Устройство для определения теплофизических свойств различных изделий,например,компактных теплообменников Советский патент 1981 года по МПК G01N25/00 

(54) УСТРОПСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ, НАПРИМЕР КОМПАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

1

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может 6fciTb использовано для определения коэффициентов теплоотдачи и качества изготовления компактных теплообменников, применяекках в установках кондиционирования воздуха, авиационных охладителях, системах воздушного охлгикдения электронных приборов,

Известно устройство для изучения теплоотдачи при движении воздуха в трубе, содержгицее опытную трубу, расположенную параллельно оси барабана с двойными стенками, систему термопар и два нагревателя, основной и компенсационный . В нижней час- . ти полости, образованной опытной трубой и внутренней стенкой барабана установлен основной электрический нагреватель, а сама полость наполовину заполнена жидкостью. Компенсационный нагреватель установлен на внешней поверхности барабана и служит для подвода тепла к жидкости, наполовину заполняющей полость между двойными стенками барабана. О равенстве тем ператур в обеих полостях судят по равенству давлений в них. Разность давлений измеряют с помощью дифференцисшьного манометра. При включенном

основном нагревателе образукщийся пар конденсируется.на поверхности трубы, внутри которой движется холодный воздух. Парообразование в полости между двойными стенками осуществляется с помощью компенсационного нагревателя. С помощью дифференциального манометра контролируют равенство давлений в обеих полостях

10 устройства и, поддерживая одинаковые давления в полостях, обеспечивают адиабатичность внутренней стенки барабана. Это позволяет определять количество тепла, подведенное к возду15ху, по мощности основного нагревателя. Разность температур определяют с помощью термопар, установленных на внутренней поверхности опытной трубы и на входе и выходе исследуемого

20 участка. Коэффициент теплоотдачи определяют как отношение плотности теплового потока к разности температур 11 .

Недостатками данного устройства

25 являются низкая точность определения коэффициентов теплоотдачи из-за трудности обеспечения адиабатичности внутренней стенки барабана и его торцов, необходимость в температурных

30 измерениях, а также болыйие затраты

времени на подготовку и проведение экспериментов.

Наиболее близким к предложенному .является устройство для исследования тепловых характеристик пластинчатых теплопередающих поверхностей, содержащее соединенную с компактным, тепаообменником систему подачи газа с установленными в ней расходомером, приемниками статического давления и термопарами для измерения температуры газа на вз(Ъде, систему термопар для измерения температуры поверхности теплообмена и температуры газа на выходе из компактного теплообменника, причем компактный теплообменник установлен в )азъемном корпусе, подсоединенном к системе термостатирования, и систему измерения. Подвод тепла осуществляется паром, омывающим исследуемый образец. Величину плотности теплового потока определяют энтальпийным методом по измеренным величинам расхода движущейся среды, статическому давлению и температурам газа на входе и выходе компактного теплообменника. Необходимую для расчета коэффициента теплоотдачи разность температур определяют по показаниям системы термопар, установленных на поверхности раздела фаз, на входе и выходе исследуемого образца 2.

Недостатками этого устройства являются низкая точность определения коэффициента теплоотдачи (сУ 16%) обусловленная большой погрешностью в определении плотности теплового потока энтальпийным методом из-за неучтенных теплопритоков и малой разности температур, а также громоздкость экспериментальной установки, вызванная- необходимостью в получении греющего пара, большие затраты времени на монтаж компактного теплообменника в измерительную ячейку (24 ч) подготовку устройства к работе (4 ч), проведение-эксперимента и обработку результатов опытов (1ч).

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введен дополнительный компактный теплообменник с автономной системой подвода и контроля параметров теплоносителя, образующий индивидуальную нзмерительную ячейку, кроме того, в каждую из измерительных ячеек введены тепломеры с одинаковой чувствительностью и заданнымр.равными термическими сопротивлениями, смонтированные на термостатируелвлх блоках, подключенных параллельно к системе термостатирования, причем в одной из измерительных ячеек тепломеры контактируют непосредственно .с поверхностями компактного теплообменника, а в друга: - между поверхностями компактного теплробменника и поверхностями тепломеров введены съемные вкладыши с заданными равными термическими сопротивлениями и поверхностя.ми контакта, совпадающими по размерам с поверхностями контакта тепломеров и компактных теплообменников.

На чертеже изображено устройство, Оригинальная часть (без показа расходомеров, приемников статического

давления и вторичной аппаратуры).

Оригинальная часть предложенного устройства содержит две измерительны ячейки, разделенные теплоизоляционной пластиной 1. Каждая из измерительных ячеек содержит тепломеры 2, соединенные последовательно по электрическому сигналу и смонтированные на поверхностях термостатирующих блоков 3, которые выполнены в виДе проточных теплообменников и служат для термЬстатирования поверхностей тепломеров 2. В одной измерительной ячейке компактный теплообменник 4 установлен непосредственно между тепломерами 2. Во второй измерительной ячейке между тепломерами 2 и компактным теплообменником 4 помещены съемные вкладыши с заданными равными между собой термическими сопротивлениями. Компактные теплообменники 4 снабжены переходниками 5 для подключения их к системе подачи теплоносителя (жидкости или газа). Для обеспечения стабильности во времени контактных сопротивлений между соответствующими поверхностями к крайним термостатирующим блоком приложено постоянно действующее усилие Р .

Для определения коэффициентов теплоотдачи компактногб теплообменника 4 требуются Два одинаковых исследуемых образца. В одной.из измерительных ячеек компактный теплообменник 4 устанавливают -непосредственно между тепломерами 2. Второй компактный теплообменник монтируют в другой измерительной ячейке так, что он контактирует с тепломерами 2 через съемные вкладыши:б. Исследуемые компактные теплообменники соединяют с системой подачи теплоносителя 5, после чего собранный пакет нагружает постоянно действующим , усилием Р . Термостатирующие блоки 3 подключают с помощью штуцеров к термостатам и вк.лючают систему термостатирования. Через исследуемые компактные теплообменники 4 пропускают газ (жидкость) с контролируемым параметрами. Тепломеры 2 подключают к вторичной аппаратуре. Коэффициент теплоотдачи вычисляют по величине отношения плотностей теплового потока, проходящего через соответствующие тепломеры, и величине расхода газа по нижеприведенной формуле (4).

Если температуры контактов тепломеров с термостатирующими блоками одинаковы, и температуры газа на входе в обе измерительные ячейки ра ны, то при условии равенства расходов газа, плотности, теплового потока, проходящего через тепломеры мо гут быть представлены следующими уравнениями %Ч с- -«Х1/ - т) г-(( .)) a (L 1 ) % -fp7- Ki-bH/j где q ид-- плотности теплового потока, проходящего через тепломеры 2; tjj - температура контактов тепломеров 2 с термостат ирующими блоками одинаковая во всех из мерительных ячейках; t и t- - средняя по длине исследуемого образца ко пактного теплообменни температура движущейс среды (газа); А, - коэффициент теплоотда RT - термическое сопротивл ние тепломеров 2 (Оди наковое для всех тепломеров) ; Rgy. - термическое сопротивление вкладышей б; G и G - расход ra3a-(G %) Ср - теплоемкость газа; FT - площадь тепловосприни мающей поверхности тепломера; ty - Температура газа на входе в исследуемые компактные теплообмен ника; K-t Ко температура газа на. выходе из исследуемых 1вэнтактных теплообмен ников. Если принять за среднюю температуру газа по длине исследуемого компактного теплообменника среднее арифметическое между t и t , то значение температурного напора может быть рассчитано по формуле: ()- 3J Слъяует заметить, что среднее арифметическое значение температуры напора всегда больше среднего логарифмического и при д trt/uty 0,6, где it ц - наименьший температурный яапор; наибольший температур ный напор, они отличаются друг от друга меньше, чем на 3%. Такая погрешность в технических расчетах является удовлетворительной. Решив систему уравнений (1 - 3) относительно коэффициента теплоотдачи dt f получаем расчетную формулу вида ЪУ. fl V а la.. т G,C« / Из анализа формулы (4) следует, что, зная величины К,- и R, которые являются константами устройства, и измерив плотности теплового потока Ч и q, а также расход газа G MomHo определить коэффициент теплоотдачи cL без измерения температур, .т.е. в :известном устройстве заменить все температурные измерения теплометриЧескими. Предложенное устройство может быть использовано также для контроля качества изготовления компактных теплообменников, для оценки целесообразности проведения тех или иных конструктивных изменений компактных теплбобменных поверхностей с целью интенсификации теплообмена и для исследования влияния измерения режимов движения теплоносителя на величину коэффициента теплоотдачи. Например для сравнения теплообменных характеристик исследуемого образца компактной теплообменной поверхнрсти с известной конструкцией в измерительные ячейки помещают исследуемый и известный (эталонный) образцы компактных теплообменников, причем съемные вкладыши в этом случае изъяты. Обеспечивая равенство расхода движущегося, теплоносителя через оба образца компактных теплообменников, равенство температур газа на входе в образцы и поддерживая одинаковыми температуры контакта тепломеров 2 с термостатирукяцими блоками 3, производят измерения плотностей теплового потока д, и д- и расхода G. В этом случае для плотностей теплового потока, проходящего ерез соответствующие тепломеры, справедливы следующие уравнения , (0- 1Я / Э-ЬЙТ)-, (У, где t э коэффициент теплоотдачи эталонного образца; d«|| - коэффициент теплоотдачи исследуемого образца. Из сиЬтемы уравнений (5), (2), (3), получается, соотношение для величины el :с1з .feH fep- l- -tw-) И.з анализа формулы (б) следует, что при равенстве коэффициентов теплоотдачи cLv( eta для обоих образцов контактных теплообменников, через тепломеры проходят одинаковые тепловь.чг потоки q qj. Если (i,dэ то Чя и наоборот, ecnкcL cl , то q q .

В предложенном устройстве удается снизить относительную погрешность определения коэффициента теплоотдачи до 6%, т.е. повысить точность измерений по сравнению с известным в ,5 раза. Увеличение точности измереНИИ достигается за счет отказа от измерений мсшых разностей температур а также за счет того, что при вычислении коэффициента теплоотдачи по расчетной формуле (4) в числитель и знаменатель отношения ,jподставляют величины одного порядка, измеренные одним и тем же вторичным прибором. Данное устройство имеет на порядок меньшую металлоемкость за счет уменьшения габаритов и отсутствия системы получения и подвода пара и позволяет сократить время подготовки, проведения и обработки результатов эксперимента более чем в 20 раз. Это достигается за сче сокращения времени установки образца с 24 ч до 20 мин, времени выхода устройства на режим с 4 ч до 30 мин, затрат времени на измерения и обработку результатов с 1 ч до 20 мин. Использование устройства в научноисследовательской практик позволяет ускорить внедрение новых видов компактных теплообменников.

Формула изобретения

Устройство для определения теплофизических свойств различных издеЛИЙ, например компактных теплообменНИКОВ, содержащеесоединенную с компактным теплообменником систему

;прдачи теплоносителя с установлен1ными в ней расходомером, датчиками температуры и приемниками статического давления, причем компактный теплообменник установлен в разъемном корпусе, подсоединенном к системе термостатирования, и систему измерения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в устройство введен дополнительный компактный теплообменник .с автономной системой подвода и контроля параметров теплоносителя, образующий индивидуальную измерительную ячейку, кроме того, в каждую из измерительных ячеек введены тепломеры с одинаковой чувствительностью и заданными равными термическими сопротивлениями, смонтированные на термостатируемых блоках, подключенные параллельно к системе термостатирования, причем в одной из измерительных ячеек тепломеры контактируют непосредственно с поверхностями компактного теплообменника, а в другой между поверхностями компактнёго теплообменника и поверхностями тепломеров введены съемные вкладыши с заданными равными термическими сопротивлениями и поверхностями контакта, совпадающими по размерам с поверхностями контакта тепломеров и компактных теплообменников.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Петухов B.C. Опытное изучение процессов теплоотдачи, М., Госэнергоиздат, 1952, с, 190-194.

2.Барабанов Ю.Ф.Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик пластинчатых теплопередающи поверхностей.Теплообменные аппараты газотурбинных двигателей. Вып. 1, ЦИАМ, Труды №646, 1975,

с. 73-96 (прототип).