В статье детально описано новое измерительное средство, именуемое "Градиентным датчиком теплового потока" (ГДТП). Перечислены возможности и преимущества применения датчика в холодильной технике.
Совершенствование конструкций и повышение эффективности теплообменных агрегатов требует комплексных теоретических и экспериментальных исследований, частью которых является измерение тепловых потоков. С этой целью были разработаны, созданы, отградуированы и тестированы в ходе лабораторных и промышленных экспериментов градиентные датчики теплового потока (ГДТП) различных видов, размеров и конструкций. Установлено, что их технические характеристики существенно превышают уровень современных мировых аналогов. Найдены оптимальные соотношения между ожидаемым уровнем теплового потока, размерами ГДТП и возможностями аппаратуры, при этом тестирована и успешно использована система для обработки сигналов ГДТП, их преобразования и архивирования [1]. Созданы опытные образцы чувствительного элемента, регистрирующие тепловой поток без дополнительного усиления сигнала, который можно использовать в качестве средства количественной диагностики тепловых потоков (потерь) на промышленных и энергетических объектах. Достоверность полученных результатов подтверждается их совпадением с надежными данными других источников, использованием при построении физических моделей фундаментальных краевых задач теплопроводности, апробированных уравнений подобия, экспериментальных данных других авторов и экспериментальной техники последнего поколения с подтвержденными метрологическими характеристиками, привлечением к экспертизе свойств ГДТП широкого круга специалистов.
Принцип действия ГДТП основан на возникновении поперечной компоненты электрического поля в среде с анизотропными тепло- и электропроводностью, а также коэффициентом термоЭДС (рис. 1) при прохождении теплового потока в направлении, не совпадающем с главными кристаллографическими осями С1, С2 и С3 анизотропной среды (рис. 2). ГДТП представляют собой анизотропный термоэлемент (АТЭ) - призматический брусок, габариты которого зависят от назначения в среднем составляют l х b х h = 10 х 7 х 0,5 мм. Для повышения сигнала возможно последовательное соединение АТЭ в батарею. Градуировка датчиков заключается в определении вольт-ваттной чувствительности
S0 = E / (q · F), мВ/Вт (1)
где Е - измеряемая термоЭДС, мВ; q - известная плотность падающего теплового потока, Вт/м2; F - площадь поверхности датчика, воспринимающей тепловой поток, м2.
Рис.1. Возникновение термоЭДС в поперечном направлении
Рис.2. Ориентация разреза заготовки АТЭ относительно
главных кристаллографических осей анизотропного монокристалла
Если рассматривать высокотемпературные процессы теплопередачи, которые физически близки к процессам охлаждения, то уже накоплен опыт измерения тепловых потоков в котельной технике. Котел, как и холодильная установка, представляет собой систему экранированных поверхностей из труб, внутри которых движется жидкая или двухфазная среда, а снаружи - газ. Направление теплового потока в том и другом случае совпадает, разница лишь в температурном уровне и порядке плотности теплового потока, что требует грамотного выбора конструкции и размеров ГДТП. Наличие снежной шубы на поверхности приборов охлаждения аналогично слою шлаковых отложений на поверхностях нагрева в топке котла, а наличие масляной пленки на внутренней поверхности труб аналогично слою отложений по водяной или паро-водяной стороне труб топки. В случае изготовления датчиков из композитов никель+сталь развитая приёмная поверхность ГДТП, как и последовательное их соединение, увеличивает чувствительность, что делает датчики пригодными к использованию в уcловиях низких температур и меньших, чем в котлах, тепловых потоков. Применение в качестве материала для ГДТП анизотропных монокристаллов висмута в условиях низких температур вообще не требует изменений его конструкции; установлено, что такие датчики работоспособны при температурах от 20 до 541 К.
Применение ГДТП в холодильной технике открывает следующие возможности:
1. Контроль толщины снеговой шубы на приборах и объектах охлаждения.
2. Диагностика замасливания внутренней поверхности приборов охлаждения.
3. Контроля теплового потока на поверхности и в толще термообрабатываемого продукта.
4. Измерение тепловых потоков через элементы теплоизоляции.
Такие датчики имеют вольт-ваттную чувствительность S0 = 5...60 мВ/Вт, постоянную времени τmin ≈ 10-9...10-8 с [2].
ГДТП обладают рядом преимуществ, в которые входит:
1. Простота изготовления.
2. Малое омическое сопротивление, позволяющее обрабатывать сигнал ГДТП, как сигнал обычной термопары.
3. Использование серийных измерительно-вычислительных комплексов в качестве регистратора сигналов.
ГДТП нашли применение в котельной технике (в условиях высоких температур), где они востребованы из-за крайней необходимости в измерении плотности тепловых потоков и диагностике шлакования, в значительной степени влияющей на интенсивность теплоообмена и надежность поверхностей нагрева. До настоящего времени о местной плотности теплового потока на поверхностях экранных труб и плавников удавалось судить лишь по показаниям термовставок - коротких трубок с термопарами, врезанных в контур высокого давления. Расчетная методика недостаточно обоснована, измерения трудоемки и, что главное, нарушают герметичность системы, а потому крайне нежелательны. Как следствие, информация о распределении плотности теплового потока на поверхности топки остается скудной, а принципиально иные подходы до последнего времени не развивались. Отсутствие в мировой практике опыта теплометрии в топках с применением ГДТП потребовало выполнить серию предварительных исследований.
В 2007 г. в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете были впервые созданы ГДТП на основе слоистых композитов [3]. Первым шагом стало создание высокотемпературных ГДТП на основе композиций сталь 12X18H9T + никель (рис. 3), сталь 65X13 + никель, хромель + алюмель и железо + константан. Эти ГДТП работоспособны до температур 1300 К. Они опробованы на огневой модели в исследовательской лаборатории кафедры "Теоретические основы теплотехники" СПбГПУ (рис. 4), на жаротрубном котле ВТГ-80 исследовательской лаборатории кафедры "Реакторо- и парогенераторостроение" СПбГПУ (рис. 5) и на котле БКЗ-210 ст.№9, ТЭЦ-4, г. Кирова (рис. 6). Способ монтажа ГДТП изменялся: на огневой модели они приклеивались к наружной поверхности трубы высокотемпературным клеем; на жаротрубном котле - зачеканивались в тонкую металлическую оболочку, предотвращающую механические повреждения, и приваривались точечной сваркой к внутренней поверхности котла; а на котле БКЗ-210 - помещались в кольцевых канавках на лобовой поверхности специальных вставок, которые вваривались в испарительный контур котла.
Рис.3. ГДТП из композиции сталь 12X18H9T+никель с приваренными проводами
Рис.4. Исследование ГДТП на огневой модели:
а) огневой стенд;
б) смонтированные с помощью высокотемпературного клея ГДТП
Рис.5. Исследования ГДТП на жаротрубном котле ВТГ-80:
а) общий вид котла ВТГ-80;
б) зачеканенные ГДТП
Рис.6. Вставка с ГДТП в испарительном контуре котла БКЗ-210
Таким образом, целью публикации является желание привлечь внимание холодильщиков к такому новому измерительному средству, как Градиентный датчик теплового потока (ГДТП).
Использованная литература:
1. Сапожников С.З. Градиентные датчики теплового потока в теплотехническом эксперименте / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, А.В. Митяков. СПб.: СПбГПУ, 2007. 202 с.
2. Сапожников С.З. Состояние и перспективы развития градиентной теплометрии / Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В., Можайский С.А. // Теплоэнергетика. 2009. № 3. С. 2-11.
3. Пат. на пол. модель 96654 России. Датчик теплового потока / В.Ю. Митяков, С.З. Сапожников, А.В. Митяков, К.А. Григорьев, Ю.А. Рундыгин, В.Е. Скудицкий, В.В. Османов.- № 2010115436/28; Заявлено 19.04.2010; Опубл. 10.08.2010, Бюл. № 22. 8 с.
