Способ охлаждения датчика теплового потока и устройство для охлаждения датчика теплового потока Российский патент 2024 года по МПК G01K17/20 

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для измерения тепловых потоков на поверхности различных объектов, в частности, при измерении нестационарных тепловых потоков в условиях воздействия аэродинамических нагрузок при проведении как летно-конструкторских, так и наземных тепловых и теплопрочностных испытаний элементов конструкции скоростных летательных аппаратов и объектов космической техники, а также для управления тепловыми потоками при проведении испытаний.

Известны различные способы оценки высокоинтенсивного теплового излучения, основанные на использовании датчиков теплового потока. Анализ научных публикаций показал, что в научных исследованиях при измерении плотности высокоинтенсивных тепловых потоков применяются, в основном, способы, основанные на схеме датчика Гордона, например, датчики теплового потока, описанные в работе: С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, А.В. Митяков, Градиентные датчики теплового потока, СПб., Изд. СПбГПУ,2003, 168с., а также патентах и авторских свидетельствах: патент CN 201320830684 опубл.30.07.2014; А.с. СССР № 892232 опубл. 23.12.1981; А.с. СССР № 705281 опубл. 25.12.1979; патент РФ № 2737681 МПК G01K 17/20 опубл. 19.09.2020; патент РФ № 2700726 опубл. 19.09.2019.

Для сохранения работоспособности датчиков и требуемой точности измерений высокоинтенсивных тепловых потоков, а также увеличения времени работы датчиков, как правило, применяются различные способы охлаждения как самих датчиков, так и различных вспомогательных устройств, используемых для охлаждения не охлаждаемых датчиков.

Известна конструкция и способ охлаждения датчика теплового потока, в которой реализуется охлаждение методом теплоотвода за счет высокой массы корпуса датчика, изготовленного из металла с высокой теплоемкостью и теплопроводностью (Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т.1 (кн. 1) / Под общ. Ред. Ю.Н. Коптева; Под ред. Е.Е. Багдатьева, А.В. Гориша, Я.В. Малкова. - М.; ИПРЖР, 1998. - 458 с.: ил. стр. 364-366, рис. 3.242). Описываемый датчик теплового потока модели ФОА 013-03 выполняется в двух вариантах: с корпусами массой 100г и 200г, имеющих различную теплоемкость, которая обусловлена двумя рекомендуемыми измеряемыми величинами интегральных тепловых потоков.

Недостатком является малое время работы датчика и ограничение измеряемого интегрального теплового потока, лимитированные массой корпуса датчика. Также, при проведении летно-конструкторских испытаний имеются жесткие ограничения по массе измерительного оборудования, которые противоречат увеличению теплоемкости и, соответственно, массы датчика.

Известен также водоохлаждаемый датчик теплового потока, в котором охлаждение реализовано за счет циркуляции охлаждающей воды внутри полости, которая расположена в корпусе датчика (CN 203745106U «Датчик теплового потока с жидкостным охлаждением», МПК G01K 17/00; G01K 7/02, опубл. 30.07.2014). Датчик имеет патрубки для подвода и отвода охлаждающей воды.

Недостатком являются большой вес и габариты датчика и охлаждающей водяной системы, что крайне ограничивает его использование при проведении летно-конструкторских испытаний.

Наиболее близким по технической сущности является техническое решение по патенту РФ № 2791676 «Охлаждаемый датчик теплового потока», (МПК G01 K17/00; G01 K7/02; H01 K7/20, опубл. 13.03.2023, Бюл. №8). Охлаждаемый датчик теплового потока выполнен по схеме Гордона. ДТП и устройство его охлаждения выполнены как отдельные элементы с возможностью их сборки в единое целое. Устройство охлаждения имеет внутреннюю полость, по которой циркулирует охлаждающая жидкость, в качестве которой может использоваться вода. Для подвода и отвода воды имеются подводящий и отводящий патрубки. Также устройство охлаждения может быть выполнено и без камер охлаждения из двух цилиндрических частей из материала с высокой теплопроводностью, причем части монтируются на медную трубку, через которую протекает охлаждающая жидкость.

Недостатком этого технического решения является сложность конструкции, большой вес и размеры ДТП и устройства для его охлаждения. Для наземных испытаний в качестве охлаждающей жидкости используется вода, которая, как правило, отбирается из сетевой системы водоснабжения. Для проведения летно-конструкторских испытаний такая система не пригодна, поскольку на борту летательного аппарата нет возможности размещения запасов охлаждающей жидкости и системы для ее подачи к ДТП.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании способа охлаждения датчика теплового потока и устройства для охлаждения датчика теплового потока, которые обеспечат надежное охлаждение при малых объемах теплоносителя, малый вес и габариты, а также возможность их применения при проведении летно-конструкторских испытаний.

Указанный технический результат достигается тем, что представлены:

1. Способ охлаждения датчика теплового потока (ДТП), включающий охлаждение ДТП за счет теплоотвода при поглощении теплоты для (при) нагревания охлаждающего вещества, отличающийся тем, что охлаждающее вещество поэтапно проводят через несколько агрегатных состояний, где на первом этапе охлаждающее вещество нагревают до температуры плавления, на втором этапе нагревают охлаждающее вещество до температуры кипения, а на третьем этапе испаряют охлаждающее вещество, причем в качестве охлаждающего вещества используют кадмий, цинк или их сплавы.

2. Устройство для охлаждения ДТП, в состав которого входит полый корпус из металла с высокой теплопроводностью и высокой теплоемкостью, приспособление для совмещения с ДТП, отличающееся тем, что полый корпус заполнен твердым охлаждающим веществом с обеспечением возможности его плавления и испарения при нагревании устройства и снабжен окнами из пористой и не смачиваемой охлаждающим веществом керамики, а в качестве охлаждающего вещества используют кадмий, цинк или их сплавы.

Для обоснования принципа работы способа охлаждения ДТП и устройства для охлаждения ДТП показана расчетная схема (фиг.3) для упрощенного теплового расчета, где:

А) - расчетная схема полого замкнутого корпуса устройства охлаждения ДТП с оболочкой из меди, полость которого заполнена медью (монолитный вариант). К корпусу подводится тепло в виде теплового потока. В результате тело, показанное на рис. А, нагревается до температуры плавления меди (1083°С) и, далее, разрушается (расплавляется), т.е. количество теплоты, необходимое для разрушения медного тела А равно:

Q_A = Q _{пл. меди А} + Q _{пл. медной оболочки} (1)

где Q _{пл. меди А} - тепло затраченное на расплавление меди внутри полости медного корпуса;

Q _{пл. меди оболочки} - тепло затраченное на расплавление медной оболочки корпуса.

Для упрощения расчетов считается, что медные оболочки тела А и тела Б имеют одинаковые размеры, при этом допускается, что масса оболочек незначительна, поскольку толщина медных оболочек бесконечно тонкая и стремится к нулю. Поэтому теплотой, потраченной на расплавление медных оболочек корпусов А и Б можно пренебречь.

Теплофизические свойства меди и кадмия широко приведены в технической литературе, например (В.Эспе «Технология электровакуумных материалов» Т.1, стр.391, таб.7-6-1, государственное энергетическое издательство, Москва. 1962, Ленинград).

Для упрощения расчетов считается, что объемы меди или кадмия, заполняющих полости, равны 1 см³. Расчеты показывают, что тепло, затраченное на расплавление 1 см³ меди равно:

Q_A = Q _{пл. меди А} = λ _{пл.уд. меди}×ρ_меди×V_меди (2)

где: λ _{пл.уд.меди} = 50,6 кал. /г - удельная теплота плавления меди;

ρ_меди = 8,9 г/см³ - плотность меди; V_меди = V _кадмия = V = 1 см³ - одинаковый объем меди или кадмия.

Исходя из этого:

Q_A = Q _{пл. меди А} = 450,34 кал. (3)

Б) - расчетная схема полого замкнутого корпуса с оболочкой из меди устройства охлаждения ДТП, полость которого заполнена кадмием. К корпусу подводится тепло в виде теплового потока. В результате тело, показанное на рис. Б, вначале нагревается до температуры плавления кадмия (321°С), затем до точки кипения кадмия (765°С) и, далее, происходит дальнейшее поглощение теплоты, расходуемой на парообразование кадмия и его испарение. Пока масса кадмия полностью не испарится, температура тела не поднимется выше 765°С. После полного испарения кадмия, температура медной оболочки поднимется да температуры плавления меди (1083°С), что приведет к ее разрушению (расплавлению).

Количество теплоты, необходимое для разрушения составного тела Б равно:

Q_Б = Q _{пл. кадмия}+ Q_{кип. кадмия} + Q _{исп. кадмия} + Q _{пл. медной оболочки} (4)

Как было указано выше тепло, потраченное на расплавление оболочки, для упрощения не рассматривается. Таким образом:

Q _{пл. кадмия} = λ _{пл.уд.кадмия} ×ρ _кадмия×V_кадмия;

Q_{кип. кадмия} = λ _{кип.уд. кадмия} ×ρ _кадмия×V_кадмия;

Q _{исп. кадмия} = λ _{исп.уд. кадмия} ×ρ _кадмия×V_кадмия;

где - λ _{пл.уд. кадмия} = 13,2 кал. /г -удельная теплота плавления кадмия;

λ _{кип. уд.кадмия} = 24,46 кал. /г -удельная теплота кипения кадмия;

λ _{исп.уд. кадмия} = 286,4 кал. /г - удельная теплота парообразования кадмия;

ρ _кадмия = 8,65 г/см³- плотность кадмия;

V_кадмия = V _меди = V = 1 см³ - одинаковый объем меди или кадмия.

Тогда количество теплоты, необходимое для разрушения составного тела Б после подстановки в (4) численных значений переменных принимает вид:

Q_Б = Q_кадмия = 114,18 кал. +211,66 кал. + 2477,36 кал. = 2900,2 кал. (5)

Из числовых значений (3) и (5) получается величина коэффициента эффективности охлаждения:

К_эф. = Q_кадмия / Q _{пл. меди} = 2900,2 кал. / 450,34 кал. = 6,44. (6)

Из высокого значения коэффициента эффективности видно, что на испарение 1 см³ кадмия требуется тепла многократно больше, чем на расплавление 1 см³ меди, что подтверждает эффективность предложенного способа охлаждения ДТП.

Пример реализации предлагаемого технического решения иллюстрируется на фиг. 1, 2, 3.

На фиг.1 показано устройство для охлаждения ДТП, совмещенное со стандартным не охлаждаемым ДТП по схеме Гордона до начала нагрева.

На фиг. 2 показано устройство для охлаждения ДТП и ДТП при воздействии на них теплового потока.

На фиг. 3 показан показана упрощенная схема для теплового расчета.

Не охлаждаемый ДТП по схеме Гордона (фиг.1) имеет медный корпус 1, на входном торце которого имеется тепловоспринимающий элемент (ТВЭ) в виде константанового диска 2 и центрального медного электрода 3. Другой медный электрод 4 припаян к корпусу1. В осевом канале ДТП размещены теплоизолирующая втулка 5, изолятор 6, колодка 7 для вывода электродов и керамический изолятор 8. Полый корпус 9 устройства охлаждения ДТП совмещен с ДТП посредством резьбы10. В полости устройства охлаждения размещено твердое охлаждающее вещество 11 и дополнительная газовая полость 12. Полость полого корпуса 9 устройства охлаждения снабжено окнами 13 из газопроницаемой керамики. Полость 12 может быть заполнена как воздухом, так и технологическим газом, например, смесью аргона и водорода. Технологический газ требуется для замедления процесса окислообразования внутри полого корпуса 9, поскольку окислы металлов, как правило, являются тугоплавкими и могут негативно влиять на испарение охлаждающего вещества 9 сквозь керамические окна 13. В случае, если емкость заполнена технологическим газом, внешняя поверхность окон 13 покрыта защитной пленкой 14, препятствующей диффузии технологического газа сквозь газопроницаемую керамику окон 13 в окружающую атмосферу при длительном хранении. Защитная пленка 14 при воздействии теплового потока полностью испаряется без образования шлаков. Для нанесения пленки 14 может применяться, например, 1,5% раствор нитроцеллюлозы в амилацетате. При нагреве устройства охлаждения ДТП твердое охлаждающее вещество переходит в жидкое 15 состояние и, далее, в парообразное 16 (фиг.2).

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности и ресурса непрерывной работы ДТП в тепловых потоках высокой интенсивности за счет более эффективного охлаждения, снижение размеров и массы измерительного устройства, что расширяет возможность применения ДТП при летно-конструкторских испытаниях.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для измерения тепловых потоков на поверхности различных объектов. Способ охлаждения датчика теплового потока (ДТП) включает охлаждение ДТП за счет теплоотвода при поглощении теплоты для нагревания охлаждающего вещества. Охлаждающее вещество поэтапно проводят через несколько агрегатных состояний, где на первом этапе охлаждающее вещество нагревают до температуры плавления, на втором этапе нагревают охлаждающее вещество до температуры кипения, а на третьем этапе испаряют охлаждающее вещество. В качестве охлаждающего вещества используют кадмий, цинк или их сплавы. Устройство для охлаждения ДТП включает полый корпус из металла с высокой теплопроводностью и высокой теплоемкостью и приспособление для совмещения с ДТП. Технический результат заключается в обеспечении малый вес и габариты ДТП, его простоту и надежность охлаждения, а также возможность их применения при проведении летно-конструкторских испытаний. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ охлаждения датчика теплового потока (ДТП), включающий охлаждение ДТП за счет теплоотвода при поглощении теплоты для нагревания охлаждающего вещества, отличающийся тем, что охлаждающее вещество поэтапно проводят через несколько агрегатных состояний, где на первом этапе охлаждающее вещество нагревают до температуры плавления, на втором этапе нагревают охлаждающее вещество до температуры кипения, а на третьем этапе испаряют охлаждающее вещество, причем в качестве охлаждающего вещества используют кадмий, цинк или их сплавы.

2. Устройство для охлаждения ДТП, в состав которого входит полый корпус из металла с высокой теплопроводностью и высокой теплоемкостью, приспособление для совмещения с ДТП, отличающееся тем, что полый корпус заполнен твердым охлаждающим веществом с обеспечением возможности его плавления и испарения при нагревании устройства и снабжен окнами из пористой и не смачиваемой охлаждающим веществом керамики, а в качестве охлаждающего вещества используют кадмий, цинк или их сплавы.