Способ определения величины теплового потока

Способ определения величины теплового потока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) ЗаЯвлено 291076(2э)2415128/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 300378. Бюллетень № 12

Союз Советсник

Социалистичесинк

Республик (1э) 600402

2 (Ы) М. Кл.

401 J 5/38

Гэщнрн) Вннный ннмнт!т

CeIera МНННЕтРОВ ОВЙР

НЕ НЕЛНМ НЭОЙРЕ»НННЙ

Н атНРЫгнй (»э8) УДК 536.5 (088.8) (45) Дата опубликования описания 0404,78 (72) вторь»

А. Л. Парнас, И. А. Геллер . и H. В: Ан» они»ви»»

Ордена Трудового Красного Знамени институт тепло- и массообмена им. A.Â.Ëíêoâà (54) О»ПОООВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИ »ИНЫ

ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к области измерения тепловых потоков, например радиационных, путем измерения деформации стенки, через которую проходит этот поток и может быть использовано 5 в теплометрии, в особенности при измерении больших или быстро изменяющихся потбков . Оно может быть использовано и в некоторых специальных случаях, например, при визуализации полей тепl0 ловых потоков методом геологографической интерферометрии. Известны способы измерения теплового потока по измерению деформации изгиба, закрепленной по краям пластины tlj, а также по изгибу биметаллической пластины.

Эти методы требуют равномерного прогрева пластины как по длине, так и по толщине, принципиально пригодны Э1 только для стационарных измерений теплового потока. Деформация эакрепл ной по краям пластины зависит от величины ее средней температуры. из известных способов наиоолее олиэ-2 ким является способ определения величины теплового потока путем измерения деформации стенки под действием теплового потока (2) . Однако при этом точность показаний пластины сущест- 80 зависит о †." условий ее теплообмена с внешней средой. Кроме того, способ HP применим в тех случаях, когда толшина гластины изменяется во времени, например иэ-эа механического, химического или термического разрушения.

Целью изобретения является повышение точности и расширение области применения спосооа измерения тепловых потоков. Для этого в предлагаемом способе использовано свойство свободно-деформируемой стенки изгибаться под действием перепада температур по ее сечению, пропорционального тепловому потоку. Перепад температур создают путем отвода тепла с одной поверхности стенки, например, охлаждают водой или газом. Существенным отличием этого способа от метода измерения теплового потока путем измерения деформации пластины является то, что стенка .имеет возможность свободно деформироваться (расширяться при нагреве или сужаться при охлаждении), а причиной изгиба является только перепад температур по ее сечению. Деформация стенки не зависит от средней температуры в отличие от пластины, не имеющей воз.можности свободно деформироваться, 600402

20, t(g) - dt(8)

25

Lno,s

F * — о h в; (4) 30

40

2Г

При этом условия закрепления на краях . стенки могут быть различны. Величины деформации прогиба в напряжении стенки в зависимости от величины теплового потока могут быть вычислены, если известны условия теплообмена на поверхностях стенки и условия закрепления.

Пусть, например, на одной поверхности задан тепловой поток, а на второй происходит теплообмен с окружающей средой по закону Ньютона. Тогда перепад по сечению стенки во времени имеет вид

2 а 1 .Е (д) 1 2В (<„+ В )(1-

В-К,, Е (1)

Л В, С (В,++В .+ + ) .гдес — тепловой поток, теплопроводность стенки, У вЂ” толщина стенки, В„ — критерий Био, Fg — безразмерное время, б — коэффициент линейного расширения стенки, 8 — длина стенки.

Перепад температуры в стационарном состоянии из формулы (1): д1 (Ю)

cyd (2) сто.

Примем за деформацию изгиба стенки ее прогиб.

Если один из размеров стенки Е намного больше двух других и стенка закреплена с одного конца, то прогиб стенки, считая, что она изгибается преимущественно в одной плоскости под действием t(8 ), можно рассчитать по формуле: (е

7.=

2 Л (3) Иэ выражения (3) видно, что про гиб Z не зависит от толщины стенки и модуля упругости, т.е. механиче.ких свойств. Это позволяет, не снижая 45 чувствительности, осуществлять измерение нестационарных потоков датчиком из стенки малой толщины, а также измерять тепловой поток в условиях, когда толщина стенки и ее механичес- 50 кие свойства изменяются во времени, например иэ-за коррозии или других воздействий. !1рогиб Z не зависит от условий теплообмена стенки с окружающей средой, что является существенным преимуществом перед способом измерения потока по величине прогиба закрепленной равномерно нагреваемой пластины. Независимость прогиба Z от модуля Юнга E позволяет измерять тепловой поток, и тогда, когда материал стенки работает в области пластических деформаций, что расширяет диапазон измеряемых тепловых потоков, например, можно измерять большие тепловые потоки. существенным преимуществом предлагаемого способа является возможность дстижения малой инерционности. Время установления стационарного перепада температур по сечению стенки, как правило, меньше времени прогрева пластины. В качестве примера покажем это для стенки из тугоплавкого титанокобальтового сплава со следующими характеристиками: вт

Р 1мм; с(= n.774 we> " pp, грг к (коэфЛ =6 2B — фициент температуропроводности1.

Если на стенку падает тепловой поток 10 - -, то по формуле (2)yt (Д ) -16 С.

Рассчитаем время выхода перепада температур стенки на квазистационарный режим, т.е. время прогрева стенки

Относительная ошибка

Для малых В„(тонкая стенка) и Р >1 можно ограничиться только первым членом ряда в формуле (1). Тогда после несложных преобразований:

Если коэффициент тепло збмена стенки с окружающей средой 10 вт/м - град (охлаждение естественной конвекцией), тоВ, -1,6,1 0 4 . При ошибке измерения 1 =0,01, т.е. 1% =16. Иэ формулы

0I f

F =— р PZ время установления квазистационарного режима 4,4 10 с, т.е. тепловая инерционность стенки из титано-ъс кобальтового сплава равна 10

Рассчитаем прогиб и механическую инерционность стенки иэ титано-кобальтового сплава, если 8 20 мм, У 1 мм, Р 4,93:10 кг/мм. (плотность материала стенки), E = 4,6 10 кг/мм

Прогиб 7 по формуле (3) равен

0,5 мм.

МеханичЕскую инерционность можно рассчитать по формуле

3%28 (Е где ш — Ч вЂ”; — 12p

-частотт собственных колебаний консольной балки.

По формуле (5) Т 10 с.

Используя стенку малой толщины, можно изготовить малоинерционный дат чик.

На чертеже показана схема устройства для осуществлений предлагаемого способа..б00402 формула изобретения

Составитель A. кружилина

Редактор Н, Коляда Техред H Вабурка Корректор

1893/59 Тираж 831

Подписное

ЦНИЙПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

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

Оно содержит крепящее устройство 1, стенку 2, охладительное устройство 3, измерительное устройство 4. Измеряемый тепловой поток падает на датчик в виде стенки 2, которую закрепляют с 5 помощью крепящего устройства 1.

Если датчик предназначен для длительной работы, то с обратной стороны его охлаждают охладительным устройством 3. Под действием перепада темпера- р тур по сечению стенки она прогибается.

Величину прогиба стенки определяют с помощью измерительного устройства 4 (например, тензодатчика, емкостного конденсатора, оптического прибора) °

Зависимость теплофиэических характеристик стенок от температуры может быть учтена предварительно тарировкой датчика или стабилизацией температуры стенки путем охлаждения. 20

Способ определения величины теплового потока путем измерения деформации стенки, на которую падает тепловой по. ток, отличающийся тем, что с целью увеличения точности и расширения области применения,. создают перепад по сечению стенки, пропорциональную тепловому потоку, и измеряют. деформацию стенку, возникающую эа счет этого перепада.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Воробьев A. И., Кацнельсог О. Г.

Термобиметалл и его применение в приборостроении и автоматике, M.-Ë., Госэнергоиэдат, 19б1, с. 21.

2. Герацденко О. A. Основы теплометрии, Киев, Наукова Думка, 1971, с. 15.