Способ определения теплофизических характеристик полуограниченной среды Советский патент 1991 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик полуограниченных сред, например, электрообогреваемых полов в сельскохозяйственных помещениях.

Цель изобретения - повышение точности и расширение области применения,

На фиг.1 приведена схема теплового расчета элемента объема полуограниченной среды; на фиг.2 - схема электрических соединений элементов для проведения экспериментов.

В общем случае тепловыделение от нагревателя 1 (нагревательной спирали) Q происходит согласно выражению

Д + оЧ(D

где Q 1 - полезно используемая часть составляющей удельного теплового потока теплопроводностью, направленная вверх от нагревателя 1 к поверхности 2 среды 3;

Q 2 - удельные потери теплоты теплопроводностью через грунт.

У поверхности 2 полуограниченной электрообогреваемой среды 3 по всей плоО 00

о

00

ю

О

щада Fi имеют место следующие балансе-Тк.п - температура среды на заданном

вые соотношения тепловых потоков:расстоянии (h) от поверхности (контрольная

плоскость);

V Q/1) V Q/1) +У QiЈ1) (2)RK1.2- термическое сопротивление ду витками спирали,

v /2) „ v (z v (z} f Термическое сопротивление RK1.2 опреL Q L Qrf + 2, Q : (3)деляется по формуле

(,- „ j ч f.,4RK1.2 (2яЯ) 1 In X

2Q/3))+2 );(4) 1Q x{s/(ff)sh(Orhy(2S)}R

где Q(1)y, и Q(1) - составляющие удельногогде RiS соответственно внешний радиус

теплового потока излучением и конвекцией.изоляционной оболочки спирали и шаг межВерхние индексы (1), (2) и (3) соответст-ду ее виткамм.

вуют первому, второму и третьему стацио-я - теплопроводность среды,

нарным тепловым режимам.15 Температуру поверхности изолмрованПри различных температурах воздуха иной „агревательной спирали определяют по

ограждающих конструкций 4 регулировани-формуле, структурно одинаковой для всех

ем мощности нагревательной плоской спи-тепловых режимов

рали, размещенной о прлуограниченной2

среде, до величин Р 1 и Р добиваются от- 20у п т -У-.-L + 20 ) -

сутствия градиента температур между ееrapio

поверхностью и воздухом, т.е.- (. ()4)

л, 7L АО -Г

0(5)где -1 а r соответственно напряжение

25 электропитания, температурный коэффицид у{2) у(2)пв yfz)B Q gjент сопротивления и радиус нагревательной спирали;

где Тпв - температура поверхности среды;рго,Ац соответственно удельное

Тв-температура воздуха.30 электрическое сопротивление при 20 С и

Это обусловливает отсутствие также со- теплопроводность изоляционной оболочки ставлягощих теплового потока конвекцией:нагревательной спирали.

Делением (11) на (12) получаем первую

УГ./О-Л .«лфункциональную зависимость между темпе 35 ратурами контрольной плоскости п и

, -к п с одновременным

2 QK- - 0(8) лопроводности среды Я:

Тогда из (2) и (3) следует, что:, , -. (1)

2Л-1Л« со К

(2) v (2)Х()-Т(Й-Т(К2П))(15)

2j Q 1 - Z, Q л(10)Составляющие теплового потока теплопроводностью у поверхности среды могут

Взаимосвязь между потребными мощ- 46 быть выражены следующим образом: ностями Р нагрева полуограниченной среды и соответствующими температурными режимами (фиг, 1) устанавливают формулы/ Т т -Т

-, (11 ( 1Т.Т па «,п k.n ns

0)(2тИ-тф-тЦ)ь,. 4R««R« (16)

Ev к п с одновременным устранением теп)и

/ /л Ј

..Тflllb К.ГТ У Л Л

,-Tg-rS , ..

pfO-())L ««« R „;

2 R k 1,2 5bгде гермическое сопротивление среды:

где L общая длина нагревательной спира-п Т§

™ Делением (16) и (17) и учитывая условия

Тп.т - температура поверхности нагре-(9) и (10), получаем аательной спирали: 60

ратурами контрольной плоскости п и

Е -к п с одновременным

лопроводности среды Я:

Ev к п с одновременным устранением теп (16)

)и

/ /л Ј

ы R( и иты(тго тмча Pwen 5/№Rl5hl by(2stfl

frJl L JtT .п)4Кк«.г.т1-.)ft - ,

л и. ./ (2 ) f .) i

вв{гт; т« : й,) g W „т-т Р6-т-)

(19)После нахождения значения теплопроСоставляющие теплового потока излу-водности А по формулам (16) и (17) опречением могут быть определены по форму-деляют составляющие теплового потока лам

10 теплопроводностью или 5)

г.,о „7,.4. ,ы „,,..найденные величины на основании (9) или

ЈQ(;1-enpceF, ) - (20)(10 подставляют в формулы (20) или (21). из

котопых оппяпеляют ППИВЙЛЙННУЮ г.тепянь

го,

которых определяют приведенную степень

w

f I - I- I I 1 - | :.

Например, по данным первого теплово.Р с .fOilin /оц черноты. & РС°Ч1 оо ) i 100 (Л)15 Напр

Изобретение относится к области экспериментальной теплофизики и может быть использовано для определения теплофизических характеристик полуограниченных сред, например электрообогреваемых полов в сельскохозяйственных помещениях. Цель изобретения - повышение точности и расширение области применения. Путем регулирования мощности электронагревателя, размещенного в исследуемой полуограниченной среде, последовательно создают три стационарных теплбвых режима, два из которых характеризуются нулевым перепадом температуры между поверхностью среды и воздуха а третий - ненулевым перепадом, определяют тепловой поток через среду, температуру нагревателя, а также измеряют температуры воздуха и поверхности среды, причем температуры воздуха в первых двух режимах отличаются друг от друга. По полученным данным определяется теплопроводность среды, коэффициент теплоотдачи и приведенная интегральная степень черноты поверхности среды и ограждающих конструкций. 2 ил.

-Пр

где бпр -приведенная степень черноту по-р Г/тпв+й731

верхностисреды и ограждающих конструк-° I wo / I шо

СОР,

1 (26)

ций;20 Для определения конвективного коэфСд - константа Болыдмана;фициента теплоотдачи ак изменением огр и Г огр температуры ограждаю-пряжения на нагревательной спирали до

щих конструкций.некоторой мощности Р создают перепад

Решением отношения (19) с учетом (20)температуры между поверхностью прлуоги (21) получаем вторую функциональную за-25 раниченной среды и воздухом: висимость между температурами Ткп конт-Р3)в. При этом тепловом режиме определярольной плоскости с устранениемют температуру контрольной плоскости по

теплопроводности А и приведенной степе-формуле

ни черноты епр :fi; /.л 9р(3) r

,п WM. V , К т-и« т 3° Т - 2 Т R К 12 - Т

м v...T.1-T..) ;.T, I22)(2)

Тогда соответствующая составляющая + теплового потока теплопроводностью

ЮС Р35 Sof3)(2T,.T (3)-т1п3в)-Т..п)(

.+I%lW-)L ,28,

«00 / { 100 /Rn

Далее определяют значение составляющей теплового потока излучением Тогда сопоставление (15) с (22) дает возможность определить температуру:. 0 .

т-ч 11 / Т VIR т 273 чл Јnp Co Fl ()

45rTfe)+273 ,

,а ..ES(4l.w-R.,(4...vS(«.«-W..)VЮС J

т« 2Гм 3 Р) можно найти величину составля «« 7Г1 |ющей теплового потока конвекцией:

(23)

50 2Q.{3)2a{3 -2Q/3- (зо)

После этого из формулы (15) находят

также температуру г1 к.п. При известных„ / з )

температурах контрольной плоскости пред- ак как подчиняется закоставляется возможным из формул (11)и(12)НУ Ньютона-Рихмана

с учетом (13) найти искомое значение тепло-55 2 Oil-3 «K(TtiV Tfe3)Fi, ископроводности полуограниченной среды:мый конвективный коэффициент теплоотP(0Pn(,( ll Дачи с учетом (28) и (29) может быть

г- ьпт. ii MJi puj t р4)определен по следующей формуле:

I fctuT -T -TWM

.т п& 1к.п

го режима(0

-Пр

SQ

А

р Г/тпв+й73

°

СОР,

rf... ii ч„ R J

r Л(т) п1:;) 1/ (31) e - I/

/INV-Ti V,.

Отличительным признаком предлагаемого способа от прототипа является значительное расширение диапазона исследуемых свойств полуограниченной среды, заключающееся в дополнительном определении качественно новых параметров.

Рассмотрим в качестве примера определение теплофизических характеристик бетонного пола в помещении холодильника, стены и потолок которого покрыты шероховатой известковой штукатуркой. Для удобства третий тепловой режим был прозе- ден после первого,

Для обогрева пола применена нагревательная спираль из провода марки ПОСХВ с радиусом стальной жилы ,55 мм, внешним радиусом ,45 мм и каталоговой теплопроводностью изоляционной оболочки Амз - 0,3 Вт/м °С длиной 1 200 мм, шагом мм и глубиной укладки мм.

Удельное электрическое сопротивление нагревательного провода при 20°С р2о 0,147 Ом/м. Температурный коэффициент сопротивления / 0,0045° . Расчетная толщина слоя электрообогреааемого пола И 100мм.

Последовательность проведения эксперимента.

При температуре воздуха г в 19°С с помощью автотрансформатора 5 (фиг.2) регулировали напряжение на размещенной в полу нагревательной спирали, изменяя ее мощность до получения равенства между температурами окружающего воздуха и поверхностью пола г в г TIB 19°С, измеренными электронным термометром поверхностей марки ЭТП -1м. Этим же прибором измеряли температуру на поверхности ограждающих пол конструкций (стены, потолок) 13,5°С. Ваттметром 6 измеряли мощность 331,5 Вт, а вольтметром 7-напряжение L) 103,5 8, после чего по формуле (14) определяли температуру поверхности изоляционной оболочки нагревательной спирали: .т 21,0°С.

Аналогичные измерения осуществили при втором тепловом режиме с температурой воздуха т 2 в 12°С, получая соответствующие данные: 12°С, р 2 4428т, U(2) - 117,9 В, Тр)и.т . 14,5°С, Т(2)ОГР 4,7°С.

После этого по формуле (23) находили значение температуры контрольной плоскости при втором тепловом режиме Г2 к.л

13°С, а по формуле (15)- при-первом тепловом режиме г к.п - 20°С.

По полученным данным определили теплопроводность пола по формуле (24)

АО) 0,85 ВТ/м °С, а по формуле (25) проверяли достоверность ее значения,также получая

А(0

0,85

Вт

-, Совпам -°С

Q деиие результатов подтверждает правильность экспериментальных данных и расчета.

При известной Я по формуле (16) опреg деляли поток теплоты Q- i 250, 75 Вт, после чего по формуле (26) находили приведенную степень черноты при лучистом теплообмене между поверхностью пола и ограждающими его конструкциями ,83.

Q После этого путем повышения мощности нагревательной спирали пола создавали тепловой режим с градиентом температуры между поверхностью пола и воздухом и, произведя аналогичные измерения и расче5 ты, как при двух предыдущих тепловых режимах, получили следующие данные: 12.5°С, Лв 1 б,0°С, Таотр 10,0°С, Т(3)п.т 18,7°С, Р(3) 486,2 Вт, U13) 124,8В. Тр)к.п 17,0°С, дающие возможность по формуле

0 (31) определить конвективный коэффициент теплоотдачи «к 4,39 Вт/м2 °С.

Использование предлагаемого способа определения характеристик теплообмена полуограниченной среды обеспечивает по

5 сравнению с базовым способом следующие преимущества: расширен диапазон комплексно определяемых теплофизических характеристик, так как дополнительно определяется приведенная степень черно0 ты, а также повышена точность определения теплопроводности среды, так как учтено отличие в температурах воздуха и ограждающих конструкций.

Формула изобретения

5 Способ определения теплофизических характеристик полуогрэниченной среды, заключающийся в том, что при постоянной во времени температуре ограждающих среду конструкций и воздуха путем регулирования

0 мощности электронагревателя, размещенного в среде, в первом стационарном тепловом режиме добиваются отсутствия, а во втором - наличия градиента температур между поверхностью среды и воздухом, оп5 ределяют тепловой поток через среду, температуру нагревателя, а также измеряют температуры воздуха и поверхности среды и по полученным данным вычисляют искомые характеристики, отличающийся тем, что, с целью повышения точности м

расширения области применения, дополнительно создают третий стационарный тепловой режим с нулевым перепадом температуры между поверхностью среды и воздухом, температура которого отличается

№

/JMHIHUI Tf

ffff 8

v

и

(fjP(1)

IL/I

Т(1)

и.т

в

(D

лЛ5

от температуры воздуха в первом режима, и по измеренным параметрам определяют приведенную интегральную степень черноты поверхности среды и ограждающих конструкций.

Т,

огр

а

CD

л

Tf

ffff 8

,

3

(D

Тк.п

Фиг.1

Фиг.2