Область применения
Теплообмен в газовых и двухфазных средах в условиях криогенных температур и повышенных давлений рабочих сред.
Объект и цель испытаний
Испытывается экспериментальный образец теплообменного аппарата « » с целью сравнения его опытных теплотехнических и гидродинамических характеристик (температура, давление и др. на выходе теплообменника) с расчетными (модельными), а также устойчивость конструкции к циклам нагружения.
Определяемые характеристики
1. Регистрации на теплофизических приборах подлежат показания давления и температуры на входе и выходе каналов А и Б теплообменного аппарата, а также расходы рабочих сред в каналах А и Б:
Характеристики, вычисляемые на основе регистрируемых характеристик:
- тепловые нагрузки:
- коэффициенты теплоотдачи и коэффициент теплопередачи
- коэффициент гидравлического сопротивления.
Исходными данными для вычисления являются также химсоставы рабочих сред и их теплофизические свойства при промежуточных температурах в теплообменных каналах.
Критерии успешности эксперимента приведены в п.п. 8.1 и 8.2.
2. Определению подлежит устойчивость конструкции теплообменника к циклическим нагрузкам внутреннего и межтрубного пространства теплообменных труб.
Критерии устойчивости, определяемые при заполненных водой каналах, приведены в п. 8.3.
Метод испытаний
Проводятся натурные испытания теплообменника на теплофизическом стенде в режимах «газ-газ» и «газ-жидкость».
Условия испытаний
1. Испытания проводятся на существующем стенде компании «Газовый инжиниринг» в специальном помещении, предназначенном для работы с сосудами на высокое давление.
Используется инфраструктура стенда: ёмкости, трубы, фитинги, приборы и система обработки данных эксперимента.
Исходный газ накапливается в газгольдере на нужное давление и используется в течении эксперимента. Охлаждающий газ используется из стандартных баллонов или после редуктора высокого давления.
2. После обработки в теплообменнике газы направляются на сжигание
3. Распределение ответственности сторон при проведении экспериментов:
Заказчик работ– изготовление опытных образцов и их поставка на испытательный стенд, шеф-монтаж образцов на стенде;
Компании «Газовый инжиниринг»:
- расчёт параметров очередного эксперимента и обработка результатов экспериментов
- организация работ на стенде, обеспечение материалами, обвязка установленных теплообменников, непосредственное проведение работ на стенде, регистрация параметров в ходе экспериментов, расчёт физических свойств сред в теплообменных каналах.
Средства испытаний
Стенд оборудован системой измерения и контроля. В систему контроля входят датчики давления – Сапфир, рассчитанные на давления 6,3 Мпа, температурные датчики — термопары хромель-капель, расходомеры — ТДР и сопла Вентури, система регулировки подачи метана и подачи хладо и тепло агента регулируется напорным давлением. Расход метана может составлять не более 1 кг/с. (3,6 т/ час). Оборудования постоянно проверяется на достоверность измерения и калибруется, относительная погрешность измерения не более 0,5-1%. Все управление и обработка данных производится из специальной комнаты управления в соответствии с нормами безопасности. Все измерительные данные снимаются в реальном времени, пишутся и выводится на экран монитора. Данные выводятся как в виде графиков от реального времени, так и в виде значений в табличном виде, после завершения работ все данные выгружаются в виде таблицы и могут быть проанализированы дополнительно.
Порядок проведения испытаний
1. Объём экспериментов
В соответствии с Планом эксперимента будут последовательно исследованы 2 варианта экспериментальных образцов теплообменников «газ-газ» и «газ-жидкость». При этом основной целью является исследование процесса теплообмена при двухфазном течении среды при криогенных температурах.
Испытания проводятся в течение 8 недель по 2 эксперимента в день по одному дню каждую неделю. Таким образом проводится серия из 16 экспериментов. Длительность одного эксперимента – 5 мин. В течение одного эксперимента после выхода на режим регистрируются параметры процесса с интервалом 1 сек в течение не менее 1 мин. План-график экспериментов и полное описание их результатов производится в едином документе «План эксперимента» (Приложение 1).
Режимы испытания теплообменников будут согласовываться отдельно, после проведения расчетных работ по первому этапу выполнения работ по договору.
2. Порядок проведения одного эксперимента
Все 16 экспериментов проводятся по единому графику испытаний – меняются только исходные данные, которые фиксируются в ПЭ за 2 дня до начала очередной пары экспериментов. В этот же срок на стенде монтируется подлежащее испытанию теплообменное оборудование. Каждый эксперимент длится 5 мин. и проводится в следующем порядке:
начало эксперимента №1 (после проверки готовности)
выход на стационарный режим с параметрами по расходу и температурам, заданным в ПЭ для текущего эксперимента № i, замер №1. Длительность – 2 мин
фиксация регистрируемых параметров по замеру№1. Длительность – 1 мин
выход на стационарный режим с параметрами по расходу и температурам, заданным в ПЭ для замера № 2. Длительность – 2 мин
вторая фиксация регистрируемых параметров по замеру№2. Длительность – 1 мин
окончание эксперимента №1. Переход к эксперименту №2 или демонтаж испытываемого оборудования, как это предусмотрено в Плане экспериментов.
обработка результатов эксперимента №1, запись его результатов в таблицу EXEL и запись плана следующего эксперимента.
3. Фиксация и обработка результатов измерений
Параметры, регистрируемые по показаниям приборов:
Рвх А, бар
Рвх Б, бар
Твх А, гр.С
Твх Б, гр.С
Рвых А, бар
Рвых Б, бар
Твых А, гр.С
Твых Б, гр.С
расход А, кг/час
расход Б, кг/час
Расходы А и Б могут быть определены расчётным путём по показаниям потерь давления в измерительных шайбах.
Расчётными параметрами являются физические свойства одно- и двухфазных рабочих сред в каналах А и Б:
Плотность, кг/м3
Теплоемкость, Дж/(кг*С)
Кинематическая вязкость, м2/с x10*-6
Теплопроводность, Вт/(м*К)
Температура точки росы °C
Скрытая теплота, Дж/кг
Число Прандтля
а также параметры, определяемые по результатам экспериментов:
Число Рейнольдса
Тепловой баланс
Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2,С)
Коэффициент гидросопротивления
Потери давления, Па.
Обработка данных и оформление результатов испытаний
1. Порядок фиксации параметров отдельного эксперимента
Все численные параметры – регистрируемые и вычисляемые – фиксируются в табличном виде (EXСEL) в Плане эксперимента (Приложение 1). Данные одного эксперимента заносятся в один соответствующий столбец таблицы Плана эксперимента. Посекундные значения регистрируемых параметров усредняются при обработке поступающих от датчиков данных и через существующий интерфейс или вручную заносятся в таблицу.
Физические свойства рабочих сред (см. п. 7.3) при заданных температурах рассчитываются программными средствами «HYSYS». Результирующие параметры определяются в EXСEL в соответствии с требованиями Плана эксперимента.
2. Обработка данных всей серии экспериментов
По массиву данных о результатах всех 16-ти экспериментов проводится интерпретация результатов и корректируется расчётная модель (уравнения подобия) по определению чисел Нуссельта и коэффициентов гидросопротивления. Полученные уравнения подобия сравниваются с уравнениями подобия для гладкостенных труб.
3. Критерии успешности проведённого эксперимента и выводы по его результатам
3.1. Критерии успешности эксперимента по теплопередаче:
удовлетворительно – если коэффициент теплопередачи испытуемого ТА выше коэффициента теплопередачи гладкостенного ТА не менее, чем в 1,5 раза
хорошо – если коэффициент теплопередачи испытуемого ТА выше коэффициента теплопередачи гладкостенного ТА не менее, чем в 2 раза
3.2. Критерии успешности эксперимента по гидравлическому сопротивлению теплообменника:
удовлетворительно – если рост коэффициента гидравлического сопротивления испытуемого ТА превышает рост его коэффициента теплопередачи более, чем в 2 раза,
хорошо – если рост коэффициента гидравлического сопротивления испытуемого ТА не превышает рост его коэффициента теплопередачи.
3.3. Критерии успешности эксперимента по устойчивости конструкции во внутритрубном пространстве определяются при заполнении обоих каналов водой и нагружением одного из каналов давлением.
Значения критериев успешности:
удовлетворительно – если трубная система выдерживает 100 нагружений c давлением в 50 бар
не удовлетворительно – если не выдерживает.
3.4. Критерии успешности эксперимента по устойчивости конструкции в межтрубном пространстве:
удовлетворительно – межтрубная система выдерживает 100 нагружений давлениемя 50 бар
не удовлетворительно – если не выдерживает.
3.5 Сравнение результатов теоретической оценки эффективности работы теплообменников с измеренными параметрами, полученными при испытаниях теплообменников.
Критерии успешности – отличие в температурах охлаждаемого газа не более чем на 3 °С.
3.6. После обработки результатов всех экспериментов делаются следующие выводы:
каковы значения усреднённых коэффициентов теплопередачи, и потерь давления для исследованных экспериментальных образцов по сравнению с гладкостенной трубной системой?
оценка возможности масштабирования исследованных экспериментальных образцов на большие расходы
рекомендации по проведению опытно-промышленных испытаний теплообменников для больших расходов.
Требования безопасности и охраны окружающей среды
9.1. При испытаниях должны быть соблюдены требования «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» ПБ 03-576-03, инструкции безопасности по ОТ и ТБ, а также действующих, инструкций по эксплуатации стенда, средств измерений и автоматики.
9.2. К испытаниям допускаются лица, достигшие 18-летнего возраста, прошедшие инструктаж по охране труда и технике безопасности в соответствии с требованиями ПБ 08-624-03, изучившие техническую документацию, правила эксплуатации и обслуживания технологических аппаратов, методы отбора проб, методы и методики выполнения измерений и обработки результатов испытаний.
9.3. Массовая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны в местах отбора проб и измерения параметров и методы контроля воздуха рабочей зоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.005-88.
9.4. Не допускается применение средств измерений, не прошедших поверку и аттестацию в сроки, установленные технической документацией.