СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01N25/18 G01K17/20 

Изобретения относятся к теплофизике и могут быть использованы для измерения величины коэффициента теплопередачи различных материалов.

Известен способ определения коэффициента теплопередачи (SU 1081504, G01N 25/18, опубл. 13. 09. 82), сущность которого заключается в том, что деталь помещают в расплавленный металл и при температуре кристаллизации продувают охлаждающей средой, фиксируя время продувки, затем вынимают, измеряют толщину образовавшейся корки металла и вычисляют коэффициент теплопередачи.

Недостатком способа является высокая трудоемкость и высокая погрешность определения коэффициента теплопередачи.

Наиболее близким по технической сущности в качестве прототипа был выбран способ измерения нестационарного теплового потока (SU №958880, G01K 17/08, опубл. 15. 09. 82), заключающийся в измерении величины теплового потока, проходящего через термочувствительный элемент датчика теплового потока, измерении температуры лицевой поверхности термочувствительного элемента и вычислении величины нестационарного теплового потока, в дополнительном измерении температуры обратной поверхности термочувствительного элемента, а величину нестационарного теплового потока определяют по формуле.

Недостатком способа является то, что при измерении существенно нестационарных тепловых потоков информация от основного термочувствительного элемента и вспомогательных устройств имеет случайную погрешность за счет наличия высокочастотной составляющей в суммарном сигнале.

Известно устройство для измерения нестационарного теплового потока, (SU №958880, G01K 17/08, опубл. 15. 09. 1982), содержащее датчик теплового потока с термочувствительным элементом, подключенным через усилитель к входу сумматора и закрепленным на его лицевой поверхности термоэлектрическим преобразователем.

Недостатком данного устройства является низкая точность определения величины теплового потока и коэффициента теплопередачи теплоизолированных ограждений, облицованных материалами с большим коэффициентом теплопроводности.

Известно устройство для определения коэффициента теплопередачи теплоизолированной поверхности (RU №2137098, G01K 17/08, опубл. 10. 09. 1999), принятое в качестве прототипа, содержащее теплоизолированный корпус, внутри которого размещены теплоэлектронагреватель, микроэлектровентилятор, чувствительный элемент терморегулятора, при этом выход теплоэлектронагревателя служит для подключения к электросчетчику, а электродвигатель, вентилятор и терморегулятор закреплены на внешней стороне теплоизолированного корпуса.

Недостатком такого устройства является то, что коэффициент теплопередачи определяется не по всей теплоизолированный поверхности и, кроме того, коэффициент теплопередачи определяется с высокой погрешностью.

Технический результат заключатся в увеличении точности определения коэффициента теплопередачи материалов.

Технический результат достигается тем, что в способе определения коэффициента теплопередачи материалов, заключающемся в измерении температуры поверхности исследуемого образца, в выемку теплоизолированного корпуса поочередно устанавливают два градуированных образца из того же материала, что и теплоизолированный корпус, причем толщина первого градуированного образца совпадает с толщиной стенок и днища теплоизолированного корпуса, толщина второго градуированного образца в два раза меньше толщины первого градуированного образца, далее воздействуют тепловым потоком на образцы, одновременно электровентилятором проводят охлаждение в климатической камере, определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материала теплоизолированного корпуса, после этого помещают в выемку теплоизолированного корпуса образец из различных исследуемых материалов, воздействуют на образец тепловым потоком, одновременно проводят охлаждение в климатической камере, определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материалов исследуемого образца по формуле:

где W - расход электроэнергии за расчетной период измерений, кВт⋅ч;

К₀ - средний коэффициент теплопередачи теплоизолированного корпуса без исследуемого образца материала, Вт/м²⋅К;

ΣF=F₀+F_и.о - общая средняя площадь теплоизолированного корпуса, м²;

F₀ - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса, м²;

F_и.о - площадь иследуемого образца, м²;

F_cp - среднегеометрическое значение площади теплоизолированного корпуса, м²;

τ - время расчетного периода, час;

t_н - средняя температура в климатической камере, °С;

t_вн - средняя температура внутри теплоизолированного корпуса, °С;

Технический результат достигается тем, что устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов, содержащее теплоизолированный корпус, внутри которого размещены электронагреватель, термопары, датчик терморегулятора и электровентилятор, при этом выход электронагревателя служит для подключения к электросчетчику, содержит климатическую камеру, внутри которой размещен теплоизолированной корпус с одинаковой толщиной боковых стен и днища, к внутренней стороне климатической камеры прикреплены электровентилятор и термостат, а теплоизолированный корпус в верхней части выполнен с выступами для размещения исследуемого образца.

На фиг. 1 представлено устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов.

На фиг. 2 представлено устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов с градуированным образцом толщиной δ.

На фиг. 3 представлено устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов с градуированным образцом толщиной 2δ.

На фиг. 4 представлено устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов с исследуемым образцом.

Устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов содержит климатическую камеру 1, к внутренней стороне которой прикреплен электровентилятор 2, термопары 3, внутри климатической камеры 1 располагается теплоизолированный корпус 4, включающий днище 5, боковые стены 6, в верхней части который выполнен с выступами для размещения исследуемого образца 7, внутри теплоизолированного корпуса 4 размещены электронагреватель 8, выход которого подключен к счетчику электроэнергии 9, и датчик терморегулятора 10, термостат 11 прикреплен к климатической камере 7. Электронагреватель 8, например, электрическая лампа 25 Вт, устанавливается таким образом, чтобы он равномерно нагревал внутреннюю часть теплоизолированного корпуса 4. Выходы термопар 3 могут быть подключены к входу ЭВМ.

Из полученных измерений получаем систему из двух уравнений для уточненного определения коэффициента теплопередачи материала теплоизолированного корпуса:

где - коэффициент теплопередачи К₀ боковых стен и днища теплоизолированного корпуса, Вт/м²⋅К; - коэффициент теплопередачи для первого градуированного образца толщиной 2δ мм, Вт/м²⋅К; - коэффициент теплопередачи, полученный для второго градуированного образца толщиной δ мм, Вт/м²⋅К; W - расход электроэнергии за расчетной период измерений, кВт⋅ч; τ - время расчетного периода, час; F_cp - среднегеометрическое значение площади теплоизолированного корпуса, м²; t_н - средняя температура в климатической камере, °С; t_вн - средняя температура внутри теплоизолированного корпуса, °С; λ - коэффициент теплопроводности материала теплоизолированного корпуса и исследуемого образца Вт/м⋅К; К₀=К_дн=К_бс - коэффициенты теплопередачи материала теплоизолированного корпуса, Вт/м²⋅К; F₀=4F_бс+F_дh - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса; F_и.о - площадь иследуемого образца, м²; α₁⁼α₂ - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²⋅К.

Средний коэффициент теплопередачи теплоизолированного корпуса К_ср рассчитывается по выражению:

где К_бс, К_дн,, К_и.о - коэффициенты теплопередачи соответственно боковых стен, днища теплоизолированного корпуса и иследуемого образца, Вт/м²⋅К;

F_бс, F_дн,, F_и.о - площадь соответственно боковых стен, днища теплоизолированного корпуса и иследуемого образца, м².

Так как днище и боковые стены теплоизолированного корпуса изготовлены из одного материала и, считая, что их коэффициенты теплопередачи равны К_дн=К_6с=К₀, формула (2) приводится к виду

здесь - средний коэффициент теплопередачи теплоизолированного корпуса без исследуемого образца; F₀=4F_бс+F_дн - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса.

Способ определения коэффициента теплопередачи материалов осуществляют следующим образом.

Климатическую камеру 7 подключают к источнику питания. В выемку 7 теплоизолированного корпуса 4 поочередно устанавливают два градуированных образца 12 из того же материала, что и теплоизолированный корпус 4, причем толщина первого градуированного образца 12 совпадает с толщиной стенок 6 и днища 5 теплоизолированного корпуса 4, толщина, второго градуированного образца в два раза меньше, чем толщина первого градуированного образца, затем воздействуют тепловым потоком на образцы электронагревателем 8, одновременно электровентилятором 2 проводят охлаждение в климатической камере 1, определяют разность температур термопарами 3 и расход электроэнергии по счетчику электроэнергии 9, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материала теплоизолированного корпуса 4, после этого помещают в выемку 7 теплоизолированного корпуса 4 образец из различных исследуемых материалов 12, воздействуют на образец 12 тепловым потоком, одновременно проводят охлаждение в климатической камере 1, определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материалов исследуемого образца 12. Определение коэффициента теплопередачи К₀ теплоизолированного корпуса 4 проводится с помощью двух градуированных образцов разной толщины из одного материала с боковыми стенами 6 и днищем 5, при этом толщина первого градуированного образца равна толщине боковых стен и днища теплоизолированного корпуса 4, а толщина другого градуированного образца уменьшена два раза, при этом коэффициент теплопередачи К₀ боковых стен и днища теплоизолированного корпуса 4 определяется по формуле:

где F₀ - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса, м²;

F_и.о - площадь иследуемого образца, м²;

λ - коэффициент теплопроводности материала теплоизолированного корпуса и исследуемого образца Вт/м⋅К; α₁=α₂ - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²⋅К.

- коэффициент теплопередачи для первого градуированного образца толщиной 2δ мм, Вт/м²⋅К;

- коэффициент теплопередачи, полученный для второго градуированного образца толщиной δ мм, Вт/м²⋅К;

Расчет коэффициента теплопередачи К_и.о материала исследуемого образца введется через коэффициент теплопередачи К₀ боковых стен и днища теплоизолированного корпуса по формуле:

где W - расход электроэнергии за расчетной период измерений, кВт⋅ч;

К₀ - средний коэффициент теплопередачи теплоизолированного корпуса без исследуемого образца, Вт/м²⋅К;

ΣF=F₀+F_и.о - общая средняя площадь теплоизолированного корпуса, м²;

F₀ - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса, м²;

F_и.о - площадь иследуемого образца, м²;

F_ср - среднегеометрическое значение площади теплоизолированного корпуса, м²;

τ - время расчетного периода, час;

t_н - средняя температура в климатической камере, °С;

t_вн - средняя температура внутри теплоизолированного корпуса, °С;

По сравнению с прототипом данный способ определения коэффициента теплопередачи материалов с помощью данного устройства позволяет повысить точность определения коэффициента теплопередачи материалов, погрешность измерения коэффициента теплопередачи материалов составляет 3%.

Изобретения относятся к теплофизике и могут быть использованы для измерения величины коэффициента теплопередачи различных материалов. Предложен способ определения коэффициента теплопередачи материалов, заключающийся в измерении температуры поверхности исследуемого образца, согласно которому в выемку теплоизолированного корпуса поочередно устанавливают два градуированных образца из того же материала, что и теплоизолированный корпус, причем толщина первого градуированного образца совпадает с толщиной стенок и днища теплоизолированного корпуса, толщина второго градуированного образца в два равна меньше толщины первого градуированного образца; далее воздействуют тепловым потоком на образцы, одновременно электровентилятором проводят охлаждение в климатической камере, определяют разность температур и расход электроэнергии; на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материала теплоизолированного корпуса, после этого помещают в выемку теплоизолированного корпуса образец из различных исследуемых материалов, воздействуют на образец тепловым потоком, одновременно проводят охлаждение в климатической камере; определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материалов исследуемого образца. Также предложено устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов, содержащее теплоизолированный корпус, внутри которого размещены электронагреватель, термопары, датчик терморегулятора и электровентилятор, при этом выход электронагревателя служит для подключения к электросчетчику. Устройство также содержит климатическую камеру, внутри которой размещен теплоизолированный корпус с одинаковой толщиной боковых стен и днища, к внутренней стороне климатической камеры прикреплены электровентилятор и термостат, а теплоизолированный корпус в верхней части выполнен с выступами для размещения исследуемого образца. Технический результат - увеличение точности определения коэффициента теплопередачи материалов. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения коэффициента теплопередачи материалов, заключающийся в измерении температуры поверхности исследуемого образца, отличающийся тем, что в выемку теплоизолированного корпуса поочередно устанавливают два градуированных образца из того же материала, что и теплоизолированный корпус, причем толщина первого градуированного образца совпадает с толщиной стенок и днища теплоизолированного корпуса, толщина второго градуированного образца в два равна меньше толщины первого градуированного образца, далее воздействуют тепловым потоком на образцы, одновременно электровентилятором проводят охлаждение в климатической камере, определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материала теплоизолированного корпуса, после этого помещают в выемку теплоизолированного корпуса образец из различных исследуемых материалов, воздействуют на образец тепловым потоком, одновременно проводят охлаждение в климатической камере, определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материалов исследуемого образца по формуле:

где W - расход электроэнергии за расчетной период измерений, кВт⋅ч;

К₀ - средний коэффициент теплопередачи теплоизолированного корпуса без исследуемого образца материала, Вт/м²⋅К;

ΣF=F₀+F_и.о - общая средняя площадь теплоизолированного корпуса, м²;

F₀ - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса, м²;

F_и.о - площадь иследуемого образца, м²;

F_cp - среднегеометрическое значение площади теплоизолированного корпуса, м²;

τ - время расчетного периода, час;

t_н - средняя температура в климатической камере, °С;

t_вн - средняя температура внутри теплоизолированного корпуса, °С.

2. Устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов, содержащее теплоизолированный корпус, внутри которого размещены электронагреватель, термопары, датчик терморегулятора и электровентилятор, при этом выход электронагревателя служит для подключения к электросчетчику, отличающееся тем, что содержит климатическую камеру, внутри которой размещен теплоизолированный корпус с одинаковой толщиной боковых стен и днища, к внутренней стороне климатической камеры прикреплены электровентилятор и термостат, а теплоизолированный корпус в верхней части выполнен с выступами для размещения исследуемого образца.