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 конвективного теплообмена между поверхностью раздела фаз и движущейся средой. Известно устройство для определения локальных коэффициентов теплоот дачи, содержащее батарейный термоэлектрический тепломер для измерения плотности теплового потока и дифференциальную термопару для измерения разности температур между поверхностью тепломера и движущейся средой, причем тепломер устанавливают заподлицо с поверхностью теплообмена. Это устройство позволяет опреде лять коэффициенты теплоотдачи при любом направлении теплового потока (как от исследуемого объекта к движущейся среде, так и наоборот) при исследовании теплообмена тел различ ной формы. Для равссчета коэффициента теплоотдачи используют известную ; зависимость Ньютона-Рихмана С ID Недостатком указанного устройства является низкая точность определе ния теплоотдачи, обусловленная погрешностями, возникающими при измерении разности температур из-за трудности определения места замера температуры движущейся среды, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения локальньлх коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущей ся средой, содержащее тепломеры, вы полненные с идентичными поверхностя ми контакта с движущейся средой, за крепленные на температуровыравниваю щей пластине, в оснрве которого лежит определение коэффициента теплоотдачи по отношению приращения плот ности теплового потока (Hl Я разности температур ДТ - .Т-Г поверх ностей тепломеров 2J. Разность температур поверхностей тепломеров возникает в результате использования тепломеров с разными терг шческими сопротивлениями И и RI Определение малой разности темпе ратур (Т; - Т2) в этом устройстве осуществляют по показаниям тепломеров, измеряющих плотности теплового потока tj,n и с,, прешедшего через них, ди по значениям термических соп ротивлений R. и при условии, что тепломеры смонтированы на изо, термической поверхности температуро выравнивакхцей пластины с температурой TO, T,.T2 (VTJ-{%To,)(«V,)-- 1 Искомый коэффициент теплоотдачи находят по Формуле 1 v, L в описываемой конструкции устройства в качестве теплсялеров использованы батарейные термрэлектрические преобразователи теплового потока, для которых плотность теплового потока v, пронизывающего тепломер, пропорциональна термо-э.д.с., генерируемой термобатареей i . (3) где К - коэффициент преобразования, Подставив в формулу (2) соотношение (3), получим расчетную зависимость для устройства Г / . R. oi д ().W«2где К - постоянная устройства, если К К2, то К 1. Из уравнения (4) следует, что тепломеры однотипны и их коэффициенты имеют одинаковую температурную зависимость, то постоянная устройства К не зависит от температуры. При конструировании устройства одним из узловых моментов является выбор величин термических сопротивлений , и 2 При выборе величин R иди для обеспечения требуемого диапазона измерения отношения q,,. должно соблюдаться условие при максимально возможном в исследуемом процессе значении коэффициента теплоотдачи . При этом разность температур между поверхностями тепломеров ( должна быть такой, чтобы коэффициенты теплоотдачи для поверхностей обоих тепломеров были одинаковыми, а разность между тепловыми потоками ( должна быть на Два порядка больше несинхронности флуктуации величин q, и «v. Так как минимальное значение величины R определяется технологическими условиями изготовления тепломеров rf величиной контактных термических сопротивлений в плоскости крепления тепломера с температуровыравнивающей пластиной, основной величиной, которой можно варьировать для удовлетворения вышеуказанных условий, является разность термических сопротивлений тепломеров л, от правильного выбора которой зависит корректность измерений. Поэтому устройства, выполненные для исследования теплоотдачи газов, зачастую некорректно использовать для исследования процессов теплоотдачи поверхности, омываемой жидкостями, и наоборот. Ограниченность области применения является основным недостатком известного устройства, крторый может быть устранен, если обеспечить вйз можность варьирования величинойдй в зависимости от вида теплоносител и пределов изменения коэффициентов теплоотдачи. Цель изобретения - расширение области применения за счет определ ния локальных коэффициентов теплоот дачи в различных средах. Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущейся средой, содержащее тепло меры, выполненные с идентичными поверхностями контакта с движущейся средой и закрепленные на температуровыравнивающей пластине, дополни тельно содержит тепловой коллектор а температуровыравнивающая пластина выполнена с выемкой, образующей с поверхностью тепломера, на которой смонтирован тепловой коллектор, пло скую полость, заполненную средой с известной теплопроводностью, причем боковые поверхности полости теплоизолированы. Кроме того, полость между тепломером и температуровыравнивающей пластиной секционирована фольгой, расположенной параллельно температу ровыравнивающей пластине на расстоя НИИ между соседними поверхностями, обеспечивающем соотношения ; 1000. На фиг. 1 показана первая модици кация устройства для определения ло кальных коэффициентов теплоотдачи; на фиг. 2 - то же, вторая модификация; на фиг. 3 - индикатор теплопро водности движущейся среды; на фиг. 4 - третья модификация устройства для исследования конвективнорадиационного теплообмена; на фиг. 5 - схема размещения фольги в плоской ПОЛОСТИ; на фиг. б - номограмма для выбора требуемых значений величины лК f на.фиг. 7 - градуировочная характеристика для случая заполнения плоской полости различными веществами. Данное устройство может быть выполнено в нескольких модификациях, Перв&я модификация устройства (фиг. 1) содержит тепломеры 1 и 2, а также датчик 3 температуры (например термопару), смонтированный на поверхности тепломера 1, обращен ный к движущейся среде. Тепломеры выполнены в одном теплометрическом блоке; соединенном с температуровыравнивакяцей пластиной 4, в которой выфрезерована выемка, расположенная под тепломером 2 и образующая с теп ловым коллектором 5, установленным на его поверхности, обращенной к тe пer aтypoвыpaвнивaющeй пластине 4 плоскую полость боковые поверхности которой теплоизолированы профилированным вкладышем 6. В температуровыравнивающую пластину 4 вмонтированы штуцеры 7 и 8 с выходом их каналов в плоскую полость, заполняемую средой с известной теплопроводностью. Для упрощения технологии изготовления и повьииения точности определения величины («Vi/V 15 тепломеры 1 и 2 выполняют обычно идентичными по теплофизическим величинам ными по теплофизическим характеристикам и чувствительности. Для защиты тепломеров 1 и 2 и датчика 3 температуры от воздействия движущейся среды, а также для обеспечения идентичности характеристик их поверхностей, омываемый движущейся средой (шероховатости, коэффициентов теплового излучения и поглощения) , эти поверхности покрыты защитной пленкой или фольгой, секционированной для уменьшения теплоперето.ков по ней. Для обеспечения одновременного поля температур тепломеры 1 и 2 окружены охранными зонами . с теплофизическими характеристиками, равными теплофизическим характеристикам тепломеров. Температуровыравнивгиощая пластина 4 из высокотеплопроводного материала обеспечивает равенство температур, что позволяет по известным термическим сопротивлениям тепломеров 1 и 2 и дополнительного термического сопротивления дрслоя среды, заполняющей полость, и измеренным плотностям тепловых потоков « и q,2 определять разность температур (Т:,-Т) между поверхностями тепломеров 1 и 2, с алваемыми движущейся средой. Тепловой коллектор 5 обеспечивает постоянство отношения тепловых потоков, проходящих через термоэлектроды термобатареи тепломера 2 и через заполнитель между ними вне зависимости от теплопроводности среды, находящейся в плоской полости, а также обеспечивает изотермичность поверхности тепломера 2, обращенной к температуровыравнивающей пластине 4. Для предотвращения конвекции в плоской полости ее толщина, т.е. зазор между тепловым коллектором 5 и температуровыравнивающей пластиной 4, выбирается при конструировании устройства таким, чтобы в процессе измерения при максимальных значениях перепада температур в слое среды, заполняющей полость, соблюдалось условие Крауссольда (, 1000), а боковые поверхности полости теплоизолированы. В некоторых случаях в качестве среды, заполняющей полость, можно использовать рабочую среду (жидкость или газ), теплообмен с которой исследуется. При этсил целесообразно .. применять вторую модификацию устройства (фиг. 2), в которой вместо одного из штуцеров в теплометрическом блоке выполнено отверстие 9, через которое полость заполняется рабочей средой. Если теплопроводность рабочей среды изменяется за время проведения исследований, Td для контроля этого изменения в комплект с предлагаемым устройством вводят индикатор теплопроводности движущейся среды (фиг. 3), работающий по принципу теплометрического моста, собранный из таких же элементов, что и предлагаемое устройство (фиг. 2), и отличакидийся от иего тем, что вместо защитной пл.енки или фольги на поверхностях тепломеров 1 и 2 смонтирована дополнительная температуровыравнивающая пластина 10, Применение ийдикатора теплопроводности (фиг. 3), размещаемого в непосредственной близости от заявляемого устройства, позволяет получать информацию о локальных в пространстве и времени значениях коэффициента теплопроводности рабочей среды, теплообмен с которой исследуется Применительно к задачам исследования конвективно-радиационного теплообмена целесообразно использовать третью модификацию устройства (фиг, 4), в которую, в отличие от первой и второй (фиг. 1 и .2) , дополнительно введен тепломер 11, смонтированный в едином теплометрическом блоке теплсялерами 1 и 2, установленный на общей с ними температуровыравнивающей пластине 4 и выполненный с такими же как у имеющихся тепломеров 1 и 2 чувствительностью к термическим сопротивлением, но отличающийся от них тем, что его заадтная пленка имеет другие значения коэффициентов теплового излучения и поглощения, контрастнью по сравнению с этими характеристиками для покрытий тепломеров 1 и 2. Если для заполнения плоской полости используют преймуществейно газовую среду, то для уменьшения теплообмена излучением и обеспечения преимущественно кондуктивного теплопереносд между тепловым коллектором 5 и температуровыравнивающей пластиной 4 полость выполняют секционированной металлической фольгой 12 (фиг. 5), расположенной параллельно температуровыравниваинцей пластине 4 и поверхности теплового коллектора разделякицей полосуь на цели, для ко торых соблюдено условие G,.Pf,1000. В этом случае поверхности теплового коллектора 5, температуровыравниваю щей пластины 4 и фольги 12 выполнены с мс1лыми значениями коэффициентов теплового излучения и поглощения. Такое решение обеспечивает преимущественный теплообмен теплопровод- . ностью в плоской полости. Для определения параметров конвективного теплообмена с помощью предлагаемого устройства необходимо выбрать и обеспечить требуемое .значение величины R установить устройство на поверхности исследуемого объекта; а также измерить термоэ.д.с, и рассчитать по формулам искомые величины. Исходя из априорной информации о возможном диапазоне изменения коэффициентов теплоотдачи в исследуемом процессе теплообмена между поверхностью объекта и движущейся средой, о теплофизических характеристиках среды и о пpeдпoлaгae eEc режимах ее движения, выбирают требуемое значение величины лК , используя для этого обобщенную номограмму (фиг.б), удовлетворяющую требованиям, аналогичным вышеизложенным при описании прототипа. По выбранному значению величины аи, используя предварительно полученные градуировочные зависимости дК( А j,T) и Rp/aR f2{Aj,T), , определяют требуемое значение коэффициента теплопроводности заполняющей полость среды А. По значению Д определяют вещество, которым необходимо заполнить полость для получения требуемого значения величины дК . Заполняют полость выбранным веществом через штуцеры, которые после заполнения герметизируют. Если в качестве заполняющего вещества используется ; сидкость, то ее перед использованием необходимо деарировать, а при заполнении полости следить, чтобы из нее были полностью удалены газовые пузьфи. Так как действительные значения теплопроводности вещества могут отличаться от справочных данных, то обычно перед установкой на исследуемый объект проверяют значения величин R;, / и ft и , размещая устройства между двумя изотермическим поверхностями с различной температурой. При опред(2лении величин , RI/AR ( и дК Й ( 1) используют значения величин К и Ri, , определенные ранее в градуировочных опытах. После заполнения полости требуемым веществом устройство устанавливают запо;1лицо с поверхностью исследуемого объекта в заранее подготовленное гнездо. Если установка устройства по каким-либо причинам зат:руднвна то его можно смонтировать непосредственно на поверхности исследуемого объекта, но перед ним и после него по напрешленшо движения

среды устанавливают специальные клинья, выполненные из высококачественного материала и служащие для уменьшения искажения гидродинамики набегающего потока среды и теплового потока.

Установив устройство на исследуемом объекте, подключают токосъемные провода тепломеров 1 и 2 и датчика 3 температуры к вторичной аппаратуре и измеряют термо-э.д.с., генерируемые первичными преобразователями, и определяют искомый коэффициент теплоотдачи.

При исследовании локального конвективного теплообмена кроме коэффициента теплоотдачи необходимо определять температуру среды Т(.р , соответствующую измеренному значению коэффициента теплоотдачи и невозмущенный наличием устройства тепловой поток «Vx поверхности исследуемо.го Объекта.

Устройство позволяет также определять плотность теплового потока на поверхности исследуемого объекта невозмущенного наличием устройства, если дополнительно измерить температуру поверхности объекта Т в точке находящейся в одинаковых гидродинамических условиях с устройством, пр условии одинаковой температурной предыстории набегающего потока, по простой зависимости cj,cj.-K3t() в которую входят только измеряемые непосредственно во время эксперимента величины. Таким образом, использование предлагаемого устройства в теплотехническом эксперименте при исследовании конвективного теплообмена позволяет довольно просто учитывать искажения плотности тепловог потока, вносимые устройством при размещении его на поверхности раздела фаз исследуемого объекта.

На фиг. 7 приведена градуировочная характеристика одного из устройства для температурного интерваша 30-40 С, полость которого заполнена воздухом, трансформаторным маслом, глицерином и водой, из анализа которой следует, что.в зависимости от исследуемого процесса, варьируя заполняющей полость средой,.можио получить оптимальные значения величины uKf благодаря чему расширяется область применения предлагаемого устройства.

Если теплопроводность рабочей среды известна и удовлетворяет по своей величине значению теплопроводности среды, необходимой для обеспечения требуемого значения ведичи- ны AR , то в этом случае может быть использована вторая модификгщия устройства (фиг. 2), применение которой упрощает подготовку эксперимента, так как устранена необходимость компенсировать изменение давления и объемное расширение.заполняющего полость вещества под действием темпе ратурных условий работы устройства и изменения термодинамических параметров движущейся рабочей среды.

Методика подготовки и проведения измерений со второй модификацией устройства аналогична описанной.

Если теплопроводность изменяется во времени при проведении ис0следований (например путем изменения состава или давления набегающей среды) , то в комплект с предпагаег. мым устройствам вводят дополнительно индикатор теплопроводности движу5щейся среды, (фиг. 3). В этом случае его размещают в непосредственной близости от устройства на поверхности исследуемого объекта. При этом штуцер 8 устройства (фиг. 2) и штуцер 8

0 индикатора теплопроводности движущейся среды (фиг. 3) подсоединяют к единой соосной системе, с помощью которой периодически обновляют среду в полостях устройства (фиг. 2) и

5 индикатора (фиг. 3) .

.Измерение коэффициента теплопро- . водности проводят при установившемся тепловом режиме в полости. Искомый коэффициент теплопроводности,

0 движущейся среды находят по формуле

5 где R

- термические сопро42

Т1

тивления тепломеров 1 и 2 (фиг. 3) образующие мостовую теплометрическую .схему q, и «v тепловые потоки, прошедшие через тепломеры 1 и 2 (фиг. 3) и измеренные ими; Aj-p - теплопроводность среды;

h - толщина зазора в полости индикатора (фиг. 3) ;

А и В - постоянные приборы, полученные в градуировочных экспериментах со стандартными образцами.

Применение индикатора теплопроводности движущейся среды (фиг. 3), установленного в непосредственной близости от основного устройства

0 (фиг. 2), позволяет получать информацию о локальных в пространстве и времени значениях коэффициента теплопроводности среды, теплообмен с которой исследуется, за счет чего повысить точность определения значений коэффициента теплоотдачи и обработки результатов в критеригшьной форме (Ro., Рр,- G,. I , так как

oil, , . ....

в число входит значение

Лдркоэффициента Теплопроводности средыг

Для исследования конвективно-радиационного теплообмена применяют третью модификацию устройства (фиг.4) в которую дополнительно введен

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ РАЗДЕЛА ФАЗ И ДВИЖУЩЕЙСЯ СРЕДОЙ, содержащее тепломеры, выполненные с идентичными поверхностями контакта с движущейся средой и закрепленные на температуровыравнивающей пластине, отличающееся тем, что,с целью расширения области применения за счет расширения класса исследуемых потоков, в устройство введен тепловой коллектор, а температуровыравнивающая пластина выполнена с выемкой, образую- . щей с поверхностью тепломера, на которой смонтирован тепловой коллектор, плоскую полость, заполненную средой с известной теплопроводностью, причем боковые поверхности полости теплоизолированы. 2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я-тем, что полость между тепломером и температуровыравнивающей пластиной секционирова- на фольгой, расположенной параллель-ф но температуровыравнивающей пластине, на расстоянии между соседними поверхностями, обеспечивающем соблюдение соотношения .1000, где G, критерий Гросгофа; Pf, - критерий Прандтля.

ff

10,

фиг. 2

k-/r/fj,