Способ определения коэффициента теплоотдачи и устройство для его осуществления

Изобретение относится к теплофцзическим измерениям, а именно к измерениям коэффициента теплоотдачидри конвективном теплообмене.Цель изобретения - повышение точности и уменьшение постоянной времени измерений,На фиг.1 изображена общая схемапредлагаемого устройства: первоетермосопротивление, размещенное в окне держателя, и второе дополнительное термосопротивление, витки которого установлены на противоположныхсторонах каркаса, а также измерительная схема; на фиг,2 - участоккаркаса, на котором установлены элементы. первого термосопротивлеция ивитки второго термосопротивления(увеличено).В состав устройства входят: каркас 1 в виде рамки с окном 2, на которой закреплено своими концами лрвое проволочное термосолротивлецие 3,датчик температуры концов термосопротивления 3, выполненный также ввиде второго проволочного термосопротивления 4, держатель 5 каркаса,резистивный мост 6, эталонные сопротивления 7 и 8, прецизионное переменное сопротивление 9, гальванометр 10, кнопка 11, амперметр 12и вольтметр 13.Конструктивное выполнение каркасарамки зависит от конкретного термопреобразователя, В основном, окко дляпрохода потока теплоносителя по размерам и форме совпадает с проходнымсечением радиаторной системы термопреобразователя, в этом случае общееувеличение гидравлического сопротивления воздушного тракта лри измерениях 0 мииймально.На поверхность каркаса нанесентонкий электроизолирующий слой, например, путем электрохимического анпдирования, На параллельных противоположных сторонах каркаса установленыс выбранным шагом концы лослелоллтельно соединенных проволочек, образующих первое термосопротивление 3,а сами проволочки размещены в окне2 каркаса 1, В промежутки между концами проволок термосопротивлсция 3на. каждой стороне каркаса 1 намотанывитки с другим шагом проволок вгорого термосопротивления 4 (фиг. 2), лриэтом первое и второе термосолротиления изготавливаются иэ одцои и тойже проволоки таким образом, чтобы лринамоткеоцротивлеция К = К(а 1 (г)Равенства значений К и К при изготовлении из одинаковой проволоки нетрудно добиться с погрешностью, менее 0,17.,Вследствие одинаковости параметроз используемой проволоки в обоих термосолротивлециях во всем температурном диапазоне выполняется равен(л), (Рство К (Т) = К (Т) . Каркас 1 сцаб 15 жец держателем 5 для помещения чувствительцого элемента в исследуемую часть потока.В состав устройства входит также резистивцый мост 6, в одно иэ плеч которого встроено второе термосопротивлецие 4, в других плечах моста 6 устацовлецы эталонные сопротивления 1 ц 8 равной величины т.е, К =К(11 гфЭТ Эт 1 а также лрецизиоццое переменное сопротивление 9, например магазин сопротивлений типа Р-ЗЗ, позволяющий устанавливать сопротивление К в диапазоне 0-10 Ом с точностью+0,1 Ом, в диаг.цаль моста встроены гальваноме гр 10 и кнопка 11.В цели питания первого сопротивления 3 ус.ацовлецы также прецизионные амперметр 12 и высокоомцый вольтметр 13.Суть предлагаемого способа определения коэФфициента теплоотдачиводится к следующему. 20 25 30 При прохождении электрическоготока через проволоку, концы которой име.от сдицаковые температуры, а боковая поверхность находится в теллообмеце с внешней средой с коэффициентом теллоотдачи (К , в проволоке устанавливается стационарное неиэотермичцое вдоль длины температурное поле. В свою очередь, вследствие зависимости удельного сопротивления от температуры это определяет изме" нацие сопротивления проволоки в неизотермичцом состоянии К относительно изатермцчцого состояния при температуре, равной Т(К (Т 1.Величина изменения сопротивления вмест с температурой концов проволоки9устакавливающиеся лрн данной интенсивности теллообмена, и являются теми лараметрамц, экспериментальное нахождецис которых, в свою очередь,(Рк =(38 однозначно определяет и определяемое значение р,Рассмотрим дифференциальное уравнение стационарной теплопроводности в проволоке с известным температурным коэффициентом сопротивлениячерез которую проходит электрический ток, а иа боковой поверхности совершается теплообмен, определяемый коэффициентом б Дг Т(х) бР+ , Э(Т,)(1+(Т(х)-Т, = О,Решение уравнения (1) при граничных условиях Т(х) Т и Т(х), =. Тх:Е имеет видкТ(х) =+ (Т - ) ( +Кг к +ее +1 1 го(Т, )- 0 -- (1- т ) (з)1 У 1 /1 г О(Т )(4)я яг Таким образом, вследствие пропускания тоха и осуществления теплообмена проволока, на концах которой поддерживаются одинаковые температуры Т становится неизотермичной и рас - пределение температуры вдоль ее длины описывается уравнением (2). В свою очередь это обусловливаетизменение сопротивления проволоки посравнению с ее сопротивлением в изс -термичном состоянии (К (Т притемпературе Т которое становитсяравным Р В = 1, (Т,)( -Т, +ег(х)дх.1(5)0 Е1Так как -Т(х)дх = Т - средср кяя по длине температура проволоки, то иэ (5) следует что К = К (Т ) (1-(3(т, -Т ) ) . (5) Очевидно, при одной и той же силе тока, пропускаемого через проволоку, Тр и величина В зависит отинтенсивности теплообмена, т.епо отношению величин К и К (Т,),хгде Т- температура концов неизотермичной проволоки, можно судить окоэффициенте теплоотдачи ,Используя уравнение (2), можнополучить61Т(х)йх =+(ТКг К 1К(6) Применяя, например, средства ЭВИможно, исходя иэ уравнений (5) и(6) и используя результаты экспери- М мекталы:ых измерений Т, Тсй (Т)Ка также данные по геометрическими теплофизическим характеристикампроволоки, пг)лучить определеннуюинФормацию о величине б( Учитывая, 25 однако сложность аналитического вида выражения (6), для получения явной зависимости р, от экспериментально измеряемых параметров была проведена совокупнл ть математических 30 преобразований, О)ковывакщихся в первук) очередь на приекекии разложенияв ряд Тейлора по степеням параметра1 В.(Т,) " д 1 Р(Т ) 35 (7) Оценим величину параметра у; д2 10 мм 2 10 м = 4310 КТ, = ЗОО К,(ЗОО К) 1,7 )О Ом"м.40 Значения допускаемой величины силы тока 1 А 0 через проволоку зависят от диаметра д и интенсивноститеплообмена 0 о. При д = 0,02 мм экспериментально выявлено, что при значениях Ь 4, определяющих интенсивность конвективного теплообмена,обусловленного потоком воздуха и находящихся в интервале 10-200 Вт м Кнаблюдается следующее электрическое 50 соответствие:1 (А) = КОВт м"К )-1т.е. например, при б, а 30 Вт м К 55 1 Рьг 5 10 А. Учитывая указанные данные, нетрудно получить оценку величины параметра у:- Ъ 1 71025. 1(Г у (4 4 310 - ---)3049,86 810 в К (3.10-8) 5,5.10-,1(Таким образом, вполне справедливым является пренебрежение третьим членом в разложениях в ряды Тейлора по степеням у.Показано, что выражение (5) можно привести к виду 1 КК (Т, )(1(у) = 1 - - -- - сЬ1 .-у8 иВ = Т ( в )ар Для металлов с большой точностью справедлив закон Видемана-франца 25(12)где е - заряд электрона, е = 1, 6 х310Кл, К - постоянная БольцманаК = 1,3810 ж КПодставляя (12) в (11), получимвыражение для коэффициента В: В = - 1 К (Т ) -Р 2:К Т, 35Применяя разложение соотношения (8) в ряд Тейлора по степеням у, можно получить:- ( ----- 1) =(Р(3) О) +1 Кр, к(т,)40.-( ---- 1) = (т -т )(1-) (16)Используя выражения (7) и (13)и далее решая соотношения относительно ф, получаем: Кг(1) е ГК (1 ) Таким образом, осуществлено получение расчетной формулы для определения М. Здесь Р 1 = Я.,Используя значения К и е, можно получить К 1 38 -46 ф 38 4 -; = 4-т -1 О е 1,У 2 97561031 О 8 -8 К КглГ ЧжВследствие того, что значения К и е постоянны, то из этих соображений и взят с погрешностью не более 17. коэффициент 310 8 который применяется, когда все величины, входящие в формулу, измеряются в системе СИ.Для измерения коэффициента тепло- отдачи в предлагаемом техническом решении осуществляют нагрев проволочного термосопротивления путем пропускания через него тока и измеряют К при одинаковых температурах его концов.При использовании одной проволочки приходится сталкиваться со сложной задачей измерения малых сопротивлений, что сопряжено обычно со значительными погрешностями, Если использовать п проволочек одинаковых длины и диаметра, электрически последовательно соединенных между собой, (т.е, сплошную проволоку, и раз проходящую в окне держателя между его сторонами), температуры концов которых поддерживаются на одном и том же уровне путем установки с электрической изоляции на сторонах изотермического держателя, то общее сопротивление проволоки несложно довести до значений в сотни Ом и существенно поднять общую точность измерений.При последовательном соединении п проволочек одинаковой длины 1, через которые пропускают ток, а концы поддерживают при температурах Т 1 имеем:КК (Т,К(т К(Т,) решая и лученноО, пол уч иаковой соотно ение отучая п н ос и тел ьнпроволок 35 К . По зчкону Омф11фгде ( и 1 - соот аким образом ффициен еплом споветс тве вол ьтме тра метра (А) . ируя мост 6 при сопротивления с помощью гальвнно покаэани (В) и амперотдачи опред собе по форму(яют в предлага Баланеменног помощи пе- удостонометра 10 а через 31 О веряютм 2-Кгоналем:(Ъства К и ШР . следует: . Из равенК (Т,Фт,е. велис весьма менно, с ределяет ои кривак К При этом11 06 Р 11(Т-Т)+1 К (Т )ф(, Р 11 - /1 К (Т )т,-т, + - у(.кк (т )Я (26) 1 Р к (т )(т,-т )(Т,) - темпе рат урный коэффицие нт сопротивления материала проволоки при-температуре, близкой к Т, КК (Т )К - сопротивления проволоФСки, соответственно иэотермичной при температуре Т( и неиЭотермичной вследствие пропускания тока и осуществления теплоотвода при температурах концов, равных Т,(, Ом; Т и Т - соответственно темперастуры внешней среды и концов проволоки р КЯтвВ - теплообменная поверхностьпроволоки, м,ТОБгде 1 - длина, м фР - периметр сечения, м,10 и - число последовательно соединенных проволок одинаковойдлины, общая длина которыхсоставляет 1,Проведение измерений с помощью5 предлагаемого устройства согласнопредлагаемому способу осущестрляют следующим образом.Предварительно осуществляют установлЕние градуировочных зависимосЮ - (1теи К (Т) и К(Т) в заданном температурном интервале,Размещают каркас 1 в потоке теплоносителя таким образом, чтобы на -правление вектора скорости потокатеплоносителя с плоскостью окна 2 каркаса 1 с оставляло углы, близкие к прямому и производят с помощью моста 6 измерение величины К (Т),И) при помощи кото",ой нз основании ране установленной градуировочной кривой К (Т) определяют температуру внеш(т)ией среды тс,Затем подключают первое т рмосопротивление 3 к источнику питания и осуществляют измерение нопки в отсутствии т фРчина К (Т ) определяетсявысокой точностью. Одноврепомощью этого измерения опя на основании градуировочй К(г 1(т) значение т, Так) = К-(Т), то все вели 1645854 12чины, необходимые для определения,оказываются измеренными,Предлагаемое устройство имеет постоянную времени, не превышающую 24 с, и поэтому может использоватьсядля определения 0 Ь при изменяющейсяинтенсивности теплообмена, Еслив процессе измерений изменяется температура потока, то целесообразно испольэовать отдельный датчик внешнейтемпературы,Погрешность экспериментальногоизменения 0 определяется погрешностью измерения Т 1, Т К(Т) и К,Остальные параметры, входящие в расчетную формулу, эксперименгально неизмеряются н образуют постоянную установки,Находя полный дифференциал Формулы (24) и разделив его на выражение, определяющее М, нетрудно получить, принимая ЙО = 6 М,и учитывая (24)ф" Ь" (Т ) АТ 1 ЬТс Ь 1 Ь 1 -- т- ++++, ЕС К(т) ТТ, Ц тЭкспериментально легко может бытьреализована абсолютная погрешностьизмерения температур, равная 0,1 К,следовательно относительная погре:дЬТ 1 АТсность измерения -- и -- может бытьТ, Тспринята равной менее О, 13.Измерение К компенсационным спотсобом может быть осуществлено с абсолютной погрешностью О,1 Ом, чтопри значениях К1 кОм приводит котносительным погрешностям (О, 17.,Измерение Б и 1 в соответствиис паспортными данными известных ламповьпс приборов может быть осуществлено с погрешностью 1 - 15 Е.Таким образом, погрешность предлагаемого способа и устройства дляэкспериментального определения коэффициента теплоотдачи находится впределах 2-5 Х,Для изготовления первого и второго термосопротивлений был использован медный провод диаметром 0,02 мм,покрытый лаковой изоляцией (проводПЭВ-0,020 ГОСТ 7262-78). Держатель был выполнен в форме прямоугольника с размерами окна 40 х 75 щ,на сторонах держателя, изготовленных из дюралюминиевого сплава Д 16 Тв виде прутков диаметром 2 мм, бьло намотано с шагом а 0,053 мм по 1400витков проводаКонцы проволок первого термосопротивления располагались на держателевторого в зазоре между витками проволок термосопротивления с шагом0,045-0,05, длина каждой отдельнойпроволоки - 40 мм. На каждые 0,05 ммприходилось 3 проволочки; общее количество проволочек 147, При изготовлении сопротивления первого и второ го те рмос опротивлений были подобраны равн 1 чми 1000 Ом,15 Были также изготовлены эталонныесопротивления К . и К . Для этого(1 юэтна трубки высотой 250 мм и диаметром40 мм, изготовленные из сплава АМГи с последующим электроизоляционным20 покрытием, были намотаны витки константанового про"ода диаметром0,25 мм, покрытого лаковой изоляцией. Общее количество витков 7972,сопротивление К = К = 1000 Ом,25 перегрев эталонных сопротивленийпри работе не превышал 2-4 К,Измерение тока через первое термосопротивление. и падение напряженияна нем производилось с помощью лам 30 повсго вольтамперметра В 7-27 А/ 1, вкачестве нуль-индикатора использовался гальванометр И 17/1. Измере-ния С 6, проведенные при различныхскоростях воздушного потока, позволили сделать вывод о соответствииполученных результатоВ другим методам опенки величиныТаким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют достаточ 40 но быстро и точно измерять коэффициент теплоотдачи в различных теплотехнических системах, Устройство спомощью схемотехнических средств Имикропроцессоров может быть автомати 45 зировано и доведено до уровня прибора для научных исследований.формула изобретения50 1, Способ определения коэффициента теплоотдачи, включающий размещение в потоке теплочосителя с известной температурой проволочного терморезистора, нагрев последнего путем 55 пропускания через него электрического тока и измерение величины сопротивления проволочного термореэис -тора в нагретом состоячии, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью1 Ь 4 3 Составитель Е.РязанцевТехред Л.Олийнык Корректор Т.Палий Редактор С.Лисина Заказ 134 Ь Тираж 385 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР113035, Иосква, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,10 повышения точности и уменьшения постоянной времени измерения, дополнительно измеряют температуру концовпроволочного терморезистора, измерение величины сопротивления которого в нагретом состоянии проводятпри равенстве температур его концов,по измеренным величинам определяюткоэффициент теплоотдачи,2, Устройство для определения коэффициента теплоогдачи, содержащеепроволочный терморезистор, подключенный к источнику тока нагрена ирегистратору сопротивления, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения точности и уменьшения пос -тоянной времени измерения, введеныдатчики температуры концов пр водочного терморезистора, который выполнен в виде ряда последовательно соединенных отрезков однородного проводника одинаковой длины, закрепленныхна введенном жестком каркасе из высокотеплопроводного материала, причем концы отрезков однородного проводника электроизолированы в местах 5854 14крепления к каркасу, на противоположных сторонах которого размещеныдатчики температуры концов проволочного терморезистора.3. Устройство по п,2, о т л и -ч д ю щ е е с я тем, что датчикитемпературы концов проволочного терморезистора включены последовательнои выполнены в виде дополнительногопроволочного термореэистора, равныеотрезки которого навиты на противоположные стороны каркаса в областизакрепления концов отрезков провод 1 ников проволочного терморезистора,причем оба проволочных терморезисторд выполнены в виде равной длины отрезков одной и той же проволоки,про-.волочный терморезистор закреплен накаркасе через электроизолирующиепрокладки, а дополнительный проволочний терморезистор включен в плечоизмерительного резистивного моста,два других плеча которого образуютравные эталонные сопротивления, ав четвертое плечо включен прецизионный магазин сопротивлений.