Способ измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока Советский патент 1980 года по МПК G01K17/02 

Изобретение относится к тепловым измерениям и может найти применение в исследовательской и производственной практике для анализа радиационно-конвективной обстановки процессов сложного теплообмена . Известен способ измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока с помощью двух тепломеров, имеющих различные поглощательные способности тепловоспринимающих элементов 1. При измерениягс пренебрегбиот терм ческими сопротивлениями тепломер.ов полагают,что конвективные составляю щие тепловых потоков для обоих датч ков одинаковы.Используя показания т ломеров и заранее определенные значения их поглощательных способностей, по известным соотношениям находят составляющие тепловых потоков Однако вследствие того, что коэффи циенты поглощения тепломеров отличаются, будут различными и темпера туры их тепловоспринимгиощих поверхностей/ поэтому допущение о равенстве конвективных соста вляющих не всегда реализуется с достаточной степенью приближения,- что приводит к погрешностям при определении составляющих теплового потока. Искажения результатов измерений особенно велики, когда температуры поверхностей тепломеров отличаются на величину, соизмеримую с температурным перепадом между поверхностью теплообмена и омывающей средой. В таких условиях конвективные составляющие для тепломеров с различными коэффициентами черноты могут отличаться не только по величине, но и по знаку. Известен способ раздельного измерения составляющих теплового потока, основанный на использовании диатермической газовой завесы и заключающийся в двух последовательных измерениях суммарного теплопоглощения в одном и том же месте повер.хности теплообмена, причем один замер осуществляют с диатермической газовой завесой у тепловоспринимаиощей поверхности тепломера,а второй - с отключенной завесой.Обдув тепломера в режиме d диатермической завесой организуют таким образом, чтобы температура газов завесы была близкой к температуре тепловоспринимающей .поверхности датчика. При этом полагают, что конвективная составляющая теплового потока становится равной нулю, либо относительно мала и может быть учтена, а радиационная составляющая остается такой же, как и в режиме без завесы 2. Недостатки способа измерения заключаются в том, что применение газовой завесы неизбежно вызывает изменение рабочей характеристики собственно тепломера и приводит к искажениям параметров среды, особенно при исследовании теплообмена в условиях ограниченного объема. Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока, заключающийся в одновременном измерении суммарных тепловосприятий с помощью двух тепломеров с различными поглощательными способ Гостями лучевоспринимающих поверхно тей.В этом способе измерения раздел ние потоков на лучистую и конвекцио ную составляющие осуществляют по извecтны соотношениям с учетом предварительно измеренных значений чувствительности, коэффициентов черноты и термических сопротивлений тепломеров 3. Недостатком способа является необ ходимость использования большого числа экспериментально измеряемых параметров, что значительно снижает точность измерения. Цель изобретения - повышение точ ности измерения. Поставленная цель достигается тем, ЧТО дополнительно измеряют суммарный тепловой поток, нагревая луч воспринимающую поверхность одного из тепломеров до равенства их показаний, и по замеренной мощности по догрева, поглощательным способностям и показаниям тепломеров определяют составляющие теплового лотока. Уравнения теплового баланса для суммарных тепловых потоков плотностью д. и q , воспринимаемых тепломерами с коэффициентами поглощения лучевоспринимающих поверхностей а, и а в режиме без дополнительного подогрева имеют вид гЯ-к..Чп -va , - конвективные составгде q и q, ляющие тепловых потоков -к тепломерам; с - плотность падающего на лучевоспринимающи поверхности тепломеров излучения, причем и a, qp, -соответственно радиационные составт ляющие тепловых потоков.Ввиду неравен- 65 ствительными ства температур лучевоспринимающих поверхностей q qj Для режима равных тепловосприятий уравнения теплового баланса примут вид Я-ГЯ-К. , () где Р - плотность дополнительно подводимой ко второму тепломеру энергии, выделяемой в его резистивном нагревательном элементе для обеспечения режима равных тепловосприятий. Для тепломеров с равными термическими сопротивлениями вследствие равенства суммарных тепловых потоков и конвективных составля ющих справедливо соотношение ( (} с учетом (1) и (3) выражения, для радиационных (4) и конвективных составляющих (5) потоков для первого и второго тепломеров имеют вид а . Q -ОаР /ь) AidTj a - я- кл-(; Я-.; Яа-.; Я- (5} Учитывая, что показания одного из тепломеров (первого) остаются неизменными в обоих режимах теплопоглощения, при определении составляющих теплового потока предложенным способом в большинстве случаев можно ограничиться измерениями только в режиме равных тепловосприятий. При этом практически более удобно поглощательную способность одного из Тепломеров выбрать одинаковой с поглощательной способностью поверхнос исследуемого объекта, а поглоща:тельную способность второго - по возможности более низкой, чтобы различие в коэффициентах поглощений было максимально. Однако в этом случае, когда при-ходится иметь дело с исследованием сложного теплообмена объекта с высокой отражательной способностью, например с металлическими поверхностями, целесообразно воспользоваться измерениями в обоих режимах обогрева, чтобы различия в коэффициентах поглощения между дополнительно обогреваемым и необогреваемым тепломерами было наибольшим, а погрешность измерения наименьшей. На чертеже представлено устройство для осуществления способа измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока. Устройство для осуществления способа состоит из двух идентичных по чувствительности и термическим сопротивлениям термоэлектрических тепломеров 1 и 2, смонтированных в высокотеплопроводном корпусе 3. Чувэлементами в тепломеpax служат батарейные термоэлектри ческие датчики теплового потока 4, представляющие .собой вспомогательные стенки в виде плотного слоя и большого числа последовательно соединенных и ориентированных поперек тепломеров дифференциальных, термопа Приемные поверхности тепломеров образуют эаформованные на датчиках заподлицо с поверхностью корпуса плоские нагревательные элементы. Последние выполнены в виде изолированных теплопроводных подложек 5 с равномерно распределенными пленочными резисторами 6 в форме меандра. Лучевоспринимающая поверхность тепломера 1 .тщательйо зачернена, а поверхность тепломера 2 покрыта фол гой или краской с высокой отражательной способностью. В качестве вторичных приборов, предназначенных для снятия показаний тепломеров и осуществления контролируемого дополнительного обогрева, используется стандартная элек троизмерительная аппаратура (регулируемый источник тока, нуль-гальванометр, потенциометр, ваттметр). Устройство закрепляют на испытуемом участке поверхности исследуемого объекта, экспонируют в натурных условиях сложного теплообмена и в установившемся тепловом со тоянии снимают показания датчиков, соответствующие суммарным тепловым потокам к тепломерам в режиме равных тепловосприятий, достигаемом путем дополнительного подвода энергии к тепломеру с меньшим коэффициентом поглощения, а также в режиме с отключенным дополнительным подогревом. Электрические сигналы датчиков, соответствующие суммарным тепловым потокам к тепломерам, измеряют компенсационным методом. Операци уравнивания подводимых к тепломерам тепловых потоков осуществляется путем контролируемого с помощью ваттм ра подвода энергии к резистивному нагревательному элементу 6 от регулируемого источника тока. Контрол равенства поглощаемых потоков достигается либо по показаниям тепломе ров, либо с помощью нуль-гальваноме ра, измеряющего разностный сигнал между включенными встречно датчиками тепломеров 1 и 2. Сравнительные испытания предложенного способа с известным показали, что точность измерения составляющих теплового потока в условиях свободной конвекции с излучениемв 3-4 раза выше. Кроме того, благодаря полностью строгой операции разделения составляющих теплообмена, достигаемой в режиме равных тепловосприятий, данный способ с успехом может быть использован в любых условиях слбжного теплообмена, например, при испытаниях объектов новой техники в обстановке больших скоростей теплоносителя, когда известные ранее способы непремениьш, либо дгиот слишком большие погрешности. Формула изобретения Способ измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока, заключающийся в одновременном измерении суммарных тепловосприятий с помощью двух тепломеров с различными поглощательными способностями лучевоспринимающих поверхностей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, доп олнительно измеряют суммарный тепловой поток, нагревая лучевоспринимающую поверхность одного из тепломеров до равенства их показаний, и по замеренной мощности подогрева, поглбщательным способностям и показаниям тепломеров определяют составляющие теплового потока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Кого B.C. Исследование теплообмена в рабочем пространстве мартеновской печи.-Сталь, 1953, №3. 2.Геращенко О.А. и др. Новые приборы для исследования свойств теплового излучения. Материалы Ш Всесоюзного Совещания по лучистому теплообмену, Краснодар, 1975, с.107-116. 3.Авторское свидетельство ССС 251872, кл. G 01 К 17/00, 1968 (прототип).

746210