CN109313089A - 用于确定对流热传递系数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于确定对流表面(1)上的对流热传递系数的装置，其中可以确定对流表面(1)的表面温度与周围环境流体温度之间的第一温差和对流表面(1)的邻近区域(4、20)中的温度与周围环境流体温度之间的第二温差。在此，邻近区域(4)如此靠近对流表面(1)，使得对流表面(1)的温度受到对流的明显影响。

Description

用于确定对流热传递系数的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定流动面上的对流热传递系数的装置和方法。因此，也可以确定表面上的流动的速度和/或湍流。

背景技术

从DE 10 2013 206 406 A1中已知一种室内气候测量装置。它包含至少一个可以供应热流的测量面。测量面设置用于通过对流和/或辐射将热量排出到其周围环境中。在此，可以确定测量面的自调节温度。可以利用加热电阻器产生热流。此外，存在热流检测装置以确定供应到测量面的热流。室内气候测量装置非常适用于检测与人的舒适性相关的室内气候。

还已知的是以热的方式工作的风速计。为此，使用电加热的传感器元件，其电阻取决于温度。流过传感器元件的流动确保了热量传递到周围环境中。通过测量电学变量可以得出流动速度。传感器元件的一种重要实施方式是用于形成所谓的热线缆风速计的加热的线缆。如果愿意，在此也可以确定对流的热传递。也可以考虑加热的面。这样做的缺点是有时需要复杂的调节和面的加热。

美国专利4,653,934A公开了一种用于确定对流热传递系数的装置。其具有传感器，利用该传感器可以确定面上的温度，并且还具有另一个传感器，利用该传感器可以确定周围环境中的温度。

通过文献检索在本发明的知识中，作为另外的现有技术还已知文献DD244 199B3、US2004/0136434A1和GB 2 395 561 A。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单可靠的装置以用于测量表面上的对流热传递系数。

根据本发明，设置一种用于确定对流表面上的对流热传递系数的装置，其中可以确定对流表面的表面温度与周围环境流体温度之间的第一温差和对流表面的邻近区域中的温度与周围环境流体温度之间的第二温差。在此，邻近区域如此靠近对流表面，使得对流表面的温度明显受到对流的影响。

首先，应该明确的是，周围环境是指填充有静止的或流动的流体的空间。通常，它是指空气或其它气体或气体混合物。因此，以下实施方案涉及对空气流动中的对流热传递系数的测量。然而，对水的初步测量表明，也可以测量液体中的对流热传递系数。主要应用可能是确定流经空气的对流热吸收或流经空气的对流热排放。即使在对流表面实际移动并且空气静止或大部分静止时，也应该称作流经空气。为了清楚起见，而提及空气。然而。这不应排除其它流体。

在周围环境流体温度下，流体的温度应理解为在其中流体的温度不受对流表面影响的范围，至少不受对流影响。

在此，简要介绍了热力学关系。从表面到周围环境的总对流热流密度q是q＝h_c(T_o-T_u)，其中T_o是对流表面的表面温度，并且T_u是周围环境流体温度。对流热传递系数用h_c表示。

这也等于在位置x＝0上的温度导数，即边界层中的温度导数乘以空气的热传导系数λ，由此

q＝λ*(dT/dx)_x＝0

因此λ*(dT/dx)_x＝0＝h_c(T_o-T_u)

上述微分方程的解是T_x-T_u＝(T_o-T_u)e^-x/d

在此d是温度边界层厚度。在位置x＝d处，根据定义

T_d＝(T_o-T_u)/e+T_u

在此，e是欧拉数(2.718)。换言之，边界层厚度是温差(T_o-T_u)下降到第1/e份额之后的厚度。

通过其它运算，其在此并未示出所有中间步骤，得出

h_c＝λln((T_o-T_u)/(T_x-T_u))/x。

因此，该计算表明，从对流表面到周围环境的温差呈指数下降。

对于本申请而言特别感兴趣的是，如上所述，确定从对流表面相对于周围环境、更准确地说周围环境流体温度的温差，和从对流表面的邻近区域中的位置相对于周围环境流体温度的温差就足够了，以便确定对流热传递系数。为了计算，仅需要知道邻近区域中的位置距对流表面的距离。该距离在上式中用x表示。

在此应该注意，没有必要检测相应的绝对温度。实际上确定温差就足够了。

在许多情况下，对流表面的温度高于周围环境流体的温度。在这些情况下，也可以说是热排放面。而对流表面的温度也可以低于周围环境流体的温度。因此，一般来说是对流表面和周围环境、更具体地说周围环境流体之间的对流热传递。因此，它可以是从对流表面到周围环境的对流热传递，其中其同样可以是从周围环境到对流表面的对流热传递。基本考虑因素和物理定律在两种情况下都是相同的。

如稍后将明确的，通常实际上温度在一点处或更精确地说是在对流表面的小范围内测量。由于从对流表面至周围环境的热阻通常远高于对流表面中的热阻，因此对流表面的温度在这方面通常是足够均匀的。

选择术语对流表面以表示它是可以通过对流热传递发散或容纳热量的表面。当然，这对于每个面来讲基本上自由的情况，而不是面的特殊特性。该术语旨在仅用于说明性和明确的表示。

在此应指出一个重点。取决于对流表面的类型，更精确地说是取决于对热辐射的吸收程度，对流表面还可以通过热辐射而向周围环境排出热量或从周围环境吸收热量。应注意，由此并不歪曲对流热传递系数的确定。因此，通常重要的是，周围环境流体温度的测量和邻近区域中的温度测量不受来自对流表面的辐射的相关影响。这可以通过以下事实来实现：用于温度的测量位置、必要时包括通向那里的引线等针对热辐射具有低的吸收程度，从而不会与对流表面发生相关的辐射交换。

然而，还应该清楚的是，在相应地设计测量位置的情况下，对流表面允许具有对热辐射的高吸收程度。为了完整起见，应该注意吸收程度和发散程度总是一致的。

在一种实施方式中，存在热电偶以确定温差。热电偶以批量生产的形式提供，并因此可以低成本地获得。确定绝对温度有时可能很昂贵。然而，使用热电偶确定相对的温差是非常简单和准确的。由于重要性，将简要介绍热电偶的工作方式。存在由第一材料制成的第一线缆。第一线缆在两端处分别与由第二材料制成的另一线缆钎焊。在选择合适的材料时，常见的是康铜和铜，从而产生取决于两个焊点电压之间的温差的电压。该电压可以通过测量装置检测。由所述电压可以通过使用表格或特定计算规则来得出温差。

例如，还可以使用电阻温度计来代替热电偶。合适的例如是Pt100电阻温度计、优选采用四导体技术(Vierleitertechnik)。还可以以无线方式传输诸如测量的温差电压(Thermospannung)的数据。

使用热电偶进行测量的一个优点是，可以毫无问题地使用相对长的引线，而不会例如因引线电阻而损害测量精度。对于电阻温度计，除非使用四导体技术，否则引线电阻会导致失真。

热电偶还有另一个优点。产生的温差电压与温差成比例。如果再看以下等式

h_c＝λln((T_o-T_u)/(T_x-T_u))/x。

则可以看出，通过其来关联温差和温差电压的比例因子会降低。就使用两个相同的热电偶而言，可以在上述等式中使用所测量的温差电压来代替温差。

这些考虑适用于任何其信号与测得的温差成比例的测量装置。测量信号可以直接插入等式中。因此，只要比例因子不变，就不需要校准，就像两个相同的热电偶的情况一样。

当然，如果要确定实际的对流热吸收或热排放，则必须测量实际的温差。如前所述，不必确定绝对温度。而是知道温差就足够了。

根据定义，对流热吸收或热排放是对流热传递系数h_c与表面温度和周围环境温度之间的温差的乘积。然而，这仅适用于温差的测量不会因辐射热交换而失真的情况。因此，消除不受辐射影响的周围环境流体温度。如上所述，将在周围环境和邻近区域中的焊点的与对流表面进行辐射交换的面构造为具有针对热辐射的低的吸收程度可能是重要的。这对于具有针对热辐射的高的吸收程度的对流表面尤其如此。

在一种实施方式中，热电偶分别具有两个焊点，其中热电偶的两个焊点与第一线缆连接并且其他线缆从两个焊点离开到达电压测量装置。在此，在相同温度下离开两个焊点的线缆电短路。这将在下面更详细地解释。在具有由铜和康铜制成的线缆的通常的热电偶中，通常焊点与康铜线缆连接，同时从焊点延伸出铜线缆。

如上所述，应确定对流表面的邻近区域与周围环境、即周围环境流体温度之间的温差，以及对流表面与周围环境之间的温差。如果这是通过热电偶完成的，则存在两个热电偶，其中在该周围环境中分别布置有一个焊点。从位于周围环境中的这些焊点出来至电压测量装置的线缆可以短路。这可以节省铜线缆。

在一种实施方式中，邻近区域与对流表面的距离为1mm至3mm、优选为约2mm。已经发现该距离是合适的，因为一方面存在足够的温差，并且另一方面，距离足够低，使得温度受到来自对流表面的或到对流表面上的对流热传递的显著影响。

在本发明的一种实施方式中，接下来简称为“销”的销或销状组件从对流表面突出到周围环境中，以便在邻近区域中布置焊点和在周围环境中布置焊点。以这种方式，非常容易将焊点布置在热力学期望的位置上。

在此重要的是，销具有低的热传导率，以便不影响温度关系，从而使测量失真。还应注意，销具有针对太阳辐射的低的吸收程度和针对热辐射的低的吸收程度。当销从对流表面突出到周围环境中两厘米时，通常这就足够了。在那周围环境流体温度占主导，因此可以在那里安置焊点。另一个焊点应如所述的那样布置在邻近区域中。应当理解，只有当销可能暴露在阳光下时，针对太阳辐射的低的吸收程度才有意义。此外应注意，焊点尽可能与销热解耦。

销不应太长，约2cm就足够了。因此，也可以以受限的几何形状进行安装。另外，可以最小化流体的流动的影响。

进一步如上所述，可能重要的是，将与对流表面进行辐射交换的销的构造为具有针对热辐射的低的吸收程度。对于具有针对热辐射的高的吸收程度的对流表面来讲，尤其适用这一点。

在本发明的一种实施方式中，设有凹部以容纳向焊点引导的线缆。因此，可以实现线缆和焊点的牢固的布置。

在本发明的一种实施方式中，凹部沿销、优选地在销的中心延伸，并且至少一个凹部在待布置的焊点的区域中横向于销延伸。因此，可以将朝向焊点引导的线缆和在这些焊点之间延伸的线缆引导至凹部中。

如果在引导线缆和布置焊点时注意到，焊点从销中稍微地突出、例如一毫米，则可以以简单方式实现销和焊点的热解耦。同时确保焊点在该点上承受空气的温度。

用于检测周围环境温度的焊点也可以布置在销的端部上，当然是在背离对流表面的端部上。这仅仅是因为焊点布置在沿销延伸的凹部的端部上。因此，可以实现用于检测周围环境温度的焊点的尽可能高的距离，同时可以实现销的低的高度。由此最小化了流动的影响。

在一种实施方式中，设有间距保持组件，其中该间距保持组件由具有用于连接至对流表面的连接表面并此外由间隔表面围绕的本体形成，其中间隔表面具有位于邻近区域中的近间距区域且具有远间距区域，在该远间距区域中存在周围环境流体温度。

在此，间距保持组件基本上可以具有任意的形状。连接表面当然应具有适合于对流表面的形状。连接表面用于将间距保持组件连接至对流表面。间隔表面(当然考虑到以下陈述)任意设计。在此，间隔表面自然地弯曲和/或具有多个部分面。间隔表面是指形成间距保持组件的本体的所有那些封闭表面，其不是连接表面的一部分。

显然，间距保持组件的空间范围必须很小，以便尽可能少地影响待测量的关系。通常，沿对流表面的横截面为1cm至2cm。

在一种实施方式中，间隔表面如此成形使得由间隔这种引起的空气阻力低。虽然这不是强制性的，但这通常出于几个原因是有意义的。低空气阻力同时也意味着对流动的影响很小。由于如后所述，流动可以大量地影响待测量的对流热传递系数，因此尽可能少地影响对流表面上的流体的流动是重要的。

此外，较低的空气阻力还与作用在间距保持组件上的较小的力相关联，从而降低了间距保持组件的分离的风险或对固定的要求。

在一种实施方式中，间距保持组件呈楔形或外挂架的形式。这些实施方式在易于制造性、低空气阻力和良好的测量可能性方面是有意义的。

在一种实施方式中，通向对流表面的凹部存在于近间距区域和/或远间距区域内。如稍后更详细地示出并且已经结合上述销所提到的那样，线缆可以引导穿过凹部，使得热电偶可以用于确定温差。

在一种实施方式中，间隔表面至少部分地设有导电的金属层。只要使用热电偶来确定温差，则金属层可以用作热电偶的两种金属之一。特别是考虑由康铜制成的金属层。如上所述，康铜适于形成具有配对铜和康铜的热电偶。与其他金属一样，康铜例如也可以通过溅射工艺施加。为了形成热电偶，然后用利用铜线缆的相应的钎焊就足够了。

在基本上已经提到的实施方式中，线缆被引导穿过相应的凹部，该线缆被钎焊至金属层，从而形成热电偶的焊点。由此可以以非常简单的方式提供一种构造，利用该构造可以确定温差。

在一种实施方式中，将电绝缘层施加到金属层。由此实现了，例如由于雨水而引起的两个焊点的短路不会导致测量失真。

在一种实施方式中，间距保持组件具有如此低的热传导，使得由于通过间距保持组件的热传导而对间隔表面上的温度没有明显的影响。应理解，永远不应避免一定的热传导。只需要确保这不会对间隔表面上的温度产生显著影响。

在一种实施方式中，远间距区域中距对流表面的距离约为1cm，并且在近间距区域内所述距离约为1mm至3mm、优选为2mm。事实证明，这些距离很有用。

关于针对销的低的太阳辐射和热辐射吸收程度的上述实施方案类似地适用于间距保持组件。

本发明还涉及一种用于确定对流表面的对流热传递系数的相应方法。

通过确定对流热传递系数，可以通过将确定的对流热传递系数乘以从对流表面到周围环境的温差来容易地确定对流热排放或热吸收、即对流热流。

上述装置和/或所述方法可用于由对流热传递系数来确定对流表面上的流动的速度和/或湍流，特别是是否存在层流流动或湍流流动。由于对流热传递系数取决于流动的速度，因此可以通过确定对流热传递系数来确定流动速度。

由于湍流流动中的对流热传递系数明显高于层流流动中的对流热传递系数，因此尤其可以确定流动是层流流动还是湍流流动。在许多情况下，这种区别很重要。由于在层流流动或湍流流动的情况下的对流热传递系数的显著的差异，在此通常可以省去精确确定热传递系数本身。

例如，可以在流动方向上先后地布置多个销或多个间距保持组件。因此，可以确定从层流流动至湍流流动的转变点。

在风力发动机中，流动的速度(通常是风速)，以及是否发生湍流的问题，对于该方案而言通常是非常重要的。因此，可以使用上述方法以及装置来用于控制风力发动机。因此，可以根据风速和/或出现的湍流来调节迎角(Anstellwinkel)。

至少部分地沿面流动的流动由于流体和面之间的摩擦而产生剪切力。剪切力取决于流动的速度。此外，剪切力主要取决于流动是层流还是湍流。

从文献中已知，在环流的对流表面的情况下，温度分布和速度分布是相同的。结果，对流热传递系数和剪切力、即由流动通过摩擦施加到对流表面上的力是成比例的。因此，对流热传递系数的确定允许简单地确定剪切力。

本发明还涉及一种流动负载的面、特别是风力发动机或飞机的面，其包括如上所述的装置，从而可以确定面的流动负载、特别是剪切力。在许多情况下，特别是在风力发动机或飞机中，流动负载、即由流动引起的剪切力是主要关注点。通过包含上述装置的流动负载的面，可以以简单的方式如所说明的那样确定所述的流动负载。

实施例

借助于实施例示出其他的细节。

在此，图1示出了具有所布置的热电偶的测量构造的草图，并且图2示出了焊点和从其引出的铜线缆的示意图。

图3示出了间距保持组件。

在用作对流表面1的面上固定有由聚酰胺制成的销2。该销2长约2cm，直径为几毫米。销2在中间扩孔，从而产生孔3。此外，存在侧向的孔4，使得线缆可以从孔3中引出。在销2的顶部可以直接从孔3引出线缆。

该布置允许在孔3的上部的端部上布置第一热电偶的第一焊点5。第一热电偶的第二焊点6在对流表面1上位于销2的基部附近或在销2的基部下方。

在孔3的上部的端部上还布置有第二热电偶的第一焊点7。第二热电偶25的第二焊点8位于孔4附近。

线缆朝向热电偶穿过孔3和4延伸到焊点5、6、7和8。引线被保持在孔中，从而由此实现焊点的一定程度上的固定。因此，它们靠近销2被保持，其中尽管如此仍然实现销2和焊点5、7和8之间的热解耦。

侧向的孔4距对流表面1的距离为2mm。因此，焊点8位于靠近对流表面1的邻近区域，使得对流表面1的焊点8的温度明显受到对流的影响。

孔3的上部的端部距对流表面1的距离为2cm。因此，焊点5和7离对流表面1如此远，以至于在那里周围环境流体温度占主导。

因此，对流表面的表面温度与周围环境流体温度之间的温差是第一热电偶的焊点5和6之间的温差。

对流表面邻近区域中的温度与周围环境流体温度之间的温差对应于第二热电偶的焊点7和8之间的温差。

所使用的热电偶在焊点之间具有康铜线缆。在焊点上，每根铜线缆钎焊到康铜线缆。铜线缆从焊点引导离开。

图2示意性地示出了带有电压测量装置9的热电偶的接线。其中一根铜线缆10从第一热电偶的第一焊点5引导至电压测量装置9。另一根铜线缆11从所述第一热电偶的第二焊点6引导至电压测量装置9。铜线缆12从第二热电偶的第一焊点7引导至电压测量装置9。如可以看出的那样，铜线缆10和12可以相会，因此可以电短路。由此可以节省铜线缆。最后，线缆13从第二热电偶的第二焊点8引导至电压测量装置9。在电压测量装置9中，焊点5和6以及7和8之间的电压可被测量。从确定的电压可以得出温差。对此，可以首先校准热电偶，或者可以使用制造商的数据。进一步如上所示，也可以省去热电偶的校准，因为对于相同的热电偶，所获得的电压值可被直接用于计算对流热传递系数h_c。

图3以示例的方式示出了示意性示出的间距保持组件14。该间距保持组件安置在对流表面1上。横截面大约2cm。可以看到连接表面15。间距保持组件14利用所述连接表面直接贴放于对流表面1上。此外，间距保持组件被间隔表面16包围。在间隔表面16上施加康铜层17、通常通过溅射。

存在第一凹部18和第二凹部19。第一凹部18在与对流表面1相距1mm至2mm的近间距区域20中终止在间隔表面16上。第二凹部19在距对流表面1大约1cm的远间距区域21中终止在间隔表面16上。

为了清楚起见而未示出的铜线缆可以引导穿过凹部18和19。焊点可以通过利用康铜层的钎焊来创建。此外，测量构造和测量与在上述销中那样进行。为了避免重复而对其进行引用。

附图标记列表

1 对流表面；

2 销；

3 中间孔；

4 下部的侧向的孔；

5 第一热电偶的第一焊点；

6 第一热电偶的第二焊点；

7 第二热电偶的第一焊点；

8 第二热电偶的第二焊点；

9 电压测量装置；

10 焊点5的铜线缆；

11 焊点6的铜线缆；

12 焊点7的铜线缆；

13 焊点8的铜线缆；

14 间距保持组件；

15 连接表面；

16 间隔表面；

17 康铜层；

18 第一凹部；

19 第二凹部；

20 近间距区域；

21 远间距区域。

Claims (21)

1.用于确定对流表面(1)上的对流热传递系数的装置，其中能够确定所述对流表面(1)的表面温度与周围环境流体温度之间的第一温差和所述对流表面(1)的邻近区域(4、20)中的温度与周围环境流体温度之间的第二温差，其中所述邻近区域(4、20)如此靠近所述对流表面(1)，使得所述对流表面(1)的温度受到对流的明显影响。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，为了确定所述温差而设有热电偶(5、6、7、8)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述热电偶分别具有两个焊点(5、6、7、8)，其中一个热电偶的两个焊点(5、6、7、8)与第一线缆相连，并且其他线缆(10、11、12、13)从所述两个焊点(5、6、7、8)离开到达电压测量装置(9)，其中在相同温度下离开两个焊点(5、7)的线缆(10、12)电短路。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述邻近区域(4)与所述对流表面(1)的距离为1mm至3mm、优选约为2mm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，销(2)或销状组件从所述对流表面(1)突出至周围环境中，以便在所述邻近区域(4)中布置焊点(8)并在所述周围环境中布置焊点(5、7)。

6.根据前述权利要求所述的装置，其特征在于，设有至少一个凹部(3、4)，用于容纳向所述焊点(5、7、8)引导的线缆(10、12、13)。

7.根据前述权利要求所述的装置，其特征在于，凹部(3)沿所述销(2)或销状组件、优选地在其中心中延伸，并且至少一个凹部(4)横向于所述销(2)或销状组件在待布置的焊点(5、7、8)的区域中延伸。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设有间距保持组件(14)，其中，所述间距保持组件(14)由主体形成，该主体具有用于连接至所述对流表面(1)的连接表面(15)并且此外被间隔表面(16)包围，其中所述间隔表面(16)具有位于邻近区域中的近间距区域(20)，并且具有其温度处于周围环境流体温度下的远间距区域(21)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述间隔表面(16)如此成形，使得由所述间距保持组件(14)引起的空气阻力低。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述间距保持组件(14)具有楔形或外挂架的形状。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的装置，其特征在于，朝向所述对流表面(1)引导的凹部(18、19)存在于所述近间距区域(20)和/或所述远间距区域(21)中。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述间隔表面(16)至少部分地设有导电的金属层(17)。

13.根据前述权利要求所述的装置，其特征在于，线缆(10、12、13)引导穿过相应的凹部(18、19)，所述线缆与所述金属层(17)钎焊，从而形成热电偶的焊点(5、7、8)。

14.根据前述权利要求所述的装置，其特征在于，在所述金属层(17)上施加电绝缘层。

15.根据权利要求8至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述间距保持组件(14)具有如此低的热传导，即不会由于通过所述间距保持组件(14)的热传导而对所述间隔表面(14)上的温度产生明显的影响。

16.根据权利要求8至15中任一项所述的装置，其特征在于，在所述远间距区域(21)内，距所述对流表面(1)的距离约为1cm，并且在所述近间距区域(20)中，所述距离约为1mm至3mm、优选约为2mm。

17.用于确定在对流表面(1)上的对流热传递系数的方法，其中确定所述对流表面(1)的表面温度与周围环境流体温度之间的第一温差，并确定所述对流表面(1)的邻近区域(4)中的温度与所述周围环境流体温度之间的第二温差，其中所述邻近区域(4)如此靠近所述对流表面(1)，使得所述对流表面(1)的温度受到对流的明显影响。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法和/或装置的用途，以用于确定所述对流表面(1)上的流动的速度和/或湍流。

19.根据权利要求1至17中任一项所述的方法和/或装置的用途，以用于控制风力发电设备。

20.根据权利要求1至17中任一项所述的方法和/或装置的用途，以用于确定剪切力。

21.流动负载的面、特别是风力发动机或飞机的面，其包括根据权利要求1至16中任一项所述的装置，从而能够确定所述面的流动负载、特别是剪切力。