MEASURING TEMPERATURE OF THE MEDIUM OF SHIP COMPRESSOR PIPING USING TEMPERATURE OF THE OUTER WALL
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Technical Scien-ces, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Heat Power Engineering and Refrigeration Machines)
2.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 81
to 86
Status:
Published
Received:
20.02.2018
Accepted:
25.02.2018
Published:
25.02.2018
Subject area:
UDK 629.5.064:621.6.078
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
ship pipeline, surface temperature of the pipeline, temperature of the pipeline medium, measuring temperature of the environment
Abstract (English):
To determine the temperature of the medium in the ship's piping systems there are used readings of contact thermometers, pyrometers and thermal scans which measure the temperature of the pipeline rather accurately. Aside from corrections for accuracy of the measurement of the wall temperature, it is necessary to move towards measuring temperature of the medium. Readings of the temperature of the pipeline wall differ from the readings of the medium temperature inside the pipeline, so it is necessary to calculate and find the temperature of the medium in the pipeline. After solving a system of equations describing the phenomenon of heat transfer through the cylindrical surface, there has been worked out the technique of measuring temperature of the pipeline medium, according to the measured temperature of the pipe wall. The conditions of heat transfer can vary for different pipelines and media. The paper gives calculated temperature corrections for different operating conditions of the pipeline. To carry out calculations, a computer program has been written in the Mathcad mathematical package. Temperature corrections have been calculated to determine the medium temperature inside the pipeline using the temperature value of the outer wall of the pipeline. There has been carried out analysis of various factors affecting temperature changes: heat transfer to the air, heat transfer of medium inside the pipeline, wall thickness and contamination. Verification of theoretical data has been made on a ship of the compressor unit. The experiment confirmed the possibility of measuring temperature of the medium inside the pipeline, according to the temperature of pipeline surface using the developed corrections. Devices measuring the temperature of the pipeline walls can be used as additional measurement to enhance informativeness of testing results, analysis of operating modes, and improve the operation reliability of ship piping systems
To determine the temperature of the medium in the ship's piping systems there are used readings of contact thermometers, pyrometers and thermal scans which measure the temperature of the pipeline rather accurately. Aside from corrections for accuracy of the measurement of the wall temperature, it is necessary to move towards measuring temperature of the medium. Readings of the temperature of the pipeline wall differ from the readings of the medium temperature inside the pipeline, so it is necessary to calculate and find the temperature of the medium in the pipeline. After solving a system of equations describing the phenomenon of heat transfer through the cylindrical surface, there has been worked out the technique of measuring temperature of the pipeline medium, according to the measured temperature of the pipe wall. The conditions of heat transfer can vary for different pipelines and media. The paper gives calculated temperature corrections for different operating conditions of the pipeline. To carry out calculations, a computer program has been written in the Mathcad mathematical package. Temperature corrections have been calculated to determine the medium temperature inside the pipeline using the temperature value of the outer wall of the pipeline. There has been carried out analysis of various factors affecting temperature changes: heat transfer to the air, heat transfer of medium inside the pipeline, wall thickness and contamination. Verification of theoretical data has been made on a ship of the compressor unit. The experiment confirmed the possibility of measuring temperature of the medium inside the pipeline, according to the temperature of pipeline surface using the developed corrections. Devices measuring the temperature of the pipeline walls can be used as additional measurement to enhance informativeness of testing results, analysis of operating modes, and improve the operation reliability of ship piping systems
Keywords:
ship pipeline, surface temperature of the pipeline, temperature of the pipeline medium, measuring temperature of the environment
ship pipeline, surface temperature of the pipeline, temperature of the pipeline medium, measuring temperature of the environment
Введение Диагностика судового оборудования с применением контактных термометров [1], пирометров [2] и тепловизоров [3] позволяет достаточно быстро определить состояние оборудования и режимов его работы [4]. Для определения температур технологических сред, воды, воздуха в судовых трубопроводах необходимо скорректировать показания прибора, измеряющего температуру наружной стенки, т. к. температура стенки зависит от скорости воздуха и среды в трубопроводах. Введение поправки для определения температуры среды по измеренной температуре стенки позволяет более точно определить температуру среды. Методика расчета температуры среды трубопровода по показаниям прибора Используя уравнения теплообмена в трубопроводах [5] для расчета поправки и температуры среды в трубопроводе, записываем следующие уравнения: (1) (2) (3) (4) (5) где tвоз - температура воздуха, °С; tст.нар - температура наружной стенки, °С; αвоз - коэффициент теплоотдачи от воздуха к наружной стенке, Вт/(м2·К); αсред - коэффициент теплоотдачи от среды к внутренней поверхности, Вт/(м2·К); dнар - наружный диаметр трубопровода, м; dвн - внутренний диаметр трубопровода, м; dзагр - внутренний диаметр с учетом загрязнений, м; λст - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м·К); λзагр - коэффициент теплопроводности загрязнений, Вт/(м·К). Предварительно определяем αвоз, αсред по известным уравнениям теплопередачи [5, 6] в зависимости от скорости воздуха и скорости среды в трубопроводе. Решаем уравнения (1)-(5) в математической программе Mathcad относительно переменных q, tст.вн, tст.загр, tсред, ΔT, где q - линейная плотность теплового потока, Вт/м; tст.вн - температура внутренней стенки, °С; tст.загр - температура внутренней поверхности загрязнений, °С; tсред - температура среды в трубопроводе, °С; ΔT - поправка к измеренной температуре, К. Расчет температурных поправок для определения температуры среды трубопроводов Расчет в программе Mathcad позволяет использовать для решения уравнений (1)-(5) функции Given - Minerr. Разработанная в Mathcad программа расчета поправки и температуры среды позволяет проводить анализ результатов измерения температуры стенки прибором. В качестве примера проведем расчет поправки к измеренной температуре наружной стенки трубы 25 × 4 мм при следующих условиях: коэффициент теплопроводности стенки 46,5 Вт/(м·К); коэффициент теплопроводности загрязнений 1,5 Вт/(м·К); температура воздуха +25 °С; температура наружной стенки 50 °С; коэффициент теплопередачи от воздуха к наружной стенке трубы 1-15 Вт/(м2·К); коэффициент теплопередачи от среды к внутренней стенке трубы или загрязнений для газа 10, 50, 100 Вт/(м2·К); для жидкости 1000, 2000 и 3000 Вт/(м2·К). На рис. 1-4 представлены результаты анализа влияния коэффициента теплоотдачи от наружной стенки к воздуху и коэффициента теплоотдачи от среды к внутренней стенке на температурные поправки для чистой и загрязненной гладкой трубы. Рис. 1. Поправки для расчета температуры газовой среды в судовом трубопроводе по температуре наружной стенки чистой трубы (теплоотдача от среды 10-100 Вт/(м2·К)) Рис. 2. Поправки для расчета температуры жидкой среды в судовом трубопроводе по температуре наружной стенки чистой трубы (теплоотдача от среды 1 000-3 000 Вт/(м2·К)) Рис. 3. Сравнение поправок для расчета температуры газовой среды в судовом трубопроводе по температуре наружной стенки чистой и загрязненной трубы (теплоотдача от среды 50 Вт/(м2·К)) Рис. 4. Сравнение поправок для расчета температуры жидкой среды в судовом трубопроводе по температуре наружной стенки чистой и загрязненной трубы (теплоотдача от среды 1 000 Вт/(м2·К)) На рис. 1, 2 видно, что увеличение коэффициента теплоотдачи к воздуху приводит к значительному увеличению температурных поправок для определения температуры среды, причем для газовой среды влияние коэффициента теплоотдачи от наружной стенки к воздуху на поправки значительно выше, чем для жидкой среды. Из вышесказанного следует, что при измерении температуры стенки прибором необходимо стремиться к уменьшению скорости воздуха на измеряемом участке, ограждая участок измерения. Увеличение теплоотдачи от среды к внутренней стенке ведет к снижению поправки для определения температуры среды. При вычислении температуры жидкой среды поправка значительно ниже из-за высокого коэффициента теплоотдачи, чем для газообразной среды. При расчете необходимо учитывать влияние загрязнений стенки трубопровода. На рис. 3, 4 показано влияние толщины загрязнения трубы на величину поправки. Так, при коэффициенте теплоотдачи от воздуха 5 Вт/(м2·К) и коэффициенте теплоотдачи от газа 50 Вт/(м2·К) температурная поправка для чистой гладкой трубы составляет 3,6 °С, при загрязнении 1 мм - 3,8 °С, при толщине загрязнений 2 мм - 4,0 °С. Для жидкости при коэффициенте теплоотдачи 1 000 Вт/(м2·К) и при коэффициенте теплоотдачи от воздуха 5 Вт/(м2·К) температурная поправка для чистой гладкой трубы составляет 0,2 °С, при загрязнении 1 мм - 0,33 °С, при толщине загрязнений 2 мм - 0,46 °С. Экспериментальное определение температуры стенки трубопроводов и расчет температуры среды Для оценки методики расчета температурных поправок экспериментально проведена диагностика нагнетательного трубопровода агрегата, используемого в судовых системах. Для диагностики трубопроводов компрессорного агрегата использовался тепловизор Testo 875-2i. На компьютере с помощью программы IRSoft V3.1 SP3, поставляемой с прибором, получены термограммы и проведен их анализ. По термограмме определены значения температуры стенок трубопровода и оборудования. Для определения температуры среды по температуре стенки трубопровода из термограммы проводились расчеты температурных поправок по разработанной нами программе в Mathcad. Температура в точке измерения тепловизором контролировалась термопарами, установленными в термогильзе. На рис. 5 приведены термограмма и фотография судового компрессорного агрегата с трубопроводной обвязкой (опыт: 12; дата: 12.05.2017 г.; время: 10:12:00), полученные с использованием тепловизора Testo 875-2i. Рис. 5. Термограмма и фотография судового компрессорного агрегата с трубопроводной обвязкой Для проверки методики расчета и программы получена термограмма, по которой определена максимальная температура нагнетательного трубопровода: 102 °С. Поправка для условий работы аммиачного трубопровода при коэффициенте теплоотдачи среды в трубопроводе 85 Вт/(м2·К) (при 13 м/с) составила 5,5 К. Прибавляя поправку к температуре стенки, получаем температуру среды в нагнетательном трубопроводе компрессора: 107,5 °С. Температура газа, определенная по термопаре в термогильзе, составила 106 °С. Выводы 1. При измерении температуры стенок трубопроводов и стенок оборудования с целью определения температуры среды можно использовать полученные выше поправки. 2. Разработанная методика расчета температуры среды по термограмме тепловизора, реализованная в математическом пакете Mathcad, позволяет определять температуру среды в измеряемом сечении трубопровода с учетом поправок. 3. Испытания судового компрессорного агрегата подтверждают достоверность температурных поправок при определении температуры среды по измеренной температуре стенки.
1. Frunze A. V. Vliyanie metodicheskih pogreshnostey pirometra na vybor pribora // Fotonika. 2012. № 3. S. 46-51.
2. Termometry kontaktnye cifrovye TK-5.08 rukovodstvo po ekspluatacii. 2018. URL: http://www.technoac.ru/files/manual/tk-5.09_11.pdf.
3. Teplovizor Testo 875-2i. Rukovodstvo pol'zovatelya. M.: OOO «Testo Rus», 2016. 16 s.
4. Semenov A. E., Putilin S. A. Obsledovanie holodil'nika dlya fruktov // Razvitie nauki v XXI veke: cb. st. XXVII Mezhdunar. konf. Har'kov: Nauch.-inform. centr «Znanie», 2017. C. 63-72.
5. Miheev M. A., Miheeva I. M. Osnovy teploperedachi. M.: Energiya, 1977. 344 s.
6. Danilova G. N., Bogdanov S. N., Ivanov O. P. i dr. Teploobmennye apparaty holodil'nyh ustanovok / pod obsch. red. d-ra tehn. nauk G. N. Danilovoy. L.: Mashinostroenie, 1986. 303 s.
