Датчик теплового потока

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 241029 (21) 2824051/18-10 с присоединением заявки И 9 С 01 К 17/08 Государственный комитет СССР ло делам изобретений и открытий(23) Приоритет Опубликовано 150 5 я 1, Ьюллетеиь М 18 Дата опубликования описания 1505.81 РЗ) УДК 536,629/Институт технической теплофизики АН Украинско ССР.,(72) Авторы изобретения(54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения высоко- интенсивных лучистых тепловых потоков в лазерной технике, каналах МГД-генераторов, камерах сгорания высокофорсиронанных энергетических установок при их эксплуатации, наладке, регулировании теплового режима и для научно"исследовательских работ.Известны одноэлементные устрой,ства для измерения плотности интенсивных радиационных тепловых потоков с кондуктивным отводом тепла и водяным охлаждением, состоящие из теплометрического элемента н ниде медного или стального цилиндрического блока, в теле которого на различных уровнях по высоте установлены две термопары. Радиационный теплоной поток воспринимается торцовой поверхностью цилиндрического теплометрического элемента, противоположный конецкоторого охлаждается водой 11,Такие устройства удовлетворительно используются при измерении плотности тепловых потоков в диапазоне (0,5-1)10 ь Вт/ми температурах облучаемой поверхности 800-900 К,дальнейшее увеличение диапазонаплотности тепловых потоков, измеряемых таким датчиком, практическиневозможно из-за малой эффективности охлаждения измерительного блока.Это связано с тем, что с увеличениемплотности теплового потока вышеуказанного предела для сохраненияконвективного режима охлаждениятеплометрического элемента жидкостью необходимо резко увеличивать1 авление хладагента нплоть до критических значений, при этом нозмож 15 но вскипание охлаждающей жидкости,что немедленно. приводит к разрушениюдатчика,Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результа 20 ту к изобретению является датчиктеплового потока, содержащий теплометрический элемент, выполненныйв виде многослойной пластины, состоящей из тепловоспринимающей поверхности, эталонного элемента иоснования, образующих дифференци-.альную термопару, измерительнуютермопару 2).Конвективное жидкостное охлаще 30 ние и отвод тепла от эталонного40 элемента может обеспечить измерение датчиком теплового потока невыше б 10 Вт/м при температурестенки до 1000 К. Это вызванотем, что при более высоких плотностях теплового потока отвод тепла от эталонного элемента требуетразвитой поверхности теплообменалибо увеличения давления охладителя до критических значений, чтоприводит к сложности и громоздкостиконструкции датчика и практическойего нецелесообразности.Цель изобретения - расщирениепределов измерения потоков с большой плотностью и высокой температурой. 15Цель достигается тегл, что вдатчике теплового потока теплометрический элемент, состоящий из последовательно расположенных друг за другом пластин, выполняющих функции 20тепловоспринимающей поверхности,эталонного элемента и основания,выполнен из спеченного пористогоматериала с проницаемой структурой,при этом основание теплометрическогоэлемента сообщено с трубопроводомподачи теплоносителя, а на его боковую поверхность нанесена непроницаемая пленка.Проницаемые пористые структурыйли материалы - это твердые тела,содержащие в достаточно большомколичестве пустоты, характерныйразмер которых мал сравнительно схарактерным размером тела,35Теплометрический элемент датчикаможет быть изготовлен из проницаемых материалов, полученных методом прессования или прокаткис последующим спеканием из порошков с различной формой частиц.Наиболее распространенные проницаемые структуры изготавливаютсяиз частиц неправильной формы (дендритные) и сферической формы,волокон, а также из мелкоячеистых 45сеток. Для теплометрических элементов датчика теплового потока наиболее приемлимы проницаемые материалы, изготовленные из волокон никеля,константана, хромеля, алюмеля и 50других чистых металлов и сплавов,Выполнение теплометрического элемента проницаемым обеспечивает в негл противоток тепловой энергии и теплоносителя, и при этом существенно увеличивается интенсивность теплообме 55на, что позволяет снимать в пределахтеплометрического элеглента практически всю падающую на его тепловоспринимающую поверхность энергию,Для обеспечения постоянства расхода 60теплоносителя вдоль теплометрического элемента его боковая поверхность должна быть непроницаема длятеплоносителя. Поскольку величинаплотнояти теплового потока мо-. 65 жет претерпевать значительные изменения во времени, необходимо изменять количество теплоносителя, пода ваемого к теплометрическому элементу, чтобы перепад температур на нем имел достаточно большую величину для удобства его измерения.На чертеже представлена схема датчика теплового потока.Тепловоспринимающая поверхность 1 теплометрического элемента выполнена из спеченного пористого материала с проницаемой структурой и нанесена на эталонный элеглент 2, также выполненный из проницаемых структур, но отличающихся от первого своими термометрическими характеристиками. Эталонный элемент 2 соединяется с проницаемым основанием 3 из того же материала, что и тепло- воспринимающая поверхность, при этом его толщина должна быть такой, что теплоноситель на выходе из него имеет температуру, близкую к температуре проницаемого скелета. Внутри теплометрического элемента уложены электрод 4 из того же материала, что и тепловоспринимающая поверхность, и электрод 5, из материала эталонного элементаи изоляции, составляющие термопару. Электрод б из того же материала, что и электрод 4, выведен от основания 3 и с электродом 5 образует вторую термопару. Боковая наружная поверхность теплометрического элемента покрыта непроницаемой пленкой 7. Для подачи теплоносителя к пористому основанию используется трубопровод 8, а его расход регулируется регулятором 9 расхода теплоносителя, установленным на трубке. Устройство устанавливается в стенке исследуемого объекта заподлицо с его внутренней поверхностью. Лучистый тепловой поток, падающий на тепловоспринимающую поверхность 1, проходит через эталонный элемент 2 и снимается движущимся навстречу ему через пористый массив потоком теплоносителя, который от регулятора 9 по трубопроводу 8 подается к проницаемому основанию 3, За счет чрезвычайно развитой поверхности теплообмена проницаемого эталонного элемента (для волокновых пористых материалов с диаметром волокон 0,1 мм и пористостью 40-70 удельная поверхность составляет 5,5 ф 10- 7,5" 10 д сгл-") и интенсивного конвективного теплообме. на между скелетом проницаемой структуры и теплоносителем, где в указанном материале коэффициенты теплообмена достигают значений порядка 210 б - 3 10 ь Вт/м, температура теплоносителя на выходе из теплометрического элемента практическиравна температуре тепловоспринимающей поверхности. В зависимости от массового расхода теплоносителя через теплометрический элемент можно обеспечить теплосъем в устройстве падающих на тепловоспринимающую поверхность тепловых потоков до 10 " - 10 9 Вт/м при температуре тепловоспринимающей поверхности устройства 700-800 С и тем самым обеспечить измерение высокоинтенсивных лучистых тепловых потоков в указанных пределах. При прохождении тепловой энергии через эталонный элемент на его гранях возникает температурный перепад, в связи с этим в местах, где размещены спаи 15 термопар 4-5 и 5-6, температуры имеют различные значения, в то же время измеряется массовый расход теплоносителя от регулятора расхода. По определенным перепаду температур 2 О на эталонном элементе, температуре с на тепловоспринимающей поверхности и массовому расходу теплоносителя через элемент вычисляется тепловой поток по Формуле 25а9 = 6. Ср(с - Й) 6 зкХ( ).е =Лг 8+ Лм И+В)г (2) где Л Л - коэффициенты теплог мпроводности соответст- Зовенно теплоносителя ипроницаемого скелета;6 - пористость металла,С - теплоемкость газа приРпостоянном давлении, 35С - массовая скорость тепГлоносителя, отнесеннаяк полному сечению теплометрического элемента (без учета пористос-ф,сР( )кс=С+Сй (3) По измеренным температурам , и на гранях эталонного элемента вычисляются константы Сл и С 2.Конструкция предлагаемого датчика теплового потока позволяет существенно увеличить пределы измерения плотности лучистых тепловых потоков (до 107 - 10 9 Вт/м) при одновременном повышении надежности его работы. Это существенно повышает надежность систем автоматического регулирования высокоинтенсивных энергетических установок. Формула изобретенияДатчик теплового потока, содержащий теплометрический элемент, выполненный в виде многослойной пластины, состоящей из тепловоспринимающей поверхности, эталонного элемента, основания, образующих дифференциальную термопару, измерительную термопару, о т л и ч а ю - щ и и с я тем, что, с целью расширения пределов измерения потоков с большой плотностью,и высокой температурой, теплометрический элемент выполнен из спеченного пористого материала с проницаемой структурой, при этом основание теплометрического элемента сообщено с трубопроводом подачи теплоносителя, а на его боковую поверхность нанесена непроницаемая пленка,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Геращенко О.А. и др. Тепловые и температурные измерения. К.,шкова рректорГ. Решетни аказ 3787/85В одписное 4 илиал ППП "Патент", г.ужгород,оектная Тира ИИПИ Государс по делам иэо 55, москва, 1 907енного комитета Сетений и открытий5, Раушская наб.,