Устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущейся средой

Устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущейся средой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ РАЗДЕЛА ФАЗ И ДВИЖУЩЕЙСЯ СРЕДОЙ, содержащее тепломеры с идентичными поверхностями контакта их с движущейся средой, смонтированные на общей температуровыравнивающей пластине, отличаю-щ е е с я тем, что, с целью расширения области применения, на по-верхности одного из тепломеров, выполненных с равными термическими сопротивлениями , размещен плоский электронагреватель, соединенный последовательно с электронагревателем введенного термоэлектрического преобI разователя мощности, причем нагреватели и термоэлементы термобатарей W тепломеров и термоэлектрического преобразователя мощности выполнены из одинаковых материалов.

()9) (П)

3(5l) G 01 N 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHQMV СВИДЕТЕЛЬСТВ, б

Ф

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3442013/18-25 (22) 19. 05.82 (46) 30.11.83. Вюл. Р 44 .(72) О.A.Геращенко, Л.В.Декуша, Т.Г.Грищенко, С.A.Ñàæèíà и В.П.Сало (71) Институт технической теплофизики AH УССР (53) 536.24 (088.8) (56) 1. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М., Госиздат, 1954, с.183-194.

2. Декуша Л.В., Грищенко Т.Г., Геращенко О.A., Федоров В.Г. Устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи методом теплометрического моста. — Пром. теплоэнергетика, 3, 1981, Р 1, с.24-28.

3. Авторское свидетельство СССР

Ф 8бб462, кл. G 01 N 25/18, 1981 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ЛОКАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДА—

ЧИ МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ РАЗДЕЛА ФАЗ И

ДВИЖУЩЕЙСЯ СРЕДОЙ, содержащее тепломеры с идентичными поверхностями контакта их с движущейся средой, смонтированные на общей температуровыравнивающей пластине, о т л и ч а ю.щ е е с я тем, что, с целью ðàñширения области применения, на по-. верхности одного из тепломеров, выполненных с равными термическими сопротивлениями, размещен плоский электронагреватель, соединенный последовательно с электронагревателем введенного термоэлектрического преобразователя мощности, причем нагре- t0

И ватели и термоэлементы термобатарей тепломеров и термоэлектрического преобразователя мощности выполнены из одинаковых материалов.

1057829

Изобретение относится к -тепловым измерениям, а именно к исследованию параметров теплообмена между поверхностью раздела фаз и движущейся средой.

Известен альфакалориметр, идентичный по форме исследуемому объекту, в который вмонтирована термопара, второй спай которой размещен в движущейся среде.

Для определения коэффициента тепло- i8 отдачи альфакалориметр помешают в движущуюся среду, определяют темп регулярного охлаждения (нагрева) тела относительно температуры среды и по известным соотношениям определяют искомый коэффициент теплоотдачи („ll "-).

Область применения устройства ограничена из-за асимптотического характера зависимости между темпом охлаждения и коэффициентом теплоотдачи, а также предположения, что коэффициент теплоотдачи не зависит от ,разности температур. Вследствие низ1 кой точности этот способ пригоден только для оценочных экспериментов.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи, содержащее тепломеры с идентичными поверхностями контакта их с движущейся средой, размещенные на общей температуровыравнивающей пластине и отделенные друг от друга теплоизоляционным вкладышем (3} .

Недостатком устройства является невозможность задавать требуемое различие температур поверхностей тепломеров (Т -Т ) в зависимости от условий процесса теплообмена, исследуемого или контролируемого этим 40 устройством, что ограничивает обпасть применения условиями вынужденной конвекции.

Цель изобретения — расширение обпасти применения устройства за счет обеспечения возможности варьировать.= разностью между температурами поверхностей тепломеров.

Поставленная цель достигается тем, то в устройстве для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущейся средой, содержащем тепломеры с идентичными поверхностями контакта их с движущейся средой, смонтированные на общей температуровыравнивающей пластине, на поверхности одного из тепломеров, выполненных с равными термическими сопротивлениями, размещен плоский электронагреватель, 6О соединенный последовательно с элект- ронагревателем введенного термоэлектрического преобразователя мощности, причем нагреватели и термоэлементы термобатарей тепломеров и термоэлек= — 65 рического преобразователя мощности выполнены из одинаковых материалов.

На фиг,1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг.2 теплометрическая головка устройства для исследования конвективного теплообмена; на фиг.З вЂ” теплометрическая головка для исследования конвективнорадиационного теплообмена; на фиг.4 плоский термоэлектрический преобразователь мощности; на фиг.5 — цилиндрический термоэлектрический преобразователь мощности; на фиг.б схема размещения измерительной головки устройства на исследуемом объекте заподлицо с поверхностью; на фиг.7 — то же, непосредственно на поверхности исследуемого объекта.

Устройство (фиг.1) включает теплометрическую головку 1, термоэлектрический преобразователь 2 мощности и комплект вторичной аппаратуры 3.

Теплометрическая головка 1 содержит тепломеры 4, выполненные с равными термическими сопротивлениями)( смонтированные на температуровыравнивающей пластине 5. На омываемой движущейся средой поверхности одного из них размещен датчик б температуры, а другого — электрический нагреватель 7, соединенный последовательно с электрическим нагревателем 8„ содержащимся в термоэлектрическом преобразователе 2 мощности. Послед- ний содержит, кроме того, термоэлектрические батареи 9, контактирующие с одной стороны с электрическим нагревателем 8„ а с другой — с температуровыравнивающим элементом 10.

Теплометрическая головка 1 устройства может быть выполнена в двух модификациях: для исследования чисто конвективного теплообмена.(фиг.2) и для исследования конвективно-радиационного теплообмена (фиг.3).

В первом случае теплометрическая головка содержит тепломеры 4 (в частном случае могут быть выполнены с одинаковой чувствительностью, что позволит использовать дифференциальную схему включения), расположенные на общей температуровыравнивающей пластине 3„ Один из тепломеров снабжен датчиком б температуры, установленным на его поверхности, обращенной к движущейся среде, а другой плоским электронагревателем 7, выполненным из константана или манганина, который также смонтирован на поверхности, обращенной к движущейся среде. Нагреватель 7 и датчик 6 температуры защищены от воздействия среды защитной пленкой из окиси алюминия.

При исследовании конвективно-радиационного теплообмена, а также при исследовании процесса теплообмена между газом и поверхностью исполь-.уют

1057829 вторую модификацию устройства (фиг.3), в которую дополнительно введен тепломер 11 с термическим.сопротивлением и чувствительностью, равными этим характеристикам тепломеров 4, но отличающийся от них степенью черноты защитной пленки, нанесенной на его поверхность.

Термоэлектрический преобразователь

2 мощности может быть выполнен в виде двух модификаций: плоский (фиг.4) 1р и цилиндрический (фиг,5). Для устра.нения влияния температурных и тепловых условий на работу термоэлектрического преобразователя мощности он выполнен из двух дифференциально сое-15 диненных секций, разделенных между собой теплоизоляционным вкладышем 12, каждая из которых содержит термоэлектрическую батарею 9 и электрический нагреватель 8, один из которых соединен последовательно с электрическим нагревателем 7 теплометрической головки.

В плоской модификации (фиг.4) температуровыравнивающий элемент 10 выполнен в виде внешних пластин из высокотеплопроводного материала, а в цилиндрической модификации (фиг.5)в виде внешней цилиндрической оболочки, Плоская форма термоэлектрического преобразователя мощности (фиг.4) позволяет устанавливать его как на плоской. поверхности исследуемого объекта, так и в зоне расположения вторичной аппаратуры. В этой моди- 35 фикации термоэлектрического преобразователя все элементы, входящие в него, соединены между собой неразъемно, и поэтому в случае отказа одного из элементов весь блок приходит в 4р негодность. В связи с этим в некото-. рых случаях используют цилиндрическую модификацию термоэлектрического преобразователя мощности со сменными нагревателями 8 (фиг.5). 45

Термоэлектрический преобразователь мощности во второй модификации выполнения (фиг.5) размещают обычно в зоне установки вторичной аппаратуры.

Позициями 13 и 14 (фиг.4) соответственно обозначены исследуемый объект и клинья.

Устройство работает следующим образом.

На исследуемом объекте 13 (фиг.б) заподлицо с поверхностью устанавливают теплометрическую головку 1 в заранее подготовленное гнездо. Если установка заподлицо теплометрической головки 1 по каким-либо причинам 60 затруднена, то ее моЖно смонтировать непосредственно на поверхности ,объекта 13 (фиг.7)., на передней и после нее по направлению движения среды устанавливают специальные 65 клинья 14, выполненные из высокотеплопроводного материала и служащие для уменьшения искажения гидродинамики набегающего потока среды и теплового потока.

Термоэлектрический преобразователь

2 мощности необходимо устанавливать в одинаковых температурных условиях теплометрической головкой.

Исключением может быть только случай, когда измерительная головка работает в. Узком диапазоне измененйя температур, в котором коэффициент преобразования тепломеров 4 не зависит от температуры (для термоэлектрических тепломеров, выполненных на базе медноконстантановых термоэлементов этот диапазон ограничен

I о температурами -25 и 120 С).

В этом случае термоэлектрический преобразователь мощности 2 может находиться в температурных условиях работы вторичной аппаратуры.

Соединенные последовательно нагреватели теплометрической головки 1 и термоэлектрического преобразователя 2 мощности подключают к регулируемому источнику постоянного тока, контролируя силу тока по амперметру.

Выводы тепломеров 4, теплоэлектрических батарей 9 и датчика 6 температуры подключают к вторичной аппаратуре (в некоторых случаях) для контроля температурного режима термоэлектрического преобразователя 2 мощности в нем устанавливают дополнительный датчик температуры (не показан).

После установки измерительной го- ловки 1 на поверхность исследуемого объекта, подключения первичных пре- образователей к вторичной аппаратуре и нагревателей 7 и 8 к источнику тока устанавливают, изменяя силу тока, требуемую разность температур между поверхностями тепломеров 4, обусловленную условиями процесса теплообмена, и измеряют ТЭДС, генерируемые тепломерами 4, термоэлектрическими батареями 9 термоэлектрического преобразователя 2 мощности и датчиком 6 температуры.

Искомый коэффициент теплоотдачи определяют по формуле, р(q1 " (2) полученный из решения системы уравне-. ний

l 6.17829

Где qz — плотность тепловыделения плоского нагревателя 7; мощность, подводимая к нагревателю 7; площадь контакта нагревателя 7 с поверхностью теплометрическсй головки.

Из анализа уравнения (2) следует, что для определения величины о(, необходимо измерять плотность теплового потока, прошедшего через тепломеры 4„)0 а также плэтность тепловыделения плоского нагревателя 7.

В предлагаемом устройстве для определения величины ((2 — с() используют тепломеры 4 равной чувствитель- 15 ности, включенные дифференциально, при этом их разностный сигнал будет пропорционален разности плостностей теплового потока, прошедшего через них

%<2, К(Е,-(,,>= >e,„, (З) причем следует заметить„ что коэффициент преобразования Ц тепломеров 4 зависит в общем случае от температуры, поэтому измерение величины мощности Й, с помощью ваттметра ухудшает характеристики устройства из-за необходимости учета зависимос. ти коэффициента преобразования теп- ЗО ломеров 4 от температуры и необходимости иметь еще один вторичный прибор для измерения малых значений мощности, высокого класса точности, что приводит к удорожанию экспери- g5 мента. Температурную зависимость ко. эффициента К можно не учитывать, если прибор для измерения величины имеет. ту же температурную зависимость, что и те11ломеры. Поэтому в устройство для измерения величины введен термоэлектрический преобразователь 2 мощности, термоэлектрические батареи 9 и нагреватели 8, которые выполнены из тех же материалов, что и термоэлектрические батареи тепломеров 4 и нагреватель 7.

Так как нагреватель 7 теплометрической головки 1 соединен с нагревателем 8 термоэлектрического преобразователя 2 мощности последовате- 5О лько, то сила тока 31 „ проходящего через нагреватель 7, будет равна силе тока 32, проходящего через нагреватель 8 (Д1=32= Д ). Поэтому отношение выделенных этими нагревателя- 55 ми мощностей W,, и %2 равно отношению электрических сопротивлений нагревателей

%1 (г

При работе нагревателя 8 в термоэлектрической батарее 9 генерируется

ТЕДО t,y3I1 пропорционально выделяемой .цощносстй

2 1311 > 311 данной зависимости для плотности тепловыделения в нагревателе 7 " @2 1 1 К1зп тэп

2 1 2 (4) Объединив (3) и (4), получим рабочую формулу для устройства которая с учетом температурной зависимости теплопроводности тепломера

2 = (1+Вт) теплометрической головки имеет вид (1+ +8v), 1Э 3i, ) И где ц, — толщина тепломера 4; — постоянная устройства, учитывающая соотношение ме><ду электрическими сопротивлениями нагревателей, коэффициентами теплометрической головки и термоэлектрического преобразователя мощности и площадь нагревателя;

)12,1- теплопроводность тегломеров теглометрической головки при комнатной температуре.

Величина A не зависит от температуры, если нагреватели выполнены из одинакового материала .либо с незначительной зависимостью его электрического сопротивления от температуры, например, из константана), тепломеры теплометрической головки и термоэлектрическая батарея преобразователя мощности изготовлены из одинаковых термоэлектрических материалов и теплометрическая головка с преобразователем мощности находятся при одинаковых температурах. В противном случае необходимо учитывать зависимость величины А от темпера т у р ы

При исследовании локального конвективного теплообмена кроме коэффициента теплоотдачи необходимо определять температуру среды т.ср и невозмущенный наличием теплометрической головки тепловой поток Ч, .

Температуру среды, соответствующую адиабатной температуре стенки, определяют по формуле (: = — 1

Ср

Значение температуры поверхности тепломера 1 измеряют с помощью термопары б. Коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формуле Ньютона

Рихмана, при использова11ии в качест— ве температуры среды адиабатной темпе1057829 ратуры стенки не зависит от температурной предыстории набегающего потока и его величина определяется исключительно гидродинамикой набегающего потока среды. Это позволяет определить плотность теплового потока на поверхности исследуемого объекта, невозмущенного наличием измерительной головки, в точке, находящейся в одинаковых гидродинамических условиях с ней, при условии 1О одинаковой температурной предыстории .набегающего потока, если есть возможность измерить в этой точке температуру поверхности 6х . В этом случае искомый тепловой поток опре- )5 деляют по формуле (б)

Из анализа формулы (6) следует, что использование предлагаемого устройства при исследовании кон- . вективного теплообмена позволяет довольно просто учитывать искажения плотности теплового потока, вносимые наличием измерительной головки на по- 5 верхности раздела фаз.

Для исследования. конвективно-ра-. диационного теплообмена применяется вторая модификация теплометрической головки (фиг,2б), в которую введен 30 дополнительный тепломер 11. Степень черноты поверхности, обращенной к движущейся газовой среде, дополнительного тепломера выполнена контрастной по сравнению со степенью 35 черноты поверхностей тепломеров 4.

Подготовка к работе этой модификации аналогична описанной выше.

Рабочие формулы для искомых веЛичин, характеризующих конвективнорадиационный теплобмен, выводятся из соответствующих уравнений.

Величина плотности теплового потока может быть рассчитана по зависимостям (7) и (8), если известна степень черноты поверхности и температуры в этой точке при условии, что она находится в одинаковых гидродинамических условиях с измерителЬной головкой, а тепловая предыстория набегающего потока в зоне установки устройства и в точке замера температуры одинакова (P< g<) б о.), 4 (>) или

Из анализа формул(б) и (7) сле-. дует, что устройство может быть ис-. пользовано для измерения плотности теплового потока как при конвектив.ом, так и конвективно-радиационном теплообмене. Поскольку имеется возможность учета локального искажения плотности теплового потока, вносимые устройством при расположении его на поверхности исследуемого объекта с теплофизическими характеристиками, отличными от теплофизических,характеристик устройства, измерения являются более корректными, чем у прототипа.

Положительный эффект от внедрения предлагаемого устройства достигается за счет обеспечения варьирования разности температур между поверхностями тепломеров, омываемых движущей- ся средой от нуля до любого требуемого значения, что позволяет использовать устройство как для случая вынужденной конвекции, так и. для теплообмена в условиях естественной конвекции, где на формирование гидродинамического пограничного слоя оказывает влияние разность температур между поверхностью и движущейся средой.

Преобразователь мощности в предлагаемом устройстве позволяет исключить погрешность, связанную с зависимостью сопротивления нагревателей 7 и 8 и чувствительности тепломера 4 и термоэлектрической батареи 9 от температуры, Использование в предлагаемом устройстве для измерения мощности преобразователя приводит к расширению температурного диапазона использования устройства.

1057829

Фиг. 1

1057829

1057829

f0

Составитель В.Эайченко

Редактор Н.Безродная Техред С.Легеза Корректор А.Ильин

Заказ 9575/45 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4