7. Исследование тепловых процессов в физической модели колонны разделения воздуха как метод описания переходных процессов
Существует ряд сложных установок, имеющих непрерывный характер работы в течение года и больше, где проводить исследования и вмешиваться в их производственный цикл не представляется возможным, поэтому здесь на помощь приходит физическое моделирование. К таким объектам относятся установки производства жидких газов из воздуха, и основным из агрегатов в них является ректификационная колонна разделения, которая представляет собой вертикально расположенный цилиндрический аппарат высотой, в зависимости от производительности, от нескольких метров до нескольких десятков метров, например, в небольшой установке АЖА-004 производительности 30 л/час жидкого азота она составляет 3 м.
7.1. Описание установки
В криогенной лаборатории ВГТУ была создана установка для моделирования теплофизических процессов, в которой проводились исследования тепловых процессов, протекающих в колонне разделения воздуха. Эта установка позволяет провести комплексные исследования влияния на коэффициент теплопроводности таких переменных параметров как температура, влажность, время (процессы релаксации) и установить их взаимосвязь. Схема этой установки показана на рис.7.1.
Стенд (так мы назовем эту установку) состоит из металлического кожуха 3, который имеет габаритные размеры 120 х 60 х 55 см3, в нем располагается сосуд Дьюара 1, но в отличие от обычных сосудов, его рабочая поверхность 5 не имеет вакуумной теплоизоляции, а непосредственно контактирует с теплоизолятором 6 (в этом случае вспученный перлитовый песок), в остальной же части он вакуумно-изолирован от окружающей среды. Как видно из рисунка залитый в сосуд через горловину 4 жидкий азот 2 в основном имеет теплообмен через эту поверхность известной площади S. Для измерения величины теплового потока перлитового песка в слое толщиной l = 70 см горизонтально устанавливалась трубка с малой теплопроводностью в данном случае из винипласта, и в ней на равных расстояниях (в точках а, б, в и т.д.) располагались медь-константановые термопары [3,4], изготовленные из провода в шелковой изоляции типа ПЭЛШО и ПЭЛШОК диаметром 0,08 мм [4]. Для улучшения теплового контакта с перлитовым песком спаи термопар закреплялись на специальных контактных пластинках для увеличения площади соприкосновения с изолятором и создания одинаковых тепловых условий в каждой точке измерения. В этих же точках крепились электроды (Э) по два в каждой точке с серебряными контактами для измерения электропроводности (σ) испытуемого теплоизолятора, которая зависит от влажности (W), т.е. σ = f(W). Измерение величины э.д.с. термопар осуществлялось микровольтметром типа ВК-2-20 с точностью 0,5 %. Схема электроизмерений показана на рис.7.2.
Рис.7.1. Установка для изучения тепловых процессов колонны разделения воздуха: 1 – сосуд с азотом; 2 – жидкий азот; пробка; 4 – заливная горловина; 5 – рабочая перегородка; 6 –перлитовый песок; 7 – перфорированный держатель датчиков; 8 – кожух; 9 – стойки; 10 – вакуумная полость
Рис.7.2. Схема электрических коммуникаций измерительной схемы: 1 и 4 – обегающее устройство; 2 – милливольтметр типа ВК2-20; 3 – автоматический уравновешенный мост типа ЭМД; 5 – продольные отверстия; 6 – несущая труба
Термопары (Т) установлены так, что электроды одной полярности, образованные константаном (провод ПЭЛШОК) соединены точечной сваркой и подсоединены к входу микровольтметра 2, а вторые же электроды через ручное обегающее устройство 1 поочередно подсоединяются к измерительному прибору 2 как показано на рисунке. Это позволяет одним прибором обеспечить последовательное измерение температуры (в нашем случае в шести точках) расположенных по всей толщине слоя теплоизолятора. Электроды Э по два в каждой рабочей точке через другое обегающее устройство 4 подсоединяются к автоматическому уравновешенному мосту 3 типа ЭМД, которым производит измерение электросопротивления [3]. Так как расстояние между электродами в каждой точке измерений одинаково, площадь контактов их также одинакова и равна 1 см2, и const окисный слой изолятора между электродами практически не изменялся, то величина сопротивления зависит только от влажности теплоизолятора. Погрешность измерений в данном случае определяется классом точности этого вторичного прибора (1,5).
Для исключения влияния несущей трубки на результаты измерений температуры (материал ее обладает хотя и незначительной, но всё же конечной теплопроводностью), она изготовлена из тонкостенной перфорированной вдоль двух образующих трубы 6.
Как отмечалось выше, перед испытаниями в рабочий сосуд заливался жидкий азот и температура по длине l перлитового песка таким образом распределялась от 80 К на холодном конце (левый по схеме) до самой теплой ~ 300 К, т.е. в нём возникает температурный градиент dТ/dl, за счет чего температура в каждой очке понижается во времени.