Устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущейся средой

09) (11) 3151) а 01 И 25/18 Ж ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт технической теплофизики АН УССР(56) 1. Кондратьев Г.М. Регулярныйтепловой режим. М., Госиздат, 1954,с.183-194.2. Декуша Л,В., Грищенко Т.Г.,Геращенко О,А Федоров В.Г. Устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи методомтеплометрического моста. - Пром.теплоэнергетика, 3, 1981, Р 1,с,24-28,3, Авторское свидетельство СССРФ 8 бб 462, кл. 6 01 Ю 25/18, 1981(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДА - ЧИ МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ РАЗДЕЛА ФАЗ И ДВИЖУЩЕЙСЯ СРЕДОЙ, содержащее тепло- меры с идентичными поверхностями контакта их с движущейся средой, смонтированные на общей температуровыравнивающей пластине, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения области применения, на по-. верхности одного из тепломеров, выполненных с равными термическими сопротивлениями, размещен плоский электронагреватель, соединенный последовательно с электронагревателем введенного термоэлектрического преобразователя мощности, причем нагре- ЕС ватели и термоэлементы термобатарей тепломеров и термоэлектрического преобразователя мощности выполнены из одинаковых материалов.Изобретение относится к -тепловымизмерениям, а именно к исследованиюпараметров теплообмена между поверхностью раздела фаз и движущейся средой.Известен альфакалориметр, идентичный по форме исследуемому объекту,в который вмонтирована термопара,второй спай которой размещен в движущейся среде,Для определения коэффициента тепло. 18отдачи альфакалориметр помешают вдвижущуюся среду, определяют темпрегулярного охлаждения (нагрева)тела относительно температуры средыи по известным соотношениям определяют искомый коэффициент теплоотдачи (11,ц 1Область применения устройства ограничена из-за асимптотического характера зависимости между темпом охлаждения и коэффициентом теплоотдачи, а также предположения, что коэффициент теплоотдачи не зависит от,разности температур, Вследствие низкой точности этот способ пригодентолько для оценочных экспериментов.Наиболее близким к изобретениюявляется устройство для определениялокальных коэффициентов теплоотдачи,содержащее тепломеры с идентичнымиповерхностями контакта их с движущейся средой, размещенные на общейтемпературовыравнивающей пластине иотделенные друг от друга теплоизоляционным вкладышем Я .Недостатком устройства являетсяневозможность задавать требуемоеразличие температур поверхностейтепломеров (Т -Т 1) в зависимости отусловий процесса теплообмена, исследуемого или контролируемого этим 40устройством, что ограничивает обпасть применения условиями вынужденной конвекции.Цель изобретения - расширение обпасти применения устройства за счетобеспечения возможности варьировать; -разностью между температурами поверхностей тепломеров,Поставленная цель достигается тем, то в устройстве для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущейся средой, содержащем тепло- меры с идентичными поверхностями контакта их с движущейся средой, смонтированные на общей температуровыравнивающей пластине, на поверхности одного из тепломеров, выполненных с равными термическими сопротивлениями, размещен плоский электронагреватель, 6 О соединенный последовательно с элект. ронагревателем введенного термоэлектрического преобразователя мощности, причем нагреватели и термоэлементы термобатарей тепломеров и термоэлек= - 65 рического преобразователя мощности выполнены из одинаковых материалов.На фиг 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг,2 теплометрическая головка устройства для исследования конвективного тепло- обмена; на фиг.З - теплометрическая головка для исследования конвективнорадиационного теплообмена; на фиг.4 плоский термоэлектрический преобразователь мощности; на фиг.5 - цилиндрический термоэлектрический преобразователь мощности; на фиг,б схема размещения измерительной головки устройства на исследуемом объекте заподлицо с поверхностью;на фиг.7 - то же, непосредственно на поверхности исследуемого объекта,Устройство (фиг.1) включает тепло- метрическую головку 1, термоэлектрический преобразователь 2 мощности и комплект вторичной аппаратуры 3.Теплометрическая головка 1 содержит тепломеры 4, выполненные с равными термическими сопротивлениями)( смонтированные на температуровыравнивающей пластине 5. На омываемой движущейся средой поверхности одного из них размещен датчик б температуры, а другого - электрический нагреватель 7, соединенный последовательно с электрическим нагревателем 8, содержащимся в термоэлектрическом преобразователе 2 мощности. Послед-ний содержит, кроме того, термоэлектрические батареи 9, контактирующие с одной стороны с электрическим нагревателем 8 а с другой - с температуровыравнивающим элементом 10.Теплометрическая головка 1 устройства может быть выполнена в двух модификациях: для исследования чисто конвективного теплообмена.(фиг.2) и для исследования конвективно-радиационного теплообмена (фиг.3).В первом случае теплометрическая головка содержит тепломеры 4 ( в частном случае могут быть выполнены с одинаковой чувствительностью, что позволит использовать дифференциальную схему включения), расположенные на общей температуровыравнивающей пластине 3 Один из тепломеров снабжен датчиком б температуры, установленным на его поверхности, обращенной к движущейся среде, а другой плоским электронагревателем 7, выполненным из константана или манганина, который также смонтирован на поверхности, обращенной к движущейся среде. Нагреватель 7 и датчик 6 температуры защищены от воздействия среды защитной пленкой из окиси алюминия.При исследовании конвективно-радиационного теплообмена, а также при исследовании процесса теплообмена между газом и поверхностью используютгде ( - плотность тепловыделенияплоского нагревателя 7;В 1 - мощность подводимая к на -гревателю 7;площадь контакта нагревателя 7 с поверхностью теплометрической головки.Из анализа уравнения (2) следует, что для определения величины с(, необходимо измерять плотность теплового потока, прошедшего через тепломеры 4)0 а также плэтность тепловыделения плоского нагревателя 7.В предлагаемом устройстве для определения величины (12 - с используют тепломеры 4 равной чувствитель-, 15 ности, включенные дифференциально, при этом их разностный сигнал будет пропорционален разности ппостностей теплового потока, прошедшего через них20причем следует заметить что коэффициент преобразования К тепломеров 4 зависит в общем случае от температуры, поэтому измерение величины мощности Й, с помощью ваттметра ухудшает характеристики устройства из-за необходимости учета зависимос ти коэффициента преобразования теп ломеров 4 от температуры и необходи. мости иметь еще один вторичный прибор для измерения малых значений мощности, высокого класса точности, что приводит к удорожанию экспери мента. Температурную зависимость ко эффициента К можно не учитывать, если прибор для измерения величины имеет. ту же температурную зависимость, что и тетломеры. Поэтому в устройство для измерения величинывведен термоэлектрический преобразователь 2 мощности, термоэлектрические батареи 9 и нагреватели 8, которые выполнены из тех же материалов, что и термоэлектрические батареи тепломеров 4 и нагреватель 7.Так как нагреватель 7 теплометрической головки 1 соединен с нагревателем 8 термоэлектрического преобразователя 2 мощности последовате лько, то сила тока 31проходящего через нагреватель 7, будет равна силе тока 32, проходящего через нагреватель 8 (3 =.22= Д ), Поэтому отношение выделенных этими нагревателя ми мощностей 9/ и Ъ 2 равно отношению электрических сопротивлений нагревателей%фгПри работе нагревателя 8 в термоэлектрической батарее 9 генерируется ТЭДОМ 1 тзП пропорционально выделяемой ,мощностй65ЭП тэП данной зависимости для плотности тепловыделения в нагревателе 7(4) ф 2 1К 1 зпастап 2 2 Объединив (3) и (4), получим рабочую формулу для устройства которая с учетом температурной зависимости теплопроводности тепломера(1+Вт) теплометрической головки имеет вид б,: Д ( 0(,8 Т)тэ 1 3ьЕг / п где ц, - толщина тепломера 4;- постоянная устройства, учитывающая соотношениемежду электрическими сопротивлениями нагревателей, коэффициентами теплометрическойголовки и термоэлектрическогопреобразователя мощности иплощадь нагревателя;32 д- теплопроводность тепломеровтеглометрической головки прикомнатной температуре.Величина 1 не зависит от температуры, если нагреватели выполнены из одинакового материала .либо с незначительной зависимостью его электрического сопротивления от температуры, например, из константана), тепломеры теплометрической головки и термоэлектрическая батарея преобразователя мощности изготовлены из одинаковых термоэлектрических материалов и теплометрическая головка с преобразователем мощности находятся при одинаковых температурах. В противном случае необходимо учитывать зависимость величины 1 от темпераПри исследовании локального конвективного теплообмена кроме коэфФициента теплоотдачи необходимо определять температуру среды т.ср и не- возмущенный наличием теплометрической головки тепловой ноток Ч, .Температуру среды, соответствующую адиабатной температуре стенки, определяют по формуле%ЯЗначение температуры поверхности тепломера 1 измеряют с помощью термопары б. КоэфФициент теплоотдачи, рассчитанный по формуле Ньютона Рихмана, при использовании в качестве температуры среды адиабатной температуры стенки не зависит от температурной предыстории набегающего потока и его величина определяется исключительно гидродинамикой набегающего потока среды. Это позволяетопределить плотность теплового потока на поверхности исследуемогообъекта, невозмущенного наличиемизмерительной головки, в точке, находящейся в одинаковых гидродинамических условиях с ней, при условии 10одинаковой температурной предыстории.набегающего потока, если есть возможность измерить в этой точке температуру поверхности 6 х . В этомслучае искомый тепловой поток определяют по формуле(б)Из анализа формулы (6) следует, что использование предлагаемого устройства при исследовании кон-. вективного теплообмена позволяет довольно просто учитывать искажения плотности теплового потока, вносимые наличием измерительной головки на поверхности раздела фаз.Для исследования конвективно-ра".диационного теплообмена применяетсявторая модификация теплометрическойголовки (фиг,26), в которую введен30дополнительный тепломер 11, Степеньчерноты поверхности, обращенной кдвижущейся газовой среде, дополнительного тепломера выполнена контрастной по сравнению со степеньючерноты поверхностей тепломеров 4.Подготовка к работе этой модификации аналогична описанной выше.Рабочие формулы для искомых веЛичин, характеризующих конвективнорадиационный теплобмен, выводятсяиз соответствующих уравнений,Величина плотности тепловогопотока может быть рассчитана по зависимостям (7) и (8), если известнастепень черноты поверхности и температуры в этой точке при условии,что она находится в одинаковых гидродинамических условиях с измерителЬной головкой, а тепловая предыстория набегающего потока в зоне установки устройства и в точке замера температуры одинакова=кТ, -Т) а -ЕЬТ 4. 7) или Из анализа Формул(б) и (7) сле-. дует, что устройство может быть ис-. пользовано для измерения плотности теплового потока как при конвективом, так и конвективно-радиационном теплообмене. Поскольку имеется возможность учета локального искажения плотности теплового потока, вносимые устройством при расположении его на поверхности исследуемого объекта с теплофизическими характеристиками, отличными от теплофизических характеристик устройства, измерения являются более корректными, чем у прототипа.Положительный эффект от внедренияпредлагаемого устройства достигается за счет обеспечения варьированияразности температур между поверхностями тепломеров, омываемых движущей-ся средой от нуля до любого требуемого значения, что позволяет использовать устройство как для случаявынужденной конвекции, так и. длятеплообмена в условиях естественнойконвекции, где на формирование гидродинамического пограничного слояоказывает влияние разность температур между поверхностью и движущейся средой,Преобразователь мощности в предлагаемом устройстве позволяет исключитьпогрешность, связанную с зависимостью сопротивления нагревателей 7 и 8и чувствительности тепломера 4 итермоэлектрической батареи 9 от температуры,Использование в предлагаемом устройстве для измерения мощности преобразователя приводит к расширениютемпературного диапазона использования устройства, 10578291057829 Составитель В,Эайченкоктор Н,Безродная Техред С,Легеза 1(орректор А,иль одписн аз 9575/45ВНИ д. 4/5 илиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,Тираж ИПИ Государстве по делам изобре 035, Москва, Ж873 Пного комитета СССРений и открытийРауйская наб.,