Способ контролируемого подвода тепла Советский патент 1985 года по МПК G01N25/32 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности, к способам подвод тепла к объекту, и может быть использовано в устройствах и стендах для исследования процессов тепломассообмена, гидрогазодинамики и теплофизических параметров различных объектов в различных средах, в науч ном приборостроении и для измерения теплового потока. Для количественного и качественно го исследования процессов тепломассо обмена и гидрогазодинамики необходимо иметь направленньй тепловой поток величину которого необходимо измерить с высокой точностью. Известен способ для подвода теплового потока, где величина теплового потока определяется путем учет тепловых потерь в окружающую среДУ СО. Этот способ подвода тепл-а к объек ту обладает малой точностью измерений и вносит дополнительные возмущения в процесс за счет неосновных потоков. Наиболее близким к изобретению является способ подвода теплового по тока к объекту, приведенному в контакт с горячими спаями термобатареи, а холодные спаи которой привод Т в контакт со средой,от которой отбирают часть тепла за счет ее охла дения, а величину подводимого теплового потока определяют как сумму мощности потребляемой термобатареей, и теплового потока отбираемого от охлаждаемой среды 2 J, Известный способ обладает малой точностью контроля подводимого к объекту теплового потока, обусловленной тем, что параметры термобатареи, зависящие от средней рабочей температуры, имеют большой разброс, меняются со временем из-за происходящих в термобатарее процессов диффузии, возникновения тепловых механических напряжений и других причин в частности из-за изменения температур объекта и среды, контактирующей с холодными спаями тep foбaтapeи, Целью изобретения является повышение точности контроля теплового потока, подводимого к объекту, . Поставленная цель достигается тем что согласно способу контролируемого , подвода тепла при помощи термобатареи, горячий спай которой приводят В контакт с объектом, включающему контроль подводимого к объекту теплового потока, холодные спаи термобатареи приводят в контакт с источником тепла, содержащим нагреватель, регулирование величины теплового потока осуществляют путем изменения величины токов термобатареи и нагревателя, соблюдая условие равенства температуры поверхности источника тепла, контактирующего с окружающей средой, с температурой этой среды, а величину теплового потока определяют как- сумму потребляемых термобатареей и нагревателем мощностей. На чертеже изображено устройство для реализации способа. Исследуемый объект - поверхность 1 теплоотдачи, находящийся в контакте с горячими спаями термобатареи 2, состоящими из полупроводниковых ветвей р и п типов. Холодные спаи термобатареи 2 находятся в контакте с источником тепла 3, выполненным в виде омического нагревательного элемента, вложенного в пазы первой медной пластины 4, С другой стороны источник тепла 3 находится в тепловом контакте с второй пластиной 5, изготовленной из материала с хорошей теплопроводностью (например, меди ), По периметру и в промежутках между ветвями термобатареи помещают теплоизоляцию 6 (стекловата ) с целью уменьшения тепловых потерь горячих спаев термобатарей в окружающую среду (жидкость ), Герметизацию термобатареи осуществляют тонкой фольгой 7, изготовленной из материала с малой теплопроводностью (например ковара ), Фольга припаяна сверху с второй пластиной 5, Омический нагревательный элемент и термобатарея подсоединены к регулируемым источникам тока (не показаны). Исследуемый объект -поверхность 1 теплоотдачи приводят в контакт с горячими спаями термобатареи 2, холодные спаи которой контактируют с источником тепла 3, содержащем нагреватель. Термобатарею 2 и нагреватель подключают к соответствующим регулируемым источникам тепла 3, Включают источник питания термобатареи. Спаи, находящиеся в контакте с исследуемым объектом, нагреваются, а другие спаи вместе с источником тепла - нагревателем охлаждаются за

счет эффекта Пельтье. После этого включают источник питания нагревателя. Величину тока нагревателя и термобатареи регулируют так, чтобы температура нагревателя была равна температуре окружающей среды, например воды или любой другой исследуемой жидкости, или , газообразной среды. При этом всё.тепло, выделякщееся в источнике тепла, поглощается холодными спаями термобатареи за счет эффекта Пельтье. Потребляемые термобатареей (Wg) и омическим нагревателем (W) мощности тепловые потоки выделяются на горячих спаях термобатареи, следовательно, подводятся к исследуемому объекту поверхности теплоотдачи. Тепловой поток Q. подводимый к исследуемому объекту будет равен Q Wg + W.

При вариации средней рабочей тем пературы термобатареи и ее временных нагрузочных характеристик обычно изменяются и величины мощностей Wg и W, которые приводят к снижению точности контроля подводимого теплового потока к объекту, В предлагаемом способе, эти изменения автоматически учитываются изменением соответствующей мощности на.необходимую величину, в противном случае нарушается условие равенства температуры поверхности источника тепла, контактирующей с окружающей средой, с температурой этой среды.

Предлагаемый способ позволяет исключить влияние термодинамических параметров термобатареи на величину теплового потока, так как тепловой поток, подводимьй к исследуемому объекту, состоит из суммы тепловых потоков термобатареи и источника тепла. Изменение теплофизических параметров термобатареи в зависимости от температуры в конечт ном итоге приводит к изменению величины потребляющей мощности термобатареи. Это позволяет повысить точность определения теплового потока. При равенстве температуры холодных спаев термобатареи, следовательно, нагревателя температуры окружающей среды, исключаются дополнительные потоки, обусловленные перепадами температур.

Таким образом, предлагаемый способ подвода тепла позволяет исследо вать как теплопроводность стационар

ными методами, так и процессы тепломассообмена и гидрогазодинамики, в которых требуются наличие высоких точностей способа нормированного подвода теплового потока,

В предлагаемом способе поток тепла строго направлен от холодных термобатареи к горячим,Это позволяет повысить точность определения величинь теплового потока if расширяет области использования способа теплоподвода. Термобатарея должна быть герметизирована во избежание погрешностей в задании теппового потока, так как-при этом возникнут потоки жидкости между термоэлементами.

Пример, Проведенные испытания предлагаемого способа подвода тепла к исследуемому объекту на устройстве, состоящем из термобатареи, составленной из 12 термопар и нагревателя показывают, что погрешность в определении величины теплового потока составляет не более 0,5% против 10-15% в известных способах и устройствах. При этом в качестве образца использована вторая термобатарея, с помощью которой определяется величин теплового потока. Предлагаемый спосо подвода тепла использован как для определения теплопроводности.твердых и жидких веществ, так и для исследования процессов тепломассообмена плокой поверхности - меди к воде, и для измерения теплового потока.

Температура горячих спаев термобатареи отличается от температуры окружающей среды при исследовании процессов тепломассообмена и гидрогазодамики на несколько градусов (35 К), Считая линейным распределение температуры по высоте термобатареи, теплопотери в окружающую среду определяются из соотношения

)/2 , (,,

где Т , Т, средние температу.ры соответственно горячих спаев термобатареи, нагревателя и окружающей среды,

Теплопроводность / стекловаты составляет 0,035-0 058 Вт/мК, Сечение S теплоизоляции по средней линии составляет величину порядка 0,03 для поверхности теплоотдачи с площадью в 0,06 м , Толщина изоляции d

5 11632366

порядка 510 м. Тогда из соотноше-6-10 Вт ) тепловые потери через бония (1 ) получимковую поверхность составляют 0,03%

0.06-0,03 (TZ + f,i I /j; NI

ч 5.10-3 V 2 (если перепад температур l-J-i--T 1/2

.o36(is-±l:i-T )/25 V/

Ч 2 3/ равен 10 К что свидетельствует о

При подводимом тепловом потокевысокой точности контроля теплового

10 Вт/м(для нашего случая мощностиротока в предлагаемом способе.

СПОСОБ КОНТРОЛИРУЕМОГО ПОДВОДА ТЕПЛАпри помощи термобатареи, горячий спай которой приводят в кон такт с объектом, включающий контроль подводимого к объекту теплового потока, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности контроля, холодные спаи термобатареи приводят в контакт с источником тепла, содержащим нагреватель, регулирование величины теплового потока осуществляют путем изменения величины токов термобатареи к нагревателя, соблюдая условие равенства температуры поверхности источника тепла, контактирующего с окру- . жающего средой, с температурой.этой среды, а величину теплового потока определяют как сумму потребляемых , термобатареей и нагревателем мощностей.