Способ определения локального коэффициента теплоотдачи Советский патент 1992 года по МПК G01K17/20 

1

(21)4646399/10 (22)26.12.88 (46)15.12.92. Бюл. №46

(71)Институт кибернетики им. В.М.Глушко- ва

(72)В.Т.Кондратов и Н.В.Сиренко

(56)Авторское свидетельство СССР № 147009, кл. G 01 К 17/00, 1961.

Авторское свидетельство СССР Ns 155975, кл. G 01 К 7/16, 1962. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ

(57)Использование: исследование конвективного теплообмена между нагретым объектом и охлаждающей средой. Сущность изобретения: нагревают датчик теплового потока (ДТП), установленный в непосредственной близости от объекта контроля, токовыми импульсами с периодом следования, равным(3-20)г, где г-тепловая постоянная времени датчика. В момент ti равенства температуры поверхности ДТП температуре поверхности объекта измеряют тепловой поток, температуру окружающей среды и температуру поверхности ДТП: По измеренным значениям определяют величину локального коэффициента теплоотдачи. 3 ил ,1 табл.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при оценке конвективного теплообмена между объектом, излучающим тепло, и охлаждающей средой, например, в автомобилестроении, металлургии, авиационной промышленности, в энергетике и т д.

Известны способы определения коэффициента теплоотдачи, основанные на использовании закона Ньютона-Рихмана, согласно которому

а Q/S(ti - t2)BT/(M2 К,

где Q - тепловой поток на стенке исследуемого объекта,

ti - температура поверхности объекта; t2 - температура охлаждающей среды, S - площадь поверхности теплоотдачи, Известным способам присуща недостаточная точность определения коэффициента теплоотдачи, обусловленная погрешностями измерения теплового потока, температуры поверхности объекта и температуры охлаждающей среды, а также необходимостью учета площади поверхности теплоотдачи. Отмеченные недостатки ограничивают широкое использование извест- н ых способов определения коэффициента теплоотдачи.

Известен способ определения локального коэффициента теплоотдачи (%i , включающий нагревание датчика теплового потока, установленного в непосредственной близости от объекта, и измерение теплового потока Qi, температуры T0i окружающей среды и температуры Тж поверхности датчика теплового потока е момент ti равенства ее температуре Ти поверхности объекта, с последующим определением а по измеренным значениям.

Недостатком известного способа является низкая точность в условиях нестационарного теплообмена, обусловленная влиянием погрешности измерения ТН|.

сл

ч

ел о

ы

&

Цель изобретения - повышение точности определения ck Б условиях нестационарного теплообмена.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе нагрев датчика теплового потока осуществляют до температуры Tki ±(0,01 - 0,1)Tki токовыми импульсами с периодом следования, равным (3-20) г, где г- тепловая постоянная времени датчика, а величину п- определяют по формуле:

cq Ki

Qi

(ТKi - THI) - (Toi THJ)

где KI - значение коэффициента пропорциональности, соответствующее значению AT2I (Т0 - ТнО при ДТц (Tki - Tui) 0 и полученное в процессе калибровки датчика.

На фиг, 1 изображена структурная схема датчика теплового потока устройства, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 - схема устройства для определения локального коэффициента теплоотдачи; на фиг. 3 - изменение температуры датчика теплового потока.

Датчик 1 теплового потока (см. фиг. 1), включает в себя датчик 2 температуры, преобразователь 3 тепловой мощности в электрический сигнал и нагреватель 4. Причем нагреватель 4 установлен с одной стороны поверхности преобразователя 3 теплозой мощности, а датчик 2 температуры - с другой стороны. С выхода датчика 2 снимается тормоЭДС, а с выхода преобразователя 3 - сигнал, действующее значение которого пропорционально тепловой мощности СЬ. Температура нагревателя 4 регулируется путем изменения тока входного сигнала.

В качестве датчика 2 используется термопара. Для преобразования тепловой мощности в электрический сигнал используется химический источник тока (ХИТ), нагруженный иа образцовый резистор RO. В качестве блока 4 используется электрический нагреватель, питаемый от управляемого источника.

Температура Тн нагревателя 4 измеряется с помощью датчика 2 (термопары), размещенного на поверхности подогреваемого преобразователя 3 тепловой мощности. Сам датчик 1 теплового потока располагают на уровне исследуемого объекта . Причем для исключения теплообмена между ними устанавливают теплоизолятор. Охлаждающий поток (или среда) с температурой Т0 создается с помощью управляемого охладителя. В качестве охлаждающей среды может быть использовано вещество, находящееся в жидком или газообразном состоянии, например вода или жидкий азот и т.д. Если в качестве охлаждающей среды используется, например, вода, то исследуемый объект, датчик теплового потока, теплоизолятор, охладитель и датчик температуры изолируют о т воздействия охлаждающей среды путем, например, помещения в замкнутое пространство.

На фиг. 2 приведена структурная схема

одного из вариантов практической реализации предложенного способа определения коэффициента теплоотдачи, где 1 - датчик теплового потока, состоящий из датчика 2 температуры Тн нагрева, преобразователя 3

тепловой мощности в электрический сигнал и нагревателя 4, 5 - исследуемый обьект, 6 - датчик температуры Tk исследуемого объекта, 7 - датчик температуры Т0 охлаждающей среды, 8 - охладитель, 9 - блок

управления охладителем, 10 - первый измеритель температуры То, 11 - второй измери- тель температуры Tk, 12 - первый дифференциальный измеритель температуры, 13 - второй дифференциальный измеритель температуры, 14 - милливольтметр действующих значений, 15 - управляемый источник тока, 16 - генератор модулирующего сигнала, 17 - кнопка,18 - калькулятор, 19 - теплоизолятор, 20 - камера или трубопровод.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изменяют температуру Тн теплового поток а с поверхности датчика 1 по пилообразному закону путем нагрева датчика 1 периодическими токовыми импульсами, поступающими на нагреватель 4 с периодом следования (3-20)г, где т -тепловая постоянная времени датчика 1 теплового потока

Нагрев проводят до температуры

Tki ±(0,01 -0,1)Tk.

Измеряют температуры Tki, T0i и Тж по- верхностей исследуемого объекта, охлаждающей среды и датчика теплового потока, соответственно, а затем определяют разности температур

50ATii Tki-TMi

и AT2i Т01-Ти1

(1) (2)

В моменты времени Тм, ti и tn-1 (см. фиг. 3) равенства первой разности(1)температур значений + Л Т, О и -Д Т соответственно, измеряют значение QI теплового потока, пропорциональное выходному сигналу датчика 1 теплового потока, значения температур Tki и T0i. Изменения температуры

нагрева выбирают из условия Д Т (0,01 - 0,1)Tk, где Tk - температура поверхности исследуемого объекта Другими словами А Т не превышает (1-10)% от Tk. Интервалы ± ДТ на фиг. 3 отмечены пунктирными линиями, параллельными оси времени.

Необходимо отметить, что длительность периода (цикла) изменения температуры поверхности датчика 1 зависит от теплопроводности элементов конструкции датчика 1 теплового потока, в частности, например, преобразователя тепловой мощности, от площади излучающей поверхности и от температуры охлаждающей среды,

полученных при градуировке характеристики датчика 1 теплового потока и аппроксимации ее п ступеньками (дискретами) кривой.20

Об истинном значении коэффициента теплоотдачи судят по выражению

а KI

Qi

KI

QI

ATli-AT2,(Tki - THI) - (Toi - TH

(3)

где Qi - значение теплового потока в ti-й момент времени,

Ki - дискретное значение коэффициента пропорциональности, соответствующее значению AT2i;

АТци AT2i - первая и вторая разности температур;

Tki, THi и Т0 - значения температур по- верхностей исследуемого объекта, датчика теплового потока и охлаждающей среды в ti-й момент времени.

Датчики 6,2 и 7 (фиг. 2) формируют электрические сигналы Етк. Етн и Ето, пропорци- опальные температурам поверхностей исследуемого объекта 5, первичного преобразователя 1 и охлаждающей среды. Для этого датчики б и 7 установлены, соответственно, на исследуемом объекте 5 и охлади- теле 8.

Преобразователь 3 тепловой мощности формирует сигнал Ет пропорциональный тепловому потоку СЬ

Сигнал Етк датчика 6 поступает на вход второго измерителя температуры 11 и на прямой вход первого дифференциального измерителя температуры 12 Сигнал EHi датчика 2 поступает на объединенные инверсные входы первого и второго

а в целом, - от тепловой постоянной времени г.

Допустим, что в ti-й момент времени измеренное значение теплового потока равно

QI, а значения температур поверхности исследуемого объекта и охлаждающей среды равны, соответственно Ти и Т0|.

По значению А П второй разности (2) температур, соответствующей моменту времени равенства нулю первой разности температур (1), т.е. при А Тц 0, выбирают соответствующее дискретное знамение коэффициента пропорциональности К|. Допустим, что значению А Т2 (при Ти THi)

соответствует значение Ki, выбранное из таблицы п значений и Ki:

дифференциальных измерителей темпера тур 12 и 13.

Сигнал Ето датчика 7 поступает на вход первого измерителя температуры 10 и на прямой вход второго дифференциального измерителя температуры 13. Сигнал Еп с выхода преобразователя 3 тепловой мощности поступает на вход милливольтметра 13 действующих значений.

Источник тока 15, генератор 16 и блок 9 управления охладителем 8 имеют ручное управление.

При определении коэффициента теплоотдачи с помощью блока управления 9 устанавливают такой режим работы охладителя 8, который обеспечивает получение температуры охлаждающей среды равной, например, TQ

С помощью генератора 16 модулирующего сигнала задают определенное значение периода модулирующего сигнала и его амплитуду, обеспечивающие изменение температуры нагрева нагревателя 4 в пределах ± AT. Необходимо отметить, что период модулирующего сигнала выбирают с учетом постоянной времени г установления переходных тепловых процессов (Т (30-20) т).

Значение ДТ устанавливают в пределах (0,01-0,1)- Тк с учетом следующих обстоятельств- во-первых, случайная составляющая погрешности измерения с еероятностью 0,997-0,9999 должна находиться в интервале (3-4) с; где а-средняя квадратическая погрешность измерения температуры: во-вторых, инерционность нагревателя не обеспечивает мгновенное изменение температуры после

изменения управляющего воздействия. Поэтому, с учетом инерционности нагревателя, интервал А Т выбирается заведомо большим, чем по первому условию.

С помощью управляемого источника то- ка выбирают такое значение питания п нагревателя 4, которое обеспечивает нагрев его до температуры Тн Тк Под воздействием модулирующего сигнала генератора 16 достигается пилообразный закон изме- нения температуры нагревателя относительно температуры исследуемого объекта (см. фиг. 3).

Для устранения влияния температуры исследуемого объекта 5 на нагреватель 4 может быть использован теплоизолятор 19, помещенный между блоками 5 и 1. В ряде случаев необходимость в этом отпадает. Например, в случае маломощного источника тока 15 используют дополнительную тепло- вую мощность исследуемого объекта 5. В других случаях теплоизолятор 19 не используют из-за трудности его установки и обеспечения надежной теплоизоляции.

После установки заданного значения тока питания нагревателя 4 и амплитуды его изменения (Д I) включают кнопку 17. В результате температура поверхности датчика теплового потока 1 будет изменяться по пи- лообразному закону, как показано на фиг. 3.

С помощью первого дифференциального измерителя температуры 12 измеряют значение первой разности температур (1). Допустим, что в результате измерений получили

М1-(Етк-Етн)51(1 + yi) + ANi,

где ANi - аддитивная составляющая погрешности измерения,

(Етк - ETn)Si yi - мультипликативная составляющая погрешности измерения;

Si - крутизна преобразования,

Етк - Етн - разность сигналов датчиков б и 2, поступаемая на дифференциальный измеритель температуры 12. С помощью второго дифференциального измерителя температуры 13 измеряют значение второй разности температур (2):

N2 (Ето - ETH)S2(1 + У2) + А N2, (6)

где AN2 - аддитивная составляющая по- грешности измерения;

(Ето - ЕТн}52У2 - мультипликативная составляющая погрешности измерения,

$2 - крутизна преобразования.

Ето - Ети - разность сигналов датчиков 7 и 2, поступаемая на второй дифференциальный измеритель температуры 13.

Поскольку управление током питания источника тока 15 осуществляется от генератора 16 модулирующего сигнала, то измерение тока питания от значениям AT блока 12 не проводится В момент времени ti равенства нулю первой разности температур, т.е. при ATii 0, определяемом по показаниям цифрового отсчетного устройства блока 12, с помощью милливольтметра 14 измеряют действующее значение V, выходного сигнала преобразователя 3 тепловой мощности:

ViSaO + уз) ANq

(7)

15 20 25

30

35

40

45

50

55

где Vi - действующее значение выходного сигнала преобразователя;

5з - крутизна преобразования; А№ - аддитивная составляющая погрешности измерения;

ViSs Уз - мультипликативная составляющая погрешности измерения.

Одновременно, с помощью измерите- лей 11 и 10 температур уточняют значения температур Ты и T0i:

N4 ETKS4(1 + У4) н А N4 .(8)

Ms EroS5(1 + У5) ь АМ5 ,(9)

где Етк и Ето выходные сигналы датчиков 6 и 7 соответственно;

SA и Ss- крутизна преобразования сигналов в код блоков 11 и 10;

А N4 и ANs-аддитивные погрешности измерения температуры с помощью измерителей 11 и 10 соответственно,

ЕткЗз YA и EToSs У5 - мультипликативные составляющие погрешности измерения.

В ti-й момент времени, соответствующий равенству нулю первой разности температур, т.е. A Tit 0, на выходе первого дифференциального измерителя температур 12 формируется короткий импульс. Этот импульс поступает на управляющие входы выходных регистров блоков 10, 11 и 13. В результате обеспечивается запоминание измеренных значений , NB и N2 температур Ть и То и второй разности температур AT2i. Сброс показаний осуществляется вручную, путем нажагия на кнопки сброс (не показаны).

По показанию второго дифференциального измерителя температуры 13. соответствующему значению N2 второй разности (2) температур, в момент времени равенства

нулю первой разности температур, выбирают дискретное значение коэффициента пропорциональности К; по табличным данным, полученным при тарировке датчика 1 теплового потока,

С помощью калькулятора 18 определяют значение коэффициента теплоотдачи согласно выражению

N. Nki

N3

N1 N2

(10)

аналогичного выражения (3).

В отличие от известных, предложенный способ определения локального коэффициента теплоотдачи отличается повышенной точностью измерения. Это достигается за счет исключения аддитивной составляющей погрешности измерения температур и уменьшения мультипликативной составляющей путем учета ее при выборе дискретных значений коэффициента пропорциональности К( При определении частного от деления обеспечивается существенное уменьшение влияния мультипликативной составляющей погрешности определения разности температур. Полное ее исключение достигается только при значениях , соответствующих середине дискретных интервалов температур при ступенчатой аппроксимации градуировоч- ной характеристики. Кроме того, повышение точности определения коэффициента теплоотдачи достигается за счет исключения погрешности от нелинейности градуи- ровочной характеристики датчика путем выбора дискретных значений коэффициентов пропорциональности Kj по дискретным значениям разности температур ДТ21. соответствующих моментам времени равенства нулю первой разности температур, т.е. при ДТ1, 0.

В предложенном способе повышение точности достигается также за счет высокоточного определения значения температуры THi. Это достигается за счет высокоточного определения момента времени tj измерения.

Повышение быстродействия определения коэффициента теплоотдачи о достигается за счет измерения температуры Тн теплового потока с поверхности датчика по

пилообразному закону путем поочередного изменения тока питания нагревателя в заданных пределах. Это уменьшает время выхода на установленный режим измерений. 5Полученные результаты определения

коэффициента теплоотдачи (при Tk const в течение времени измерений) могут быть обработаны согласно выражения

10

| «,03)

где п - число измерений, с целью уменьшения в VrTpaa случайной составляющей погрешности измерения.

При нестационарной температуре Т целесообразно определять зависимости а (t.) в течение всего времени измерения (наблю- дения) коэффициента теплоотдачи исследуемого объекта, а затем осуществлять усреднение результатов за определенный интервал времени, учитывающий нестационарность (или периодичность измерения) температуры Тк.

Формула изобретения Способ определения локального коэффициента теплоотдачи, включающий нз- гревание датчика теплового потока, установленного в непосредственной близости от объекта, и измерение теплового потока Qi, температуры Т01 окружающей среды и температуры ТИ| поверхности датчика теплового потока в момент ti равенства ее тем- пературе Ты поверхности объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в условиях нестационарного теплообмена, нагрев датчика теплового потока осуществляют до температуры Tki ± (0,01- 0,1)Tki токовыми импульсами с периодом следования, равным (3-20) г, где т - тепловая постоянная времени датчика, а величину локального коэффициента теплоотдачи определяют по формуле:

(tk.-THi)(Toi--TH,)

где KI - значение коэффициента пропорциональности, соответствующее значению

A T2i (Toi - ТнО при A Ti, (Tki - ТН1) 0 и

полученное в процессе калибровки датчика.

СО 1Л

со гV:Сэ

г

о

f4

J

«N Ci

§

ЧСз

и о