Способ определения величины теплового потока

няЛ Союз СоветскикСоцивлкстнческнРеспублик 1 Ц 60040 ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ-25ь 124,04,78 щарвтвввныа ввмнтвтнанта Мнннвтров ОВРв )валам нэоврвтвнввн атврытнй) Опубликовано 3003,78. Бэоллете ) Дата опубликований описаний 72) втори изобретения Парнас, И, А. Гелл Антонишин рдена Трудового нститут теплоим. А,В.Лык расного Знаменимассообмена аввитель(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНТЕПЛОВОГО ПОТОКА нийакреплдот велиИзобретение относится к области измерения тепловых потоков, например радиационных, путем измерения деформации стенки, через которую проходит этот поток и может быть использовано в теплометрии, в особенности при измерении больших или быстро изменяющихся потбков . Оно может быть использовано и в некоторых специальных случаях, например, при визуализации полей теп)О ловых потоков методом геологографической интерферометрии. Известны способы измерения теплового потока по измерению деформации изгиба, закрепленной по краям пластины )1) , а также по изгибу биметаллической пластины.Эти методы требуют равномерного прогрева пластины как по длине, так и по толщине, принципиально пригодны только для стационарных измеретеплового потока. Деформация зной по краям пластины зависитчины ее средней температуры.из известных способов наиоолее олиэким является способ определения величины теплового потока путем измерения деформации стенки под действием теплового потока 2 . Однако при этом точность показаний пластины сущест- ЗО Венно зависит от условий ее теплообмена с внешней средой. Кроме того, способ не применим В тех случаях, когда толшина гластины изменяется во времени, например из-эа механического, химического или термического разрушения.Целью изобретения является повышение точности и расширение области применения спосооа измерения тепловых потоков. Для этого в предлагаемом способе использовано свойство свободно-деформируемой стенки изгибаться под действием перепада температур по ее сечению, пропорционального тепловому потоку, Перепад температур создают путем отвода тепла с одной поверхности стенки, например, охлаждают водойили газом. Существенным отличием этого способа от метода измерения теплового потока путем измерения деформации пластины является то, что стенка .имеет возможность свободно деформироваться (расширяться при нагреве или сужаться при охлаждении), а причиной изгиба является только перепад температур по ее сечению. Деформация стенки не зависит от средней температуры в отличие от пластины, не имеющей возможности свободно деформироваться,,- д 1(о) т .25 р,по,во Ив; 30 35 40 60 При этом условия закрепления на краяхстенки могут быть различны. Величиныдеформации прогиба в напряжении стенкив зависимости от величины тепловогопотока могут быть вычислены, если известны условия теплообмена на поверхностях стенки и условия закрепления.Пусть, например, на одной поверхностизадан тепловой поток, а на второйпроисходит теплообмен с окружающейсредой по закону Ньютона. Тогда перепад по сечению стенки во времениимеет вид 2 а 1(о) т 2 В (Адв; )(1-соьА ) о "о 5 Е(т)В;ю о.(В;+В+ а ).гдето - тепловой поток,теплопроводность стенки,У - толщина стенки,В - критерий Био,Ед - безразмерное время,б - коэффициент линейного расширения стенки,Г - длина стенки.Перепад температуры в стационарномсостоянии из формулы (1):д 1(йуЮ(2)стдц Л Примем эа деформацию изгиба стенки ее прогиб.Если один иэ размеров стенки (: намного больше двух других и стенка закреплена с одного конца, то прогиб стенки, считая, что она изгибается преимущественно в одной плоскости под действием Ь 1(Р) , можно рассчитать по формуле:с(. с С2 Л(3) иэ выражения (3) видно, что про гиб д не зависит от толщины стенки и модуля упругости, т.е, механиче.ких свойств. Это позволяет, не снижая 45 чувствительности, осуществлять измерение нестационарных потоков датчиком из стенки малой толщины, а также измерять тепловой поток в условиях, когда толщина стенки и ее механичес кие свойства изменяются во времени, например иэ-за коррозии или других воздействий. 1 рогиб 2 не зависит от условий теплообмена стенки с окружающей средой, что является существенным преимуществом перед способом иэм- рейия потока по величине прогиба закрепленной равномерно нагреваемой пластины. Независимость прогиба Е от модуля Юнга г позволяет измерять тепловой поток, и тогда, когда материал стенки работает в области пластических деформаций, что расширяет диапазон измеряемых тепловых потоков, например, можно измерять большие тепловые потоки. существенным преимуществом предлагаемого способа является возможность д стижения малойинерционности. Время установлениястационарного перепада температурпо сечению стенки, как правило, меньше времени прогрева пластины. В качестве примера покажем это для стенкииз тугоплавкого титанокобальтовогосплава со следующими характеристиками:вт г е 1 мм; А ел.774 а"м грдк (коэф-ф Лед 2 В-фициент температуропроводности.Если на стенку падает тепловой поток10 , то по формуле (2)д 1 (Д) -16 С,Рассчитаем время выхода перепада температур стенки на квазистационар. ный режим, т.е. время прогрева стенкиОтносительная ошибка Для малых В(тонкая стенка) и Р 1 можно ограничиться только первым членом ряда в формуле (1). Тогда после несложных преобразований: Если коэффициент теплообмена стенки с окружающей средой 10 вт/м- град (охлаждение естественной конвекцией), тоВ,-1,6,10 4 . При ошибке измерения 11 =0,01, т,е. 1=16. Иэ формулы7р Р 2 время Г установления квазистационарного режима 4,4 10 с, т.е. тепловая инерционность стенки из титано-ьскобальтового сплава равна 10Рассчитаем прогиб и механическуюинерционность стенки иэ титано-кобальтового сплава, если 3 20 мм, У 1 мм,р е 4, 93. 10 кг/мм . (плотность материала стенки), Е = 4,6 10 кг/ммПрогиб Х по формуле (3) равен0,5 мм,МеханичЕскую инерционность можнорассчитать по формуле 352 8 ( Егде ее - : 7е -частотт собственных колебаний консольной балки.По формуле (5) Т 10 с.Используя стенку малой толщины, можно изготовить малоинерционный дат чик.На чертеже показана схема устройства для осуществления предлагаемого способа..б 00402 формула изобретения Составитель А, кружилинаРедактор Н. Коляда Техред Н,Бабурка Корректор ва Заказ 1893/59 Тираж 831 Подписное ЦНИЙПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Оно содержит крепящее устройство 1,стенку 2, охладительное устройство 3,измерительное устройство 4. Измеряемыйтепловой поток падает на датчик в виде стенки 2, которую закрепляют с 5помощью крепящего устройства 1,Если датчик предназначен для длительной работы, то с обратной стороныего охлаждают охладительным устройством 3. Под действием перепада темпера- ртур по сечению стенки она прогибается,Величину прогиба стенки определяют спомощью измерительного устройства 4(например, тензодатчика, емкостногоконденсатора, оптического прибора)Зависимость теплофиэических характеристик стенок от температуры можетбыть учтена предварительно тарировкойдатчика или стабилизацией температурыстенки путем охлаждения. 20 Способ определения величины теплового потока путем измерения деформации стенки, на которую падает тепловой по ток, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью увеличения точности и расширения области применения,. создают перепад по сечению стенки, пропорциональную тепловому потоку, и измеряют. деформацию стенку, возникающую эа счет этого перепада.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Воробьев А, И., Кацнельсог О. Г, Термобиметалл и его применение в приборостроении и автоматике, М,-Л., Госэнергоиэдат, 19 б 1, с, 21.2. Герацденко О. А, Основы теплометрии, Киев, Наукова Думка, 1971, с. 15.