Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Для определения температуры среды в судовых системах трубопроводов используются показания контактных термометров, пирометров и тепловизоров, которые измеряют температуру стенки трубопровода с достаточно высокой точностью. Кроме поправок на точность измерения температуры стенки прибором необходимо уметь перейти к значению температуры среды. Значение температуры стенки трубопровода отличается от температуры среды в трубопроводе, поэтому необходимо выполнить расчет, в результате которого можно найти температуру среды в трубопроводе. На основании решения системы уравнений, описывающих явление теплопередачи через цилиндрическую поверхность, разработана методика определения температуры среды в трубопроводе по измеренной температуре стенки трубопровода. Условия теплопередачи могут сильно отличаться для различных трубопроводов и сред. Рассчитаны температурные поправки для различных условий эксплуатации трубопровода. Для вычислений разработана компьютерная программа, написанная в математическом пакете Mathcad. Вычислены температурные поправки для определения температуры среды внутри трубопровода по величине температуры наружной стенки трубопровода. Проведен анализ различных факторов, влияющих на величину температурных поправок: теплоотдачи к воздуху, теплоотдачи от среды внутри трубопровода, толщины стенок и загрязнений. Проверка теоретических данных выполнена на судовом компрессорном агрегате. В ходе эксперимента подтверждена возможность определения температуры среды внутри трубопровода по температуре поверхности трубопровода с учетом разработанных поправок. Приборы, определяющие температуру стенки трубопроводов, могут быть использованы как дополнительные средства измерения для повышения информативности результатов контроля, анализа режимов работы и повышения надежности эксплуатации судовых трубопроводных систем.

Ключевые слова:
судовой трубопровод, температура поверхности трубопровода, температура среды трубопровода, измерение температуры среды
Текст
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.
Список литературы

1. Фрунзе А. В. Влияние методических погрешностей пирометра на выбор прибора // Фотоника. 2012. № 3. С. 46-51.

2. Термометры контактные цифровые ТК-5.08 руководство по эксплуатации. 2018. URL: http://www.technoac.ru/files/manual/tk-5.09_11.pdf.

3. Тепловизор Testo 875-2i. Руководство пользователя. М.: ООО «Тэсто Рус», 2016. 16 с.

4. Семенов А. Е., Путилин С. А. Обследование холодильника для фруктов // Развитие науки в XXI веке: cб. ст. XXVII Междунар. конф. Харьков: Науч.-информ. центр «Знание», 2017. C. 63-72.

5. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 344 с.

6. Данилова Г. Н., Богданов С. Н., Иванов О. П. и др. Теплообменные аппараты холодильных установок / под общ. ред. д-ра техн. наук Г. Н. Даниловой. Л.: Машиностроение, 1986. 303 с.