Измерение толщины слоя жидкости конфокальным оборудованием
|
ВВЕДЕНИЕ 10
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ИСПАРЯЮЩЕГОСЯ ТОНКОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ 15
1.1 Испарение жидкости 15
1.2 Методы определения толщины слоя жидкости 22
1.2.1 Метод касания 22
1.2.2 Электроемкостный метод 23
1.2.3 Метод электропроводности 24
1.2.4 Радиационный метод 25
1.2.5 Оптический метод 26
1.3 Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия 30
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ 43
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ИСПАРЕНИЯ ТОНКОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА ТВЕРДОЙ ПОДЛОЖКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНФОКАЛЬНОГО ДАТЧИКА 47
2.1 Планирование экспериментальных исследований 47
2.1.1 Выбор схемы проведения экспериментальных исследований
47
2.1.2 Основные размерные параметры воздействия 48
2.2 Описание экспериментальной установки 49
2.3 Описание методики 55
2.3.1 Методика проведения эксперимента по измерению толщины слоя жидкости и температур рабочего участка в процессе испарения и кипения (при замене линейного актуатора с щупом на конфокальный
датчик) 55
2.3.2 Методика расчета теплового потока, скорости испарения с
поверхности слоя жидкости и коэффициента теплоотдачи 56
2.4 Программное обеспечение 57
7
2.4.1 NI LabView SignalExpress 57
2.4.2 IFD2451 Tool V3.1.2 60
2.5 Основные размерные параметры воздействия и выходные
переменные планируемого эксперимента 70
2.6 Точность измерения основных параметров 70
ВЫВОД ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 71
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 73
Введение 73
4.1 SWOT-анализ 73
4.2 Экспертная оценка 76
4.3 Календарный план 80
4.4 Смета. Бюджет проекта 84
4.5 Ресурсоэффективность 88
Выводы по главе 90
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ИСПАРЯЮЩЕГОСЯ ТОНКОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ 15
1.1 Испарение жидкости 15
1.2 Методы определения толщины слоя жидкости 22
1.2.1 Метод касания 22
1.2.2 Электроемкостный метод 23
1.2.3 Метод электропроводности 24
1.2.4 Радиационный метод 25
1.2.5 Оптический метод 26
1.3 Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия 30
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ 43
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ИСПАРЕНИЯ ТОНКОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА ТВЕРДОЙ ПОДЛОЖКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНФОКАЛЬНОГО ДАТЧИКА 47
2.1 Планирование экспериментальных исследований 47
2.1.1 Выбор схемы проведения экспериментальных исследований
47
2.1.2 Основные размерные параметры воздействия 48
2.2 Описание экспериментальной установки 49
2.3 Описание методики 55
2.3.1 Методика проведения эксперимента по измерению толщины слоя жидкости и температур рабочего участка в процессе испарения и кипения (при замене линейного актуатора с щупом на конфокальный
датчик) 55
2.3.2 Методика расчета теплового потока, скорости испарения с
поверхности слоя жидкости и коэффициента теплоотдачи 56
2.4 Программное обеспечение 57
7
2.4.1 NI LabView SignalExpress 57
2.4.2 IFD2451 Tool V3.1.2 60
2.5 Основные размерные параметры воздействия и выходные
переменные планируемого эксперимента 70
2.6 Точность измерения основных параметров 70
ВЫВОД ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 71
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 73
Введение 73
4.1 SWOT-анализ 73
4.2 Экспертная оценка 76
4.3 Календарный план 80
4.4 Смета. Бюджет проекта 84
4.5 Ресурсоэффективность 88
Выводы по главе 90
Процессы тепломассобмена, протекающие при фазовых превращениях жидкости, широко распространены в различных отраслях народного хозяйства: в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, атомной и тепловой энергетике, в ракетной и холодильной технике, в металлургии, и т.д. В тоже время развитие новых современных отраслей и совершенствование уже существующих в традиционных областях требует увеличения эффективности охлаждающих систем, повышения плотности отводимых тепловых потоков, интенсификации теплообмена. Большие трудности вызывает охлаждение теплонапряженных поверхностей диверторов ТОКАМАК, высокофорсированных устройств силовой электроники, оптических элементов квантовых генераторов (зеркала мощных лазеров), в ракетной технике и в тепломассобменных аппаратах тепловой и атомной энергетики, когда плотность отводимых тепловых потоков достигает нескольких МВт/м и более[1].
В тепловой и атомной энергетике испарение жидкости на твердой поверхности - один из основных процессов в производстве электрической и тепловой энергии. При подводе теплоты в парогенераторах котельных, ТЭЦ, ГРЭС, АЭС и др. к нагреваемой жидкости (питательной воде), происходят процессы нагрева, кипения и испарения. Фазовый переход воды из жидкого в газообразное состояние лежит в основе процессов, протекающих в барабанах котлов и в испарительных поверхностях прямоточных котлоагрегатов.
Испарительная поверхность нагрева - это часть змеевиков циркуляционного контура прямоточного котла, в которых происходит переход рабочего тела из жидкой фазы в газообразную (парообразование) [2]. Испарительная поверхность составляет водопаровую часть прямоточного котла.
Расположение точки начала пароперегревательной поверхности, которая разделяет испарительную поверхность и перегревательную часть, может варьироваться по следующим причинам:
1. Изменение паропроизводительности
2. Тепловая нагрузка котлоагрегата
3. Расход питательной воды
1 - дутьевой вентилятор, 2 - дымосос, 3 - воздухоподогреватель, 4 - водяной экономайзер, 5 - нижняя радиационная (испарительная) часть, 6 - переходная зона, 7, 8 - радиационный и конвективный пароперегреватель, 9 - пароохладители
Изменение расхода питательной воды в прямоточных котлах оказывает прямое влияние на расход, температуру и давление продукта (перегретый пар). При увеличении расхода, точка начала перегревательной части смещается в большую сторону, увеличивая зону нижней радиационной части (испарительной поверхности). В свою очередь, это меняет условия протекания процесса теплопередачи, что, в первую очередь, усложняет регулирование выходных параметров котла и требует тщательного подхода к проектированию поверхностей нагрева [2].
Для понимания и описания физического механизма процесса испарения и кипения питательной воды в испарительных поверхностях прямоточных котлоагрегатов, необходимо обратиться к экспериментальным
исследованиям в области малой энергетики. В настоящее время существует проблема недостаточного количества экспериментальных данных в области процессов испарения и кипения тонких слоёв жидкости, что мешает описать более точно процессы тепломассобмена, протекающие не только в испарительных частях парогенераторов, но и в других теплообменных аппаратах. Решение этой проблемы позволит создать научные основы для проектирования и конструирования эффективных поверхностей нагрева, испарения и перегрева, что положительно повлияет на регулирование прямоточных котлоагрегатов.
Для проведения экспериментальных исследований в области малой энергетики требуются колоссальные затраты денежных средств на лабораторное оборудование, оплату труда высококвалифицируемых специалистов в области знаний процессов тепломассобмена. Теоретические основы процессов кипения и испарения разрабатываются не один десяток лет, в работах задействованы многие научные коллективы с разных стран. В настоящий момент эти основы не разработаны на уровне прогностического моделирования. Одна из причин отсутствия аналитических выражений в области процессов кипения и испарения - сложность физического определения ключевых переменных, таких как, например, толщина слоя испаряющейся жидкости. По этой причине определение скорости испарения жидкости, представляет собой задачу, которая требует точных и значений толщины слоя жидкости.
Существуют различные методы фиксации значения толщины слоя жидкости. Следует выделить основные: методы касания, электроемкостные методы, методы электропроводности, радиационные методы, оптические методы [3]. Последние распространены в силу своих преимуществ: бесконтактность, возможность получать значения с частотой до 10 кГц, высокая точность, в зависимости от класса прибора точность может доходить до 10" м, компактность - в большинстве своем сенсоры малогабаритны и могут устанавливаться на многих лабораторных стендах, и, наиболее важное для научного сотрудника - широкие возможности программного обеспечения, поставляемое изготовителем вкупе с датчиком [4].
Все эти явные преимущества оптического метода побудили заменить линейный актуатор с щупом (касательный метод) на конфокальный датчик (оптический метод) в установке испарения тонких слоёв жидкости, где экспериментально определялись зависимость массовой скорости испарения от времени, коэффициента теплоотдачи от времени, толщины плёнки жидкости от времени.
Цель работы экспериментальное определение скорости испарения и коэффициента теплоотдачи с использованием конфокального датчика в условиях испарения тонких слоев жидкости.
Применить датчик ConfocalDT 2451 для измерения толщины слоя жидкости в процессе испарения тонкого слоя жидкости при различных условиях и построить ключевые зависимости. Вводные параметры эксперимента: температура подложки, материал подложки, испаряемая жидкость (дистиллированная вода), начальная и конечная толщина слоя жидкости.
При выполнении этой цели решались следующие задачи:
1. Анализ научных публикаций по темам: процессы
тепломассобмена, протекающие при испарении тонких слоёв жидкости, измерение толщины слоя жидкости различными методами.
2. Разработка методики измерения толщины слоя жидкости с помощью конфокального датчика.
3. Проведение серии экспериментов по измерению толщины слоя жидкости.
4. Определение зависимостей скорости испарения жидкости, изменение коэффициента теплоотдачи и толщины слоя от времени.
Объект исследования - тепломассоперенос в условиях испарения слоя жидкости.
Предмет исследования - зависимости скорости испарения и коэффициента теплоотдачи в условиях испарения слоя жидкости.
В тепловой и атомной энергетике испарение жидкости на твердой поверхности - один из основных процессов в производстве электрической и тепловой энергии. При подводе теплоты в парогенераторах котельных, ТЭЦ, ГРЭС, АЭС и др. к нагреваемой жидкости (питательной воде), происходят процессы нагрева, кипения и испарения. Фазовый переход воды из жидкого в газообразное состояние лежит в основе процессов, протекающих в барабанах котлов и в испарительных поверхностях прямоточных котлоагрегатов.
Испарительная поверхность нагрева - это часть змеевиков циркуляционного контура прямоточного котла, в которых происходит переход рабочего тела из жидкой фазы в газообразную (парообразование) [2]. Испарительная поверхность составляет водопаровую часть прямоточного котла.
Расположение точки начала пароперегревательной поверхности, которая разделяет испарительную поверхность и перегревательную часть, может варьироваться по следующим причинам:
1. Изменение паропроизводительности
2. Тепловая нагрузка котлоагрегата
3. Расход питательной воды
1 - дутьевой вентилятор, 2 - дымосос, 3 - воздухоподогреватель, 4 - водяной экономайзер, 5 - нижняя радиационная (испарительная) часть, 6 - переходная зона, 7, 8 - радиационный и конвективный пароперегреватель, 9 - пароохладители
Изменение расхода питательной воды в прямоточных котлах оказывает прямое влияние на расход, температуру и давление продукта (перегретый пар). При увеличении расхода, точка начала перегревательной части смещается в большую сторону, увеличивая зону нижней радиационной части (испарительной поверхности). В свою очередь, это меняет условия протекания процесса теплопередачи, что, в первую очередь, усложняет регулирование выходных параметров котла и требует тщательного подхода к проектированию поверхностей нагрева [2].
Для понимания и описания физического механизма процесса испарения и кипения питательной воды в испарительных поверхностях прямоточных котлоагрегатов, необходимо обратиться к экспериментальным
исследованиям в области малой энергетики. В настоящее время существует проблема недостаточного количества экспериментальных данных в области процессов испарения и кипения тонких слоёв жидкости, что мешает описать более точно процессы тепломассобмена, протекающие не только в испарительных частях парогенераторов, но и в других теплообменных аппаратах. Решение этой проблемы позволит создать научные основы для проектирования и конструирования эффективных поверхностей нагрева, испарения и перегрева, что положительно повлияет на регулирование прямоточных котлоагрегатов.
Для проведения экспериментальных исследований в области малой энергетики требуются колоссальные затраты денежных средств на лабораторное оборудование, оплату труда высококвалифицируемых специалистов в области знаний процессов тепломассобмена. Теоретические основы процессов кипения и испарения разрабатываются не один десяток лет, в работах задействованы многие научные коллективы с разных стран. В настоящий момент эти основы не разработаны на уровне прогностического моделирования. Одна из причин отсутствия аналитических выражений в области процессов кипения и испарения - сложность физического определения ключевых переменных, таких как, например, толщина слоя испаряющейся жидкости. По этой причине определение скорости испарения жидкости, представляет собой задачу, которая требует точных и значений толщины слоя жидкости.
Существуют различные методы фиксации значения толщины слоя жидкости. Следует выделить основные: методы касания, электроемкостные методы, методы электропроводности, радиационные методы, оптические методы [3]. Последние распространены в силу своих преимуществ: бесконтактность, возможность получать значения с частотой до 10 кГц, высокая точность, в зависимости от класса прибора точность может доходить до 10" м, компактность - в большинстве своем сенсоры малогабаритны и могут устанавливаться на многих лабораторных стендах, и, наиболее важное для научного сотрудника - широкие возможности программного обеспечения, поставляемое изготовителем вкупе с датчиком [4].
Все эти явные преимущества оптического метода побудили заменить линейный актуатор с щупом (касательный метод) на конфокальный датчик (оптический метод) в установке испарения тонких слоёв жидкости, где экспериментально определялись зависимость массовой скорости испарения от времени, коэффициента теплоотдачи от времени, толщины плёнки жидкости от времени.
Цель работы экспериментальное определение скорости испарения и коэффициента теплоотдачи с использованием конфокального датчика в условиях испарения тонких слоев жидкости.
Применить датчик ConfocalDT 2451 для измерения толщины слоя жидкости в процессе испарения тонкого слоя жидкости при различных условиях и построить ключевые зависимости. Вводные параметры эксперимента: температура подложки, материал подложки, испаряемая жидкость (дистиллированная вода), начальная и конечная толщина слоя жидкости.
При выполнении этой цели решались следующие задачи:
1. Анализ научных публикаций по темам: процессы
тепломассобмена, протекающие при испарении тонких слоёв жидкости, измерение толщины слоя жидкости различными методами.
2. Разработка методики измерения толщины слоя жидкости с помощью конфокального датчика.
3. Проведение серии экспериментов по измерению толщины слоя жидкости.
4. Определение зависимостей скорости испарения жидкости, изменение коэффициента теплоотдачи и толщины слоя от времени.
Объект исследования - тепломассоперенос в условиях испарения слоя жидкости.
Предмет исследования - зависимости скорости испарения и коэффициента теплоотдачи в условиях испарения слоя жидкости.