Identyfikacja nieustalonych stanów cieplno-wytrzymałościowych oraz warunków brzegowych na powierzchniach wewnętrznych ciśnieniowych elementów kotłów
Authors:
- Magdalena Jaremkiewicz
Abstract
In the monograph, new methods of identifying transient thermal stresses in thick-walled pressure elements were developed. In the first method presented thermal stresses are determined based on known temperature distribution in the element wall. The temperature field is determined using the inverse marching method based on measuring the temperature of the outer surface or inside the wall of the thick-walled element. The analyzed cases concerned the determination of one-, two- and three-dimensional unsteady temperature fields. This method is suitable for simple-shape pressure elements without holes and in a quasi- or transient states. Calculation of thermal stresses in pressure elements with holes, or determining the rate of heating or cooling of pressure elements requires knowledge of the heat transfer coefficient on the inner surface of the element. For such situations, two new methods for identifying thermal stresses were developed. In the first approach, thermal stresses are determined on the basis of the known time variations of fluid temperature and the heat transfer coefficient on the inner surface of the pressure element, which is determined from the solution of the inverse problem formulated for the component wall. To determine the heat transfer coefficient, it is necessary to accurately measure the temperature of the fluid flowing inside the element. The work presents two methods for determining the transient temperature of high-pressure fluid. In the first method, the thermometer is considered as the first- or second-order inertia device, whereas in the second the massive cylindrical thermometer is treated as a full cylinder, and the fluid temperature is determined by solving the inverse problem. The second method of measuring the fluid temperature required the design of a new thermometer construction. The heat transfer coefficient on the inner surface can be calculated using formulas available in the literature. This approach may be imprecise due to the low accuracy of heat transfer correlations taken from literature. For this reason, a new method for determining thermal stresses based on the simultaneous experimental determination of the heat transfer coefficient and the temperature of the fluid was developed. The heat transfer coefficient is determined experimentally by simultaneous temperature measurement on the outer surface or inside the pressure element wall and the fluid temperature with a thermometer with a massive housing. Based on the experimentally determined heat transfer coefficient and fluid temperature, thermal stresses in the wall of the thick-walled element can be calculated easily using commercial finite element programs. The algorithms and programs for determining the temperature distribution in the wall of a thick-walled element, the heat transfer coefficient on the inner surface of the element and transient temperature of the fluid were developed which are suitable for online applications. In addition to computational tests used to validate the methods developed, experimental studies were carried out to illustrate the effectiveness and accuracy of the developed methods in the laboratory and industrial conditions.
- Record ID
- CUTa612cc5cb4524fefbe96b130e0a4195f
- Book type
- Monograph
- Book categories
- ;
- Author
- Other contributor
- Corporate author
- Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki
- Publisher (including from the ministerial list of publishers)
- Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki
- Publisher name (outside publisher list)
-
Wydaw. PK
- Publishing place (Publisher address)
- Kraków
- Pages
- 166
- ISBN
-
978-83-65991-04-1
- Issue year
-
2018
- Book series /Journal (in case of Journal special issue)
- Monografie Politechniki Krakowskiej. Mechanika
- Other elements of collation
- il. (w tym kolor.); Bibliografia (na s.) - 156-162; Bibliografia (liczba pozycji) - 97; Oznaczenie streszczenia - Streszcz., Summ., Zsfassung
- Keywords in Polish
- nieustalone naprężenia cieplne, pomiar nieustalonej temperatury, elementy ciśnieniowe
- Abstract in Polish
- W pracy opracowane zostały nowe metody identyfikacji nieustalonych naprężeń cieplnych w grubościennych elementach ciśnieniowych. W pierwszej opisanej metodzie naprężenia cieplne wyznaczane są na bazie znanego rozkładu temperatury w ścianie elementu. Jest on określany na podstawie pomiaru temperatury powierzchni zewnętrznej lub wewnątrz ściany elementu grubościennego, z wykorzystaniem odwrotnej metody kroczącej. Analizowane przypadki dotyczyły wyznaczania jedno-, dwu- i trójwymiarowego nieustalonego pola temperatury. Metoda ta jest właściwa dla elementów ciśnieniowych o prostych kształtach, nieosłabionych otworami i quasi-stacjonarnego lub nieustalonego pola temperatury. Obliczanie naprężeń cieplnych w elementach ciśnieniowych osłabionych otworami lub określanie szybkości nagrzewania bądź ochładzania elementów ci- śnieniowych wymaga znajomości współczynnika wnikania ciepła na powierzchni wewnętrznej elementu. Dla takich przypadków opracowano dwie nowe metody identyfikacji naprężeń cieplnych. W pierwszym podejściu naprężenia określane są na podstawie znanego przebiegu temperatury czynnika oraz współczynnika wnikania ciepła na wewnętrznej powierzchni elementu ciśnieniowego, który wyznaczany jest z rozwiązania zagadnienia odwrotnego sformułowanego dla ścianki elementu. W celu poprawnego wyznaczenia współczynnika wnikania ciepła konieczny jest dokładny pomiar temperatury czynnika przepływającego wewnątrz elementu. W pracy przedstawiono dwie metody określania nieustalonej temperatury płynu o wysokim ciśnieniu. Jedna z nich polega na tym, że termometr modelowany jest jako obiekt inercyjny I-go lub II-go rzędu, natomiast w drugiej masywny cylindryczny termometr traktowany jest jako pełny cylinder, a temperatura płynu wyznaczana z rozwiązania zagadnienia odwrotnego. Drugi sposób pomiaru temperatury płynu wymagał zaprojektowania nowej konstrukcji termometru. Współczynnik wnikania ciepła na powierzchni wewnętrznej elementu grubościennego może być obliczony za pomocą wzorów dostępnych w literaturze. Takie podejście może być jednak niedokładne ze względu na małą dokładność korelacji literaturowych na współczynnik wnikania ciepła. Z tego powodu opracowano nową metodę wyznaczania naprężeń cieplnych na bazie jednoczesnego eksperymentalnego wyznaczania współczynnika wnikania ciepła i temperatury płynu. Współczynnik wnikania ciepła wyznaczany jest eksperymentalnie na podstawie równoczesnego pomiaru temperatury na zewnętrznej powierzchni lub wewnątrz ściany elementu ciśnieniowego i temperatury płynu termometrem o masywnej osłonie. Opierając się na wyznaczonym doświadczalnie współczynniku wnikania ciepła i temperatury płynu, naprężenia cieplne w ścianie elementu grubościennego mogą być obliczone z wykorzystaniem programów komercyjnych. Opracowano algorytmy i programy do wyznaczania rozkładu temperatury w ścianie elementu grubościennego, współczynnika wnikania ciepła na powierzchni wewnętrznej elementu oraz nieustalonych przebiegów temperatury czynnika, odpowiednie do zastosowań w trybie on-line. Oprócz testów obliczeniowych, służących do weryfikacji opracowanych metod, przeprowadzono badania eksperymentalne ilustrujące efektywność i dokładność opracowanych metod w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych.
- Abstract in original language
- In der Monographie wurden neue Methoden zur Ermittlung instationärer thermischer Spannungen in dickwandigen Druckelementen entwickelt. In der ersten vorgeschlagenen Methode werden thermische Spannungen auf Grundlage der bereits bekannten Temperaturverteilung in der Elementwand bestimmt. Das Temperaturfeld wird unter Verwendung der Inverse Marching Method bestimmt, wobei man sich hierfür auf die Messung der Temperatur der äußeren Oberfläche oder innerhalb der Wand des dickwandigen Elements stützt. Die analysierten Fälle betrafen die Bestimmung von ein-, zwei- und dreidimensionalen instationären Temperaturfeldern. Diese Methode eignet sich für einfach geformte Druckelemente ohne Löcher und in transienten bzw. quasi-transienten Zuständen. Die Berechnung von Wärmespannungen in Druckelementen mit Löchern oder die Bestimmung der Erwärmungs- oder Abkühlrate von Druckelementen erfordert die Kenntnis des Wärmeübertragungskoeffizienten auf der inneren Oberfläche des Elements. Für solche Konstellationen wurden zwei neue Methoden zur Ermittlung thermischer Spannungen entwickelt. Bei dem ersten Ansatz werden thermische Spannungen auf der Grundlage der bekannten zeitabhängigen Änderungen der Fluidtemperatur und des auf der inneren Oberfläche des Druckelements vorliegenden Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt, der aus der Lösung des inversen Problems, das für die Bauteilwand formuliert ist, ermittelt wird. Um den Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen, ist es notwendig, die Temperatur des in dem Element fließenden Fluids genau zu messen. Die Arbeit stellt zwei Verfahren zur Bestimmung der zeitabhängigen Temperatur vom Hochdruckfluid vor. Bei dem ersten Verfahren wird das Thermometer als Trägheitsvorrichtung erster oder zweiter Ordnung betrachtet, während in der zweiten das massive zylindrische Thermometer als voller Zylinder behandelt wird und die Fluidtemperatur durch Lösen des inversen Problems bestimmt wird. Die zweite Methode zur Messung der Flüssigkeitstemperatur erforderte den Entwurf einer neuen Thermometerkonstruktion. Der Wärmeübergangskoeffizient an der inneren Oberfläche kann unter Verwendung von in der Literatur verfügbaren Formeln berechnet werden. Dieser Ansatz kann aufgrund der geringen Genauigkeit, die Wärmeübertragungskorrelationen aus der Literatur aufweisen, ungenau sein. Aus diesem Grund wurde ein neues Verfahren zur Bestimmung thermischer Spannungen basierend auf der gleichzeitigen experimentellen Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten und der Temperatur des Fluids entwickelt. Der Wärmeübergangskoeffizient wird experimentell durch gleichzeitige Temperaturmessung an der Außenfläche oder innerhalb der Druckelementwand und die Fluidtemperatur mit einem Thermometer mit einem massiven Gehäuse bestimmt. Mit Hilfe der experimentell bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten und der Fluidtemperatur können Wärmespannungen in der Wand des dickwandigen Elements unter Verwendung von kommerziellen Finite-Elemente-Programmen leicht berechnet werden. Die Algorithmen und Programme zur Bestimmung der Temperaturverteilung in der Wand eines dickwandigen Elements, des Wärmeübergangskoeffizienten auf der inneren Oberfläche des Elements und der Übergangstemperatur des Fluids wurden entwickelt, die für Online-Anwendungen geeignet sind. Zusätzlich zu den rechnerischen Tests, die zur Validierung der entwickelten Methoden verwendet wurden, wurden experimentelle Studien durchgeführt, um die Wirksamkeit und Genauigkeit der entwickelten Methoden unter Labor- und industriellen Bedingungen zu demonstrieren.
- Language
- pol (pl) Polish
- Score (nominal)
- 80
- Uniform Resource Identifier
- https://cris.pk.edu.pl/info/book/CUTa612cc5cb4524fefbe96b130e0a4195f/
- URN
urn:pkr-prod:CUTa612cc5cb4524fefbe96b130e0a4195f
* presented citation count is obtained through Internet information analysis, and it is close to the number calculated by the Publish or PerishOpening in a new tab system.