Устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущейся средой Советский патент 1983 года по МПК G01N25/18 

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 отдачи альфакалориметр помещают в движущуюся среду, определяют темп регулярного охлаходения (нагрева) тела относительно температуры среды и по известным соотношениям определяют искомый коэффициент теплоотдачи применения устройства ог раничена из-за асимптотического характера зависимости между темпом ох лаждения и коэффициентом теплоотдачи, а также предположения, что коэффициент теплоотдачи не зависит от ;разности температур. Вследствие ииз 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 вкладьЕяем -} . Недостатком устройства является невозможность задавать требуемое различие температур поверхностей тепломеров () в зависимости от условий ппоцесса теплообмена, исследуемого или контролируемого этим устройством, что ограничивает область применения условиями вынужден ной конвекции. Цель изобретения - расширение об пасти применения устройства за счет обеспечения возможности варьировать разностью между температурами повер ностей тепломеров. Поставленная цель достигается тем ITO в устройстве для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущейся средой, содержащем тепломерь с идентичными поверхностями кон такта их с движущейся средой, смонтированные на общей температуровырав нивающей пластине, на поверхности одного из тепломеров, выполненных с равными термическими сопротивлениями размещен плоский электронагреватель соединенный последовательно с элект ронагревателем введенного термоэлект рического преобразователя мощности, причем нагреватели и термоэлементы термобатарей тепломеров и термоэлект 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 - теплометрическая головка для исследования конвективнорадиационного теплообмена; на фиг,4 плоский термоэлектрический преобразователь мощности; на-фиг.5 - цилиндрический термоэлектрический преобразователь мощности; на фиг.6 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 R , смонтированные на температуровыравнивающей пластине 5. На омываемой движущейся средой поверхности одного из них размещен датчик 6 температуры, а другого - электрический нагреватель 7, соединенный последователь электрическим нагревателем 8, содержащимся в термоэлектрическом преобразователе 2 мощности. Послед- i НИИ содержит,кроме того, термоэлектрические батареи 9, контактирующие с одной стороны с электрическим нагревателем 81, 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.З). В первом случае теплометрическая головка содержит тепломеры 4 ( в частном схсучае могут быть выполнены с одинаковой чувствительностью, что позволитиспользовать 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 б 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 используют

вторую модификацию устройства (фиг.З), 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) Ю и цилиндрический (фиг.5), Для устранения 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 ко- 20 торых соединен последовательно с электрическим нагревателем 7 теплометрической головки.

В плоской модификации (фиг.4)

температуровыравнивающий элемент 10 25 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 вторичЕой 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 дО негодность. В связи с этим в некоторых случаях используют цилиндрическую модификацию термоэлектрического преобразователя мощности со сменными нагревателями 8 (фиг.5). дг

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

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

Устройство работает следующим обазом, SS

На исследуемом объекте 13 (фиг.6) заподлицо с поверхностью устанавиваю.т теплометрическую головку 1 в заранее подготовленное гнездо. Если становка заподлицо теплометрической оловки 1 по каким-либо причинам 60 затруднена, то ее смонтировать епосредственно на поверхности бъекта 13 (фиг.7)., на передней и осле нее по направлению движения реды устанавливают, специальные 65

клинья 14, выполненные из высокотеплопроводного материала и служащие для уменьшения искажения гидродинамики набегающего потока среды и теплового потока.

Термоэлектрический преобразовател 2 мощности необходимо устанавливать В одинаковых температурных условиях теплометрической головкой.

Исключением может быть только случай, когда измерительная головка работает в. узком диапазоне изменения температур, в котором коэффициент преобразования тепломеров 4 не зависит от температуры (для термоэлектрических тепломеров, выполненны на ба.зе медноконстантановых термоэлементов, этот диапазон ограничен 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.

Вьгаоды тепломеров 4, теплоэлектрических батарей 9 и датчика 6 темпе ратуры 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 головки 1 на поверхность исследуемого объекта, подключения первичных преобразователей к вторичной аппаратуре и нагревателей 7 и 8 к источнику тока устанавливают, изменяя силутока, 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.

I -(2)

Ч7-Ч.

толученный из решения системы уравнений

q, ,V,

7 c. cp--T Vqw)

,..д,м,71, где ( - плотность тепловыделения плоского нагревателя 7; W, - мощность, подводимая к нагревателю 7; f - площадь контакта нагревателя 7 с поверхностью теплометрической головки. Из анализа уравнения (2) следует что для определения величины об необходимо измерять плотность теплово потока, прошедшего через тепломеры а также плэт 1ость тепловыделения плоского нагревателя 7. В предлагаемом устройстве для определения величины ( исполь зуют тепломеры 4 равной чувствитель ности, включенные дифференциально, при этом их разностный сигнал будет пропорционален разности плостностей теплового потока, прошедшего через них (Чг-Ч |- 12 причем следует заметить, что коэффициент преобразования К тепломеров 4 зависит в общем случае от температуры, поэтому измерение величины мощности W с помощью ваттметра ухудшает характеристики устройства из-за необходимости учета зависимос ти коэффициента прербразован ия тепломеров 4 от температуры и необходи мости иметь еще один вторичный прибор для измерения малых значений мощности, высокого класса точности, что приводит к удорожанию эксперимента. Температурную зависимость ко эффициента К можно не учитывать, если прибор для измерения величины имеет- ту же температурную зависимость, что и тепломеры. Поэтому в устройство для измерения величины ( введен термоэлектрический преобр зователь 2 мощности, термоэлектрические батареи 9 и нагреватели 8, к торые выполнены из тех же материало что и термоэлектри-ческие батареи те ломеров 4 и нагреватель 7. Так как нагреватель 7 теплометрической головки 1 соединен с нагре вателем 8 термоэлектрического преобразователя 2 мощности последовате льно, то сила тока 3i , проходящего через нагреватель 7, будет равна си ле тока 3j , проходящего через нагре ватель 8 ( ) Поэтому отношение выделенных этими нагревателями мощностей Vi/., и V2 равно отношени электрических сопротивлений нагревателейIrj При работе, .нагревателя 8 в термо электрической батарее 9 генерируетс ТЭДС ЕТЭП пропорционально выделяемо йрщности .ГКтэп ЗП анной зависимости для плотности теповыделения в нагревателе 7 --- . F , Объединив (3) и (4), получим раочую для устройства ГЛ К,п П Стэп s Д П ьЕг-, оторая с учетом температурной заисимости теплопроводности тепломера JQ{I+BT) теплометрической голови имеет вид лЧл111П. (), где ti ,- толщина тепломера 4; 1) F) постоянная устройства, учитывающая соотношенВе между электрическими cortpoтивлениями нагревателей, коэффициентами теплометрической головки и термоэлектрического преобразователя мощности и площадь нагревателя; 20 теплопроводность тепломеров теплометрической головки при комнатной температуре. Величина, А не зависит от температуры, если нагреватели выполнены из одинакового материала ..либо с незначительной зависимостью его электрического сопротивления от температуры, например, из константана) , теп-ломеры теплометрической головки и термоэлектрическая батарея преобразоватёля 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 температуры . При исследовании локального конвективного теплообмена кроме коэффициента теплоотдачи необходимо определять температуру среды tcp и невозмущенный наличием теплометрической головки тепловой поток q. . Температуру среды, соответствующую адиабатной температуре стенки, определяют по формуле Ч 1Значение температуры поверхности тепломера t измеряют с помощью термопары б. Коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формуле Ньютона Рихмана, пр.и использовании в качестве температуры среды адиабатной температуры стенки не зависит от температурной предыстории набегающего потока и его величина определяется искс1ючительно 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 одинаковой температурной предыстории .набегающего потока, если есть возможность измерить в этой точке температуру поверхности t; , В этом случае искомый тепловой поток определяют по формуле

,А,

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

Для исследования конвективно-ра-г диационного теплообмена применяется вторая модификация теплометрической головки (фиг.26), в которую введен дополнительный тепломер 11. Степень черноты поверхности, обращенной к движу1дейся газовой среде, дополнительного тепломера выполнена контрастной по сравнению со степенью 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 услЪвиях с измерительной головкой, а тепловая предыстория

набегающего потока в зоне установки устройства и в точке замера температуры одинакова

,4

Нх срЛ «хНф- х или

V.iVTn4b-o(,lviie.Tf-E,To.

Из анализа формул ( 6 ) и (7) следует, что устройство может быть использовано для измерения плотности теплового потока как при конвективом, 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 двйжущей ся средой от нуля до любого требуемо0 го значения, что позволяет использовать устройство как.для случая вынужденной конвекции, так и- для теплообмена в условиях естественной конвекции, где на формирование гид5 родинамического пограничного слоя оказывает влияние разность температур между поверхностью и движущейся средой.

Преобразователь мощности в предла0 гаемом 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.

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.

10

Vuz. 4

8

П

Рив. 7