Способ определения эффективной поперечной теплопроводности теплоносителя в пористой среде Советский патент 1985 года по МПК G01N25/18 

1

Изобретение относится к области энергетики и измерительной техники, точнее к методам, исследования процессов тегшопереноса при движении теплоносителя в пористой среде, и. может быть использовано при разработке новых теплообменников, а также при определении гидродинамических характеристик течения в пористых телах различной структуры.

Известен способ определения эффективной поперечной теплопроводности теплоносителя в пористой среде, явля 1мйся базовым, по результатам измг|.)ения поля температур в пористом

разце, С1 зозь который прокачивается теплоноситель. При движении сквоз .ристый слой теплоноситель нагреватся или охлаждается через внешние сгенки аппарата. Разработаны различные варианты этого способа.

Способу присущ существенный недостаток, заключающийся в необходимости определения температурного поля внутри пористого образца, что существенно усложняет -устройство и проведение эксперимента и приводит к большой погрешности измерения.

Наиболее близким техническим ре)яением является способ определения эффективной поперечной теплопроводности теплоносителя в пористой среде заключающийся в том, что через канал, заполненный пористой средой, прокачивают в одном направлении с одинаковой скоростью два потока теплоносителя :,со среднемассовыми температурами Т и Т соответственно и по профилю температур в канале определяют искомый параметр.

При одностороннем перемещении двух динамически побочных смешивающихся сред через пористую среду первоначально резко вьщеленная поверхность раздела вьфождается в широкую зону смешения. Этот процесс очень близок к диффузии, но он происходит значительно интенсивнее из-за существования конвективного перемешивания .

Для определения поля температуры теплоносителя необходимо размещать в пористом образце большое количество термопар, что существенно усложняет устройство и проведение эксперимента. Кроме того, неизбежны отклонения температур, измеренных термопарами:, от истинных. Причи221032

нами погрешностей в этом случае являются отток тепла по электродам термопар, обдуваемых теплоносителем, нарушения внутренней структу5 ры пористого образца как механической обработкой,- необходимой для установки термопар, так и вследствие загромождения пор спаем термопар, так как размеры спая могут значи10 тельно превышать размеры пор. Кроме . того, погрешность измерения обусловлена и дискретностью системы, состоящей из отдельньк зерен. Таким образом, данный способ характеризу15 ется сложностью, низкой надежност о .и низкой точностью определения коэффициента эффективной поперечной теплопроводности теплоносителя, движущегося в пористой среде.

.Целью изобретения является увеличение точности и быстродействие определения эффективной поперечной теплопроводности теплоносителя в пористой среде.

Цель достигается тем, что в способе определения эффективной поперечной теплопроводности теплоносителя в пористой среде, заключающемся в том, что через канал, запол30 ненный пористой средой, прокачивают в одном направлении с одинаковой скоростью два потока теплоносителя со среднемассовыми.температурами Т, и Т соответственно и проводят измерения температуры теплоносителя, указанные потоки смешивают на участке шириной h и длиной

рСрсоЬ

L

t-itnA

вновь разделяют на два потока, измеряют скорость теплоносителя, среднемассовую температуру каждого потока на выходе из канала и по измеренным параметрам вычисляют искомую величину по формуле

.i I . ч2

irhV Mf ,

(1)

Л - коэффициент поперечной

теплопроводности теплоносителя;

h

ширина участка смешения,

L- R длина участка смешенияJ пористость;

плотность теплоносителя, теплоемкость теплоносителя;скорость теплоносителя,

равная отношению его объемного расход к плотности поееречного сечения участка смешения;. Т, , среднемассовые температуры холодного и горячего пото- ков. теплоносителя перед участком, смешения (Т, Т2) Т ,Т( - среднемассовые температуры холодного и горячего пото ков теплоносителей на выходе участка смешения - (). uT-Tj-T, .-Tj, изменение среднемассовых температур .потоков теплоно ,сителя на участке смешения Принцип определения..эффективной поперечной теплопроводности движущегося в пористой среде..теллоноситейя с помощью предлагаемого С:Прсоба заключается в измерении скорости фильт рации теплоносителя и среднемассовых температур потоков горячего и холодного теплоносителя на входе и йыходе экспериментального участка, которые могут быть измерены со значительно, меньшей погрешностью, чем про филь температуры теплоносителя в .пористой среде. Существенно также то,что при этом не нарушается внутренняя структура образца. Формула (1) вытекает из следующих соображений. При смешении двух динамических подобных полубесконечных сред, имеющих разные температуры Т, и Т , первоначально резко вьщеленная поверхность раздела вырождается в широкую зону смешения. Ширина зоны смешения пропорциональна -квадратному корню из пройденного расстоя РМ -7; . НрСрсо (2) где X - расстояние от начала участка смешения в направлении движе ния теплоносителя. Вне зоны смешения температура теп лоносителя не изменяется. Внутри зоны смешения температурное поле описы вается вьфажением T,+Tj , 2 Л2 П х/рСрСо/ где Y - расстояние от поверхности раздела горячего и холодного теплоносителя. При условии одинаковых расходов горячего и холодного теплоносителей получим, что в обоих случаях измене-. ние среднемассовой температуры потоков одинаково и равно 4ПД1 (2-T,lj , т, ITpCpCoh Вьфажая из соотношения (4) Л , приходим к окончательной формуле (1). На чертеже изображен обпщй вид экспериментального канала, заполненного пористой средой и использованного для проверки предлагаемого способа определения эффективной поперечной теплопроводности теплоносителя в пористой среде. Внешний корпус канала 1 изготовлен из тепло- изоляционного материала. Пористая вставка имеет щеточную структуру и образована пластмассовыми стержнями 2. В канале на входе и выходе по оси установлены тонкие нетеплопроводные перегородки 3. Для обеспечения точности измерения требуется определенное соотношение между шириной зоны смешения Е/ ( t ), ее длиной I и шириной канала участка смешения h, заполненного пористой средой W- c,. Таким образом, длина и ширина учас-тка смешения определяются из условия pCpQh До и после участка смешения потоки теплоносителя разделяются тонкими герметичными нетеплопроводными перегородками 3.. Пример. Измерения коэффициента поперечной (вдоль стержней) теплопроводности теплоносителя проводят для двух щеточных структур со следующими параметрами: d 3 мм, 6 7 мм, П 0,85, d 5 мм, мм, П . 0,6, где j - диаметр стержней, S - шаг между стержнями. В обоих случаях стержни располагают в коридорном порядке. После прохождения участка смешения потоки теплоносителя имеют неравномерньш по сечению профиль температуры. Поэтому измерение среднемассовой температуры производится на выходе из каналов (в смесителях5тепдиоизолироваиных емкостях большог объема). Равенство скоростей холоднога я горячего потоков теплоносиIej.H регулируется по равенству объе ных расходов, одинаковому изменению температуры обоих потоков, а таклсе по перепаду давлений на рабочем участке. 5 качестве теплоносителя используют воду. На один из входов поступает вода с температурой . Температура Боды, подаваемой на другой вход, меня ется от опыта к опыту в пррл; П: г Измерения прово;i T . -мггЛчоте тпгсел Рейнольдса Re--WS/V )OD-3500, где V - кинематическая вязкость. 1 мперг;турь на выходе получают Т до 30°С, 40°С для случая,когд температурына входе были Т, 10°С, - 60°С, а для случая Т, 10,7 20 соответственно на выходе Tj 12°С, Т4 18°С. Устано1 лено, что в области разви го турбуле)1тного течения (при безразмерный коэффидиент поперечной (вдоль стержней) теплопроводности теплоносителя в щеточной структуре перестает зависеть от pCpCuS числа Рейнольдса и равен Л 0,041 0,01 Таким образом, способ .определения козффидиента поперечной теплопроводности теплоносителя в пористой среде по сравнению с прототипом и базовым объектом отличается предельной простотой осуществления - вместо определения поля температуры теплоносителя внутри пористого образца (что сопряжено с большими техническими трудностями), измеряется температура теплоносителя на входе и выходе. Следовательно, способ имеет высокую надежность, обладает повышенпой точностью (6%), так как температура теплоносителя вне пористого образца может быть измерена со значительно меньшей погрешностью, чем поле температуры внутри него, что увеличивает достоверность полученных результатов без нарушения внутренней структуры пористого образца (при установке термопар), что также уменьшает погрешность измерения.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПОПЕРЕЧНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ .В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ, заключающийся в том, что через канал, заполненный пористой средой, прокачивают в одном направлении с одинаковой скоростью два потока теплоносителя со среднемассовыми температурами Т, , Т соответственно и проводят измерения температуры теплоносителя, по которым судят об искомом параметре, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и быстродействия определения, указанные потоки смешивают на участке шириной h и длиной рСрСОЬ L 4и П-Л вновь разделяют на два потока, измеряют скорость теплоносителя, среднемассовую температуру каждого потока на выходе из канала и по измеренным параметрам вычисляют искомую величину по формуле л irb f лТ 2 P p mlvTT) , . где Л -: коэффициент поперечной теплопроводности теплоносителя, П - ширина участка смешения; L - длина участка смешенияJ § П - пористость; Р - плотность теплоносителя; (П Ср - теплоемкость теплоносителя, СО - скорость теплоносителя, равная отношению его объемного расхода к площади поперечного сечения участка смешения; J среднемассовые температуры холодного и горячего потоков теплоносителя перед участком смешения (); Т, среднемассовые температуры 6 Ч холодного и горячего потоков теплоносителя на выходе участка смешения ( Т, Т ). t., -- -Т,- изменение среднемассовых температур потоков теплоносителя на участке смещения.

. .f .1..1. f.AK./l.y .1. 1 .1/. .i: i у/ у. . .jf zzzzrzi sJ