Способ определения локального коэффициента теплоотдачи

(51)5 8 01 К 17/2 шкости объекта и темреды, а также не-;:щади поверхности ка, температуры поверх пературы охлаждающей обходимостью учета пл теплоотдачи. Отмеченны ничивают широкое исп ных способов определе теплоотдачи,е недостатки ограользование известния коэффициента 12)(/( г , К) на стенке исследу где О - мого оТ 1 оверхности объекта; хлаждающей среды, рхности теплоотдачи, ам присуща недостаеделения коэффициобусловленная ения теплового потоЯ -Източнаяентапогрев ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(72) В.Т.Кондратов и Н.В,Сиренко (56) Авторское свидетельство СССР М 147009, кл. О 01 К 17/00, 1961,Авторское свидетельство СССР М 155975, кл, 0 01 К 7/16, 1962. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ (57) .Использование: исследование конвективного теплообмена между нагретым объИзобретение относится ктеплотехникеи может быть использованопри оценке кон-.вективного теплообмена между объектом,излучающим тепло, и охлаждающей средой,например, в автомобилестроении, металлургии, авиационной промыщленности, вэнергетике и т;д,Известны способы определения коэффициента теплоотдачи, основанные на использовании закона Ньютона-Рихмана,согласно которому тепловой потоъекта, температура и температура о площадь повевестным способ точнОСть Опр теплоотдачиностями измер ектом и охлаждающей средой. Сущность изобретения, нагревают датчик теплового потока (ДТП), установленный в непосредстфвенной близости от объекта контроля, токо. выми импульсами с периодомследования, . равным(3-20) т, где г - тепловая постоянная времени датчика. В момент т 1 равенства температуры поверхности ДТП температуре по-.верхности объекта измеряют тепловой поток, температуру окружающей среды и температуру поверхности ДТП: По измеренным значениям определяют величину локального коэффициента теплоотдачи. 3 ил 1 табл. 4Известен способ определения локаль- СО ного коэффициента теплоотдачи а, вклю- в чающий нагревание датчика. теплового: (Л потока, установленного в непосредствен-; ( ной близости от объекта, и измерение теп-лового потока Оь температуры Т 0 окружающей средыи температуры Тпо-верхности датчика теплового потока в мо-; Ф мент в равенства ее температуре Ть, поверхности обьекта, с последующим опре-делением а, по измеренным значениям.Недостатком известного способа является низкая точность в условиях нестационарного теплообмена, обусловленная влиянием погрешности измерения ТньЦель изобретения - повышениеточности определения а в условиях нестационарного теплообмена,Поставленная цель достигается тем, что в известном способе нагрев датчика тепло вого потока осуществляют до температуры Т + (0,01 - 0,1)Тн токовыми импульсами с периодом следования, равным (3-20) т, где г- тепловая постоянная времени датчика, а величину а 1 определяют по формуле: 10 О(Тк Тн ) (То Тн )где К - значение коэффициента пропорци-,1 ональности, соответствующее значению ЛТ 2 = (То - Тл) при Л Т 1 - (Т; - Тн) = 0 и полученное в процессе калибровки датчика.:На фиг, 1 изображена структурная схема датчика теплового потока устройства, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 - схема устройства для определения локального коэффициента теплоотдачи; на .фиг. 3 - изменение температуры датчика теплового потока.25Датчик.1 теплового потока (см. фиг, 1), включает в себя датчик 2 температуры, преобразователь 3 тепловой мощности в элект, рический сигнал и нагреватель 4. Причем нагреватель 4 установлен с одной стороны30 поверхности преобразователя 3 тепловой мощности, а датчик 2 температуры - с другой стороны. С выхода датчика 2. снимается тормоЭДС, а с выхода преобразователя 3 - сигнал, действующее значение которого пропорционально тепловой мощности О, Температура нагревателя 4 регулируется путем изменения тока входного сигнала,В качестве датчика 2 используется термопара, Для преобразования тепловой 40 мощности в электрический сигнал используется химический источник тока (ХИТ), нагруженный на образцовый резистор Яо. В качестве блока 4 используется электрический нагреватель, питаемый от управляемоГо источника.Температура Тн нагревателя 4 измеряется с помощью датчика 2 (термопары), размещенного на поверхности подогреваемого преобразователя 3 тепловой мощности, Сам датчик 1 теплового потока располагают на уровне исследуемого объекта . Причем для исключения теплообмена между ними устанавливают теплоизолятор. Охлаждающий поток (или среда) с температурой То55 создается с помогць 1 о управляемого охладителя. В качестве охлаждающей среды может быть использовано вещество, находящееся в жидком или газообразном состоянии, на-. пример вода или жидкий азот и т.д, Если в качестве охлаждающей среды используется, например, вода, то исследуемый объект, датчиктеплового потока,теплоизолятор,охладитель и датчик температуры изолируют бт воздействия охлаждающей среды путем, например, помещения в замкнутое пространство.На фиг. 2 приведена структурная схема одного из вариантов практической реализации предложенного способа определения коэффициента теплоотдачи, где 1 - датчик теплового потока, состоящий из датчика 2 температуры Тн нагрева, преобразователя 3 тепловой мощности в электрический сигнал и нагревателя 4, 5 - исследуемый обьект, 6- датчик температуры Т исследуемого обьекта, 7 - датчик температуры То охлакдающей среды, 8 - охладитель, 9 - блок управления охладителем, 10 - первый изме.ритель температуры То, 11 - второй измеритель температуры Ть, 12 - первый дифференциальный измеритель температуры, 13-второй дифференциальный измеритель температуры, 14 - милливольтметр действующих значений, 15 - управляемый источник тока, 16 - генератор модулирующего сигнала, 17 - кнопка, 18 - калькулятор, 19 - теплоизолятор, 20 - камера или трубопровод,Сущность изобретения заключается в следующем.Изменяют температуру Тн тепловоо потока с поверхности датчика 1 по пилообразному закону путем нагрева датчика 1 периодическими токовыми импульсами, поступающими на нагреватель 4 с периодом следования (3-20) т, где г - тепловая постоянная времени датчика 1 теплового потока. Нагрев проводят до температурыТц +(0,01 - 0,1)Т,Измеряот температуры Ти, То и Тн поверхностей исследуемого объекта, охлаждающей среды и датчика теплового потока, соответственно. а затем определяот разности температурЛТ = Т - Тн (1)ЛТ 2 = То, - Тн (2) В моменты времени Т, 1 и 1+ (см, фиг, 3) равенства первой разности(1) температур значений + Л Т, О и -Ь Т соответственно, измеряют значение О теплового йотока, пропорциональное выходному сигналу датчика.1 теплового потока, значения температур Ти Тон Изменения температурыКл полученных при градуировке характеристи- . дифференциальных измерителей темпера; ки датчика 1 теплового потока и аппрокси- тур 12 и 13,мации ее и ступеньками (дискретами) . Сигнал Ео датчика 7 поступает на вход кривой.20 первого измерителя температуры 10 и на. Об истинном,значении коэффициента прямой вход второго дифференциального теплоотдачи судят по выражению . " измерителя температуры 13, Сигнал Еп свыхода и реабразователя 3 тепловой мощно 03 сти поступает на вход милливольтметра 13 й = =кЛ 11 - Лт - ( м - тн)25 действующих значений.Источник тока 15, генератор 16 и блокР) 9 управления охладителем 8 имеют ручное где.О - значение теплового потока в т 1-й . управление.момент времени При определении коэффициента теплоК - дискретноезначениекоэффициента 30 отдачи с помощьюблокауправления 9 устапропорциональности, соответствующее навливают такой режим работы охладителя значению Ьт 21:,. 8, который обеспечивает получение темпеЬТ 1 и ЛТ 21 - первая и вторая разности ратурц охлаждающей среды равной, напри- температур;,:. мер, ТТц, Ты и Тою - значения температур по С помощью генератора 16 модулируюверхностей исследуемого объекта, датчйка щего сигнала задают определенное значетеплового потока и охлаждающей среды в . ние периода модулирующего сигнала и его 1-й момент времени..:амплитуду, обеспечйвающие измейениеДатчики 6,2 и 7(фиг, 2) формируют элек- температуры нагрева нагревателя 4 впредетрические сигналы Етк, Етн и Ето, пропорци лах + Л Т. Необходимо отметить, что периональнь 1 е температурам поверхностей .од модулирующего сигнала выбирают с исследуемого обьекта 5, первичного преоб-:. учетом постоянной времени т установлеразавателя 1 й охлаждающей среды, Для ния переходных тепловых процессов (Т- этого датчики 6 и 7 установлейы, соответст- (30-20) т),венно, на исследуемом объекте 5 и охлади Значение Ь Т устанавливают в предетеле 8. лах (0,01-0,1) Т, с учетом следующих обПреобразователь 3 тепловой мощности стоятельств: во-первых, случайная формирует сигнал Е, пропорциональный составляющая погрешности измерения с тепловому потоку 0 вероятностью 0,997-0,9999 должна нахоСигнал Е датчика 6 поступает на вход 50 диться в интервале (3-4) д, где 0 - сред- второго измерителя температуры 11 и на. няя квадратическая погрешность прямой вход первого дифференциального измерения температуры: во-вторых, инеризмерителятемпературы 12, Сигнал Ендат- ционность нагревателя не обеспечивает чика 2 поступает на объединенные инвер- мгновенное изменение температуры после сные входы первогои второго 55 О=к -2 (Т 6 - тн) нагрева выбирают из условия Л Т = (0,01 - . а в целом, - от тепловой постоянной време,1)Т, где Тк - температура поверхности ни т,исследуемого объекта, Другими словами Ь Допустим; что в 1-й момент времени из- Т не превышает (1-10)о от Ть Интервалы меренное значение теплового потока равно + ЛТ на фиг, 3 отмечены пунктирнымилини Оьа значения температур поверхности иссями, параллельными оси времени ледуемого объекта и охлаждающей средыравны, соответственно Тц и ТокНеобходимо отметить, что длитель- По значению А Т 1 второй разности (2) ность периода (цикла) изменения темпера-, температур, соответствующей моменту вретуры поверхности датчика 1 зависит от 10 мени равенства нулю. первой разности темтеплопроводности элементов конструкции ператур (1); т,е. при Л Тп = О, выбирают датчика 1 теплового потока, в частности, соответствующее дискретйоЕ значение конапример, преобразователя тепловой мощ- эффициента пропорциональности К 1. Допуности, от площади излучающей поверхно-стим, что значению Л Тз (при Тц = Т,4) сти и от температуры охлаждающей среды, 15 .соответствует значение Кь выбранное изтаблицы и значений Ьт 1 й ккизменения управляющего воздействия, Поэтому, с учетом инерционности нагревателя, интервал Ь Т выбирается заведомо большим, чем по первому условию;)С помощьюуправляемого источника тока выбирают такое значение питания Ь нагревателя 4, которое обеспечивает нарев его до температуры Тн =Тк. Под воздействием модулирующего сигнала генератора 16 достигается пилообразный закон изменения температуры нагревателя относительно температуры исследуемого объекта (см. фиг,.З),Для устранения" влияния температуры исследуемого объекта 5 на нагреватель 4 может быть использован теплоизолятор 19, помещенный между блоками 5 и 1. В ряде случаев необходимость в этом отпадает. Например, в случае маломощного источника тока 15 используют дополнительную тепловую мощность исследуемого объекта 5. В других случаях теплоизолятор 19 не используют из-за трудности его установки и обеспечения надежной теплоизоляции,После установки заданного значения тока питания нагревателя 4 и амплйтуды его изменения (Ь) включают кнопку 17., В результате температура поверхности датчика теплового потока 1 будет изменяться по пилообразному закону, как показано на фиг. 3.С.помощью. первого дифференциального измерителя температуры 12 измеряют значение первой разности температур (1). Допустим, что в результате измерений получилиК =(Етк - Етн)Я 1(1 + у 1) + ЛК 1, (5)где ЬК 1 - аддитивная составляющая погреш ноСти"изувере ни) я,(Етк - Етн)Ят у 1мультипликативная составляющая погрешностй измерения;Я 1 - крутизна преобразования, .Етк - Етн - разность сигналов датчиков 6 и 2, поступаемая на дифференциальный измеритель температуры 12, С помощью второго дифференциального измерителя температуры 13 измеряют значение второй разности температур (2):Й 2 = (Ето - Етн)Я 2(,1 + )ф 2) + Л К 2, (б)где ЬК 2 - аддитивная составляющая по.грешности измерения;(Ето - Етн)Я 2- мультипликативная составляющая погрешности измерения,Я 2 - крутизна преобразования, Кз = ЧЯз(1 + )з) + ЬКЗ;де Ю - действующее значение выходного 20 сигнала преобразователя;Яз - крутизна преобразования;:Л Кз - аддитивная составляющая потгрешностй измерения;Ч)Яз уэ - мультипликативная составляющая погрешности измерения,Одновременно, с помощьЮ измерителей 11 и 10 температур уточняют значениятемператур Тц и Ты: 30 Ка = ЕткЯа(1+ а)+ ЛКа, (8) К 5= ЕтоЯ 5(1+ )5)+ ЛК 5(9) где Етк и Ето - выходные сигналы датчиков б35 и 7 соответственно;Яа и Я 5 - крутизна преобразования сигналов в код блоков 11 и 10;Л ка и Лк 5 - аддитивные погрешностиизмерения температуры с помощью измеч 0 рителей 11 и 10 соответственно,ЕткЯа ",а И ЕтоЯ 575 - МуЛЬтИПЛИКатИВНЫЕсоставляющие погрешности измерения,В т 1-й момент времени, соответствующий равенству нулю первой разности температур, т.е. ЛТ 1.= О, на выходе первогодифференциального измерителя температур 12 формируется короткий импульс. Этотимпульс псступает на управляющие входывыходных регистровблоков 10, 11 и 13, Врезультате обеспечивается запоминаниеизмерейных значений Ка, К 5 и К 2 температур То и То) и второй разности температурЛТ 2 л Сброс показаний осущестеляется вручную, путем нажатия на кнопки сброс (непоказаны,л. По показанию второго дифференциального измерителя температуры 13, соответствующему значению К 2 второй разности(2) температур, в момент времени равенства Ето - Етн - разность сигналов датчиков7 и 2, поступаемая на второй дифференциальнь 1 й измеритель температуры 13.Поскольку управление током питания5 источника тока 15 осуществляется от генератора 16 модулирующего сигнала, то измерение тока питания от значениям ЛТ блока12 не проводится. В момент времени в равенства нулю первой разности температур,10 т,е. при ЛТц = О, определяемом по показаниям цифрового отсчетного устройства блока 12, с помощью милливольтметра 14измеря от действующее значение Ч выходного сигнала преобразователя 3 тепловой15 мощности",1781563 10 нулю первой разности температур, выбирают дискретное значение Щ коэффициента пропорциональности К по табличным данным, полученным при тарировке датчика 1 теплового потока,:С помощью калькулятора 18 определяют знацение коэффициента теплоотдачи согласно выражению пилообразному закону путем поочередного изменения тока питания нагревателя в заданных пределах, Это уменьшает время выхода на установленный режим измерений, 5 Полученные результаты определениякоэффициента теплоотдачи (при Т 1 = сопз 1 в течение времени измерений) могут быть обРаботаны согласно выражения(10)а = - У я,(13)10и ЫзИ= йц1 2 аналогичного выоажения (3).ц отличие от известных, предложенный е шен в 1/и аз сл чайнойгде и - .число измерений,способ определения локального коэффи 1 И 15 ц у е шен вп Раз случайнойс целью мейьшения в 1/и аз сл чайнойента тЕплоотдаци отличается повышенной составляющей погрешности измерения,точностью измерения, Это достигается эа При "естационарнои температУРе Т цесчет исключения аддитивной составляю- .лесообраэноопределятьЗависимости сй(т)щей погрешности измерения температур и в вение всего времени измерейия(наблюуменьшения мул ьтипликативной состав яения) коэффициента теплоотдачи исследуляющей путем учета ее при выборе дис-:емого объекта, а затем осуществлятькретных значений коэффициента Усреднение Результатов за определенныйпропорциональности К;, При определении интервал времени, учитывающий нестацио частного От деления обеспечивавтся суще-. нарность (или периодичность. измерения)ственноеуменьшение влияния мультипли темпераУРы к.кативной составляющей погрешности Формула изобретенияопределения разности температур. Полное . Способ определения . локального коее исключение достигается только прй эна эффициента теплоотдачи, включающий наченияхЛТ 2 ьсОответствующихсерединедигревание датчика теплового потока,скретных интервалов температур при 30 установленного в непосредственной блиэо ступенцатой аппроксимации градуировоц- с от объекта, и измерение теплового потоной характеристики. Кроме того, повыше-:ка С температуры То окружающей среды иние точности определения коэффициейта темпеРатУРы Тя .поверхности датчика тептеплоотдаци достигается за счет исклюце- . лового потока в момент О равенства ее тем. ния погрешности от нелинейности градуи 35 пеРатуре Тк 1 поверхности объекта, о т л и ч аровочной характеристики датчика путем ю щ и с я тем, что, с целью повышенияю щ и й:с я тем, что, с целью повышениявыбора дискретных значений коэффициен-точности в условиях нестационарного тептов пропорциональности К, по дискретным лообмена, нагрев датчика теплового потоказначениям разности температур Т . соот. осуществляют до температуры Ты + (0,012 ьветствующих моментам времени равенства 40 0 ) ц токовыми импульсами с периодомнулю первойРазности температур т е,при: следования равным (3-20) г где г - тепловая постоянная времени датчика, а величислТ 1 = О,В предложенйом способе пов шенйе - Уо ального кОэффицие та теплоо дачиточности достигается также за:счет высо- опреде ют.поформУлеопределяют покоточного определения значения температуры Тю. Это достигается за счет . а; =К, -Овысокотоцного определения момента вре-0 Тф) (Го 1 Н)мени й измерения.Повышение быстродействия определе-где . К 1 - значение коэффициента пропорния коэффициента теплоотдаци а; достига циональности, соответствующее значениюется за счет измерения температуры Ттеплового потока с поверхности датчика по . получейное в процессе калибровки датчика.1781563 ко Реда кто Корре,Шмаков Производственн Заказ 42 б 9ВНИИП Составитель В,КондратовТехред М.Моргентал Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 ельский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул, Гагарина, 101