧЭ по всей его поверхности постоянной, найдем зависимость теплового потока, уносимого газом от х- в дальнейшем, используя эту зависимость, найдем распределение температуры и сопротивления терморезисторов вдоль чувствительного элемента.
При наличии потока газа через первичный преобразователь часть тепла от МПЧЭ идет на нагрев газа. При этом газ наиболее интенсивно нагревается на начальном участке пластины МПЧЭ из-за наличия большого градиента температур между ним и нагретой пластиной.
Выразим нагрев газа АТ на расстоянии X от начала пластины через начальную разность температур между ним и пластиной АТ0 и эту же разность АТ1 на расстоянии X от ее начала:
АТ = АТ0 — АТ1.
(5)
Разность температур АТ1 при нагреве газа, как и любого другого тела, подчиняется экспоненциальному закону
АТ1 = АТ0е Т, (6)
где г — время нагрева- Т — постоянная времени нагрева газа.
Т = СтЯт, (7)
где Ст = Срш — теплоемкость газа- -т = 1/аГ — тепловое сопротивление теплоотдаче от пластины в газ.
Для рассматриваемых газовых каналов выполняется (3).
Найдем Т, подставив Сти ЯТв (7):
2к 2С" к
Т = Ср Ш- = ^^~ р 3ХЫ1 3Х
(8)
АТ1 (х) = АТ0е1
(9)
Подставив (9) в (4), получим зависимость теплового потока, уносимого газом, от х:
бо, = СрО. АТ0(1-еуТ).
(10)
Для решения второй части задачи используем полученную зависимость для нахождений перегрева пластины МПЧЭ относительно среды.
С площади МПЧЭ dF = Ъйх выделяется тепловая мощность dQ:
йб = 60 йР = 60 йх.
I
(11)
Тепло, выделяемое этой полосой, идет на нагрев потока газа и теплоотвод через корпус:
йб = йбо + йбх.
(12)
Поток тепла, уносимый газом с площади йР = Ыйх, равен изменению теплового потока (10) при прохождении им отрезка йх на расстоянии х от начала пластины. Это изменение найдем, продифференцировав (10) по х:
йбо
СрО. АТ -X
^ р т 0
уТ
е уТ йх.
(13)
Тепловой поток dQ¦ё через корпус от поверхности dF найдем, используя выражение для теплового сопротивления корпуса, в котором вместо Г поставим dF:
2 АТ (х ^х
йбх
(14)
Х КХ1 Ка
Подставив (13), (14) и (11) в (12) найдем перегрев АТ (х) полосы йР МПЧЭ:
^ йх = СРОтАТ0 е-Тйх + АТ (х)Ыйх ¦
уТ
к, а 1
— (15)
Х КХ 1 Ка
Газ нагревается и одновременно движется над пластиной, поэтому время нагрева і в (6) можно выразить через х и скорость движения у:
АТ (х) = -(- + - + -)(^- Ср°тАТо еуТ). (16) Ъ X КХ 1 Ка I уТ
Используя найденное распределение температуры (16) вдоль чувствительного элемента, выразим сопротивление полоски dF
Я я
dЯ (х) = - (1+ АТ (х)^ = (1+ АТ (х)^х. (17)
Г е
Подставим в (17) ДТ (х) из (16):
-
йЯ (х) = -± 1Ы
1+_ (б0 -Ы I
х (к +±)
Х КХ 1 Ка
АТО. Ср ^
--------еуТ)х
уТ
(18)
Проинтегрировав (18) по х от 0 до 1, найдем сопротивление Я1 первого терморезистора, а от 1 до 21 — сопротивление Я2 второго терморезистора:
I
2
х
х
R1 = R 0 + -°-Q° (h + -0. + -)+
1 0 2lb Х КХ 1 Ка
, AT0GmCpRUh_ + _"_ +±. >-(eT -,) —
(19)
2lb Х КХ 1 Ка
R 2 = R o + -±QL (h + Л_ + _L) +
2 0 2lb Х КХ 1 Ка
+ AToGmCpRo (h+ ^+ ^)(є^ -e^). 2lb Х КХ 1 Ка
Разность сопротивлений AR = R2 — R1:
(20)
AR
AT°GmCpRo (h+ _^_ + _L)(l_evT). (21)
2lb Х КХ 1 Ка
Подставим в (21) vT:
vT
G 2Cp h2 GmCp h
m p __ m p
2hb ЗХ ЗХЬ
(22)
— 3ХblD GmCp h
& gt-1
вырождается в линейную зависимость AU
а
C AToGmCpUo h + _ 2lb Х КХ
Ка) s
(25)
(2б)
А- = АТоОтСрЯо (к + _^^^)(1-еО, Срк)2. (23)
2/Ы Х КХ 1 Ка
Разность сопротивлений АЯ терморезисторов приводит к появлению электрического сигнала ППР:
Аи = С АТ°ОтСри° (к + _^ + ^)(1_е°тСрк)2 (24)
2/Ы Х КХ 1 Ка
Выражение (24) есть искомое уравнение работы ППР в газовом канале с 5 & lt- к. В (24) введены два поправочных коэффициента С и Д учитывающих ошибки сделанных допущений.
Характеристика ППР (24) при малых расходах:
что хорошо согласуется с экспериментом, так как именно в этой области расходов работает большинство ППР. В области больших расходов, не удовлетворяющих (25), характеристика ППР не линейна, и имеет максимум.
ВЫВОДЫ
1. Описана работа первичного преобразователя расхода газа с металлополимерным чувствительным элементом, получено распределение температуры и сопротивления вдоль металлополимерного терморезистора.
2. Исследованная связь характеристик ППР и их конструктивных параметров позволяет оптимизировать конструкции преобразователей расхода газа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лавров К. А. Общие вопросы измерения технологических параметров. — Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1976. — 174 с.
2. Коротков П. А. Тепловые расходомеры. — Л.: Машиностроение, 1969. — С. 4−134.
3. Давыдов Н. А., Фейчиков М. С., Шейнин Д. М. Термо-анемометрический расходомер газа для аналитических измерений // Приборы для научных исследований и автоматизации эксперимента. — Л.: Наука, 1982. — С. 116−121.
4. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. -М.: Энергия, 1977. — 344 с.
Поступила 11. 07. 12 г.
CHARACTERISTICS IMPROVEMENT OF THERMAL SENSORS OF STEAM-GAS MEDIA EXPENSE IN TECHNOLOGICAL PROCESSES OF FOOD PRODUCTIONS
V.G. MINENKO, R.V. TERYUKHA
Kuban State Technologycal University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350 072- ph.: (861) 255−85−32, e-mail: k-fizika@kubstu. ru
The process of heat transfer of steam-gas mixture with a metal-polymeric sensitivity of the primary element of the heat flow transducer with a narrow gas channel is investigated. The results are characteristic of the converter connected to the flow of its design parameters, which allows using the design of solutions to achieve the required that are optimal, the characteristics of the converter. The results of theoretical investigations are in good agreement with experimental data in the working range of gas flow.
Key words: sensors of gas expense, primary converter, steam-gas medium, heat exchange.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой