CS217269B1 - Způseb absolutního aěřeaí saučinitole přestupu tepla a jehe radiační alažky a zařízení k jehe převádění. - Google Patents

Description

Vynález as týká. ppůsobu absolutníhomměřšní součinitele přestupu Aepla a jeho radiační složky a zařízení k jeho provádění.

Pedle dosavadního způsobu nebylo možno měřit součinitel přestupu tepla v prostředích (kapalných, plynných nebo fluiduích), pokud se tepelné a přenosové poměry měnily a časem. Až dosud nebyle možno v neustálených teplotních a přenosových podmínkách snímat jedinou měřenou veličinu k určení okamžitého součinitele přestupu tepla například kampenzačnim zapisovačem nebo číslicovým záznamem dat v pravidelných časových intervalech.

Dosavadní způsoby měřily pouze celkovou hodnotu součinitele přestupu tepla a nerozlišovaly mezi přenosem tepla zářením a přestupem tepla prouděním.

Při dosavadním způsobu měřěni se dlouhodobě měřil tepelný tok povrchem například termotransiatemetrem a rozdíl teplot povrchu a ovzduší (prostředí). Z těchto měření se určila pouze jediná střední hodnota součinitele přewtupu tepla za období měření. Další způsob využívá takzvaného alfakálorima-tru, bu3 elektricky vyhřívaného v prostředí Θ kenstantní teplotě a při Časově neproměnném přestupu tepla, kde se elektricky dodává a reguluje a integruje ztracené teplo a při delším měřeni se Vypočte časová střední hodnota součinitele přestupu, řři třetím způsobu se sleduje rychlost vychládání alfatalerimetru o známé tepelné kapacitě a známém p»»Feňadépět v prostředí s časově neproměnnými teplotními a přestupovými poměry. Absolutní měření v neustálených teplotnicha přestupových poměrech se dosud neprováděl·, pouze relativní vztažená k eejchovním hodnotám.

K měření tepelných účinků slunečního zářeni navrhl K. Angstrem v r. 1890 tepelně kompenzační metodu, při které se stejné zvýšené teploty ozářeného odporového vodiče dosáhne na stejném neozářeném vodiči průchodem elektrického proudu a shodnost teplot se měří dle nulového napětí diferenciálního termočlánku. Toto zařízení není možné použít k určení součinitele přestupu tepla v podmínkách, kde dochází k přestupu tepla prouděním i zářením, nebot Angstromův pyroheliemetr neměří konvečni přestup tepla. Způsob měření součinitele přestupu tepla podle čs. AO 168975 je možno provádět a není jímmožno odděleně mořit jeho zářivou a konvekční složku. Nevýhody dosavadního způsobu měření součinitele přestupu tepla se složkami konvekční a tepelně zářivou jsou z velké Části odstraněny způsobem konstantní odchylky teploty podle vynálezu.

Podstata způsobu současného absolutního měření součinitele přestupu tepla a jeho radiační složky mezi materiálem povrchu čidla známé velikosti povrchu a.kapalným, pl ynnýrn či fluidním prostředím obklopujícím čidlo v neustálených teplotních, rychlostních,konvekčních a látkových poměrech spočívá v tom, že as vytápěná část čidla zahřívá na teplotu o stálý teplotní interval vyšší než je teplota prostředí určená teploměrnou částí čidla a rozdíl tpelet se reguluje v závislosti na odchylce napětí rozdílového termočlánku od vztažného napětí oupdvídajícího stálému teplotnímu intervalu.

Podctatá měření radiační a konvekční složzy celkové hodnoty součinitele přestupu tepla mezi absolutně černým povrchem a prostředím spsčívá v současném využiti dvojitého Čidla sestávajícího ze dvou čidel podle předchozího odstavce β tím, že u prvého čidla je elektrickým proudem vyhřívaná část i teplotoměrná část «patřena povrchem silně pohlcujícím tepelné záření (černým) a u druhého čidla je pauze elektrickým proudem vyhřívaná část •patřena povrchem tepelná záření silně odrážejícím, přičemž teplot«měrné část je opět •patřena povrchem silně absorbujícím (černým).

Čidle je svým výstupem (svými výstupy) připojené přes zdroj srovnávacího napětí no citlivý stejnoměrný zesilovač, regulátor rozdílu toplet a na přesodník napětí na výkon (watmetrový obvod),- Jednotlivé členy jaou připojeny paralelně ke zdroji napájecích napětí. Výstupem jsou napětí nebo proud přímo úměrné měřenému eoučinítoli přestupu teplo v nestacionárních podmínkách. Při měření radiační a konvekční složky součinitele přestupu tep! se vedla hodnot úměrných součinitelům přestupů tepla na pohlcujícím o odrazivém čidle, zaznamenává ještě teplota měřená absorbující teplotoměrnou částí těchto čidel., nejvýhodněji pomocí zvláštního tam zabudovaného elektrického teploměru.

Je velmi výhodné, když jsou jednotlivá části čidlo tvořeny vždy dvěma destičkami vzájemně svými čely spojenými, mezi nimiž je vytvořena dutina, v níž je uleženo topné vinutí u vytápěné části čidla. Rozsah teplot mezi vytápěnou a nevytápěnou částí so snímá elektricky ' . .i . i ϊη -ii niv— «fOodarh dutin nřičamž Dřívodv

-3topného vinutí a termočlánku jsou vyveueny na deatičkovitý spojovací díl z tepelně aebře izolujícího materiálu. Uestičkevitý díl se upevňuje Me svorkovnici a může být opatřen rukojetí, kterou přiiedy procházejí nebo se upevňuje na stojan k dlouhodobým měřením v jeuiném místě, UaUo materiál pro destičky se jeví nejvýhednější dobře tepelné vodivé kovy neb slitiny. Povrch se opatří velmi tenkou, dobře tepelně absorbující, vrstvou nebo při měření zářivé a proudivé složky přenosového součinitele se odrazivého povrchu dosáhne vyleštěním kovového povrchu s případným polevením ušlechtilejším kovem.

Výhody nově navrženého způsobu podle vynálezu jsou následující:

Lze měřit absolutní hodnotu součinitele přestupu tepla od jejich nejnižších hodnot (při teplotách blízkých absolutní nule a ve vakuu součinitel přestupu nabývá hodnot pod 0,01 W/m^ K) až po hodnoty značně vysoké (až 1000 W/m²K)a' více) v podmínkách neustálené^il teploty a neustáleného přestupu tepla jak zářením tak prouděním ve všech plynných, kapalných, parních i fluidních prostředích.

Změřený absolutní celkový součinitel přestupu tepla je v zařízeni převeden na elektrický signál, jehož napětí je úměrné hodnotě součinitele a tu veličinu lze nepřetržitě atdlovfc-..· hodobč snímat analogovým způsobem (zapisovačem) nebo číslicově v Časových intsrvalechn i velmi krátkých.

Z měření lze odečítat okamžitou hodnotu součinitele přestupu tepla i vypočíst střední hodnotu v čase.

Radiační složku záření lze z měřeni pomocí dvojitého čidla určovat rovněž v neustálených toaletních, přestupových a zářivých poměrech registrací obdobných údajů z lesklého čidla, a následným výpočtem.

Konvekční složka se z naměřených součinitelů celkového a radiačního vypočte jame jejich rozdíl a tím i toto se určuje v neustálených poměrech teploty a přestupu tepla.

Příklad způsobu podle vynálezu je popsán na funkci přikladu konkrétního provedení zařízení podle vynálezu, který je znázorněn na připojeném výkresu, kde na obr. 2 je blokové schéma zařízení k nestacionárnímu měření. Obr.1 je čidle k nestacionárnímu měření v axonometrickém pohledu a částečnému řezu. Obr. 4 je blokové schéma zařízení k nestacionárnímu měření celkového součinitele přestupu z jeho zářivé části a potřebných teplot okolí.

Obr. 3 je dvojité čidlo k měřeni celkového součinitele zářivé části součinitelepřestupu tepla v ustálených teplotních poměrech v axenometrickém pehleuu a částečném řezu.

Zařízení k měření součinitele přestupu tepla v neustálených teplotních poměrech sestává ž čidla(obr,. 1) a elektroniky s čidlem 21 (v blokovém schématu na obr. 2). Čidlo je tvořené čtyřmi čtvercovými destičkami 1. 2. £. Uprostřed destiček 2 a £ jsou utvořeny dutiny,

V jejichž středech gaou umístěny svarové spoje rozdílového termočlánku měď - konstantánového ( Ců - Cu^wi).

Měděné vodiče elektrického teploměru 8 jsou vyvedeny jako vstup do elektroniky spo_dovacím tepelně izolujícím členem 10 ve tvaru písmene 5, který je dvouvrstvý.

Okol· termečlánkového spoje na destičce 2 je nalepen mezi dvěma tenkými papírovými listy 13 a li vodič £ topného vinbttí z kanstantanu tak, že vyplňuje rovnoměrně plochu destiček 1,

2, 2, £· Rozdílový termočlánek J a topné vinutí £ jsou co nejdokonaleji elektricky odizolovány od destiček 1, £, J, £ a navzájem vhodným lepidlem. Velbou tohoto lepidla je zaručen dobrý tepelný kontakt mezi topným vinutím £ a destičkami 1 a 2. Měděné vadiče elektrického teploměru 8 jsou společně nalepeny mezi tenkými papírovými listy 6, 11. 12. 1£, které jsou sevřeny tepelně a elektricky izolujícími deskami % a 10 spojovacího členu. Destičky a 2, 3 a £ a izolující desky j) a 10 jsou navzájem snýtovány. Rodiče topného vinutí jsou dále připájeny k přívadnímu kabelu cínem a spolu s vývody rozdílového termečlánku 8 jsou vedeny jako čtyřpramenný kabel prostřednictvím avorek do dalších přistrojil.

Vývody termočlánku z kalorimetrické čisti čidla 21 - vit. obr. 2 - jsou připojeny jazo vstup na zesilovač 2£ nízkých napětí, který svým výstupem je připojen na vstup regulátoru 23 rozuílu teplot. Topné vinutí u čidla zl je napájeno regulátorem 2o rozdílu teplot.

Paralelní výstup z regulátoru 23 rozdílu teplot je veden na převodník napětí 25 na výkon (wattmetrový obvod),. Z převodníku napětí 25 ke výstup snímán paralelně ručkovým měřiulem 26 a zapisovačem 27. neuo jeuním z nich. Zdroj 24 napájecích napětí je připojen k zesilovači 22, k regulátoru 23 rozdílu teplot ak převodníku napětí z5 na výkon.

Měření sou&initele přestupu te^la v neustálém teplotním stavu okolního kapalného, plynného nebo fluiun-ího prostředí je založeno na wewtonově vztahu mezi teplotou t pevné látky, což je tepleta vytápěných destiček £, 2 čidla a teplotou t^ v kapalném, plynném nebo fluidním prostředím, na které se ustálí teplotoměrná část čidla tvořená destičkami 3, 4, velikostí F vnějšího povrchu vytápěných destiček 1, 2 a tepelným tokem Q do čidla, kterýžto vztah je vyjádřen takto:

Q = cA- · F . (,t_p - t_v) . F . A t (1)

Ve vztahu (1)? se dosadí za rozdíl teplot t_p - t_y hodnota teplotního rozdílu At, která je udržována časově neproměnná, i když se tepleta t v prostředí mění s časem.

Jestliže se ve vytápěné části čidla ztracený tepelný tok ς nahradí stejným výkonem tó(W> elektrického proudu přiváděného do topného vinutí £, takže platí 'Q = n, (2) vypočte se součinitel přestupu tepla za vzorce (1) a obdrží se tento vztah ’ -Ρ-7Κ-Ϊ ₍₃)

Je výhodné, když Čaaově neproměnný rozdíl teplot £t ae volí malý, lze jej však volit v rozmezí od 0,01 do 100*C.

Výkonem iV elektrického proudu zaváděného do topného vinutí £ ^ve vytápěných destičkách

1, £ čidla se nahrazují jejich tepelné ztráty do prostředí, které destičky 1, 2 ochlazuje a tak se udržuje rozdíl teplot t - t_v = A čidla a prostředí neměnný. 1’řitom se rozdíl teplot destiček 1,2. čidla a prostředí měří rozdílovým termočlánkem a neměnnost tohoto rozdílu se udržuje s nepatrnými a zaíiedbatelnými odchylkami pomocí porovnání napětí rozdílového termočlánku se vžtažným elektrickým napětím, které odpovídá teplotnímu rozdílu na termočlánku.

-5^ozdíl mezi napětím .na svorkách rozdílového termočlánku 8 a vztažným napětím se zesílí v citliwém stejnosměrném zesilovači 22 a přenese se na regulátor 23 rozdílu teplot, -^terý zvýši nebo sníží topný proud I přiváděný do topného vinutí £ de ustálení stavu, kterýžto děj je podstatně rychlejší, než změny teplotních a přenosových poměrů v prostředí a tsk se se zanedκ batelným zpožděním určují tepelné přenosné poměry i v neustáletiých podmínkách.

Z hodnoty strjnosměrného topného proudu I se pomoci převodníku 25 při znalosti elektrického odporu z topného vinuti vytvoří napětí U úměrně topnému výkonu N, pro který platí vztah

KU = W = El² (4>

kde K je konstanta (W/V), a hodnota výstupního napětí U se v převodníku napětí na výkon seřídí jedneu provždy tak, aby na stupnici zapisovače byla výchylka pro napětí U ve voltech stejnosměrného napětí rovna hodnotě stupnice pro součinitele přestupu tepla Οζ^,ν® wattech/m*·. K. Velikost povrchu F a součinitel emise £ povrchu vytápěných destiček X, 2 čidla se urči jedneu provždy při zhotovení čidla obr. 1. Vztažné napětí, které určuje na jakém rozdílu Át teplot se udržují vytápěná a nevytápěná čáat čidla se nastaví při zhotoveni elektroniky a periodicky jedneu na několik set hodin měření se kontřmluje, případně seřituje. Rozdílový termočlánek musí mít přibližně lineární charakteristiku v oboru teplot t^, kterých prostředí nabývá, janek je nutné výstupní napětí u kalibrovat.

Při měření celkového součinitele a radiační složky součinitele přenosu dvojitým čidlem 38 tobr. 4) se zaznamenávají: hodnota součinitele OC c naměřená tepelná záření absorbujícím čidlem a hadnota součinitele naměřená pro tepelné záření odrazivým čidle*. Při dosažení součinitele emisepovrchu dostatečně odrazivého t £ menší než u,3), se vypečte radiační část r součinitele tepla podle vzorce:

( eó_c . oCl) . Λ t =(“ϊ~“££7ΣΓΐ^“ίίρϊ2ΓΠ“ ' * a konvokční čáeteó^ součinitele přestupu tepla mezi absolutně černým tělesem a prostředím podle vzorce:

= <Z_C ~ óór

Při tom teplota t. so určí měřením elektrickým teploměrem (termočlánkem) umístěným v teploc toměrné části čidla a teplota t^p je teplota povrchů, které evojité čidlo ebklspují (například teplota stěn, podlahy a stropu při měření v místnosti se zatemněnými okny) a kterou je třeba současně měřit.

Příklad způsobu podle vynálezu je popsán na funkci kontrolního proveaení zařízení podle vynálezu, které je znázorněno na připojeném výkresu obr- 3 v axenemetrickém pohledu a částečném řezu a na obr. 4 je blokové schéma zařízení k měření součinitele přestupu tepla a příslušné radiační složky součinitele přestup tepla v ustálených i neustálených teplotních poměrech.

Zařízení nakreslené na připojeném obr. 3 sestává ve svém principu ze systému dvou čidel psdle obr. 1 a 2 příkladu z tohoto popisu převedení podle vynálezu. Uvedená obě čidla se liší schepností pohlcovat tepelné záření, což je přesněji uvedeno v dalším popisu. Konkrétní provedení čidla k současnému měření celkového součinitele přestupu tepla a jeho zářivé složky uvedené na obr. 3 sestává ze čtyř dvojitých čtvercových destiček 14. 15. 16. 17 z dobře tepelně vodivého, kovu. Mezi destičkamiJLA. aJLá. jsou umístěna identická topná vinutí a dvojice '—4 +.T.T.1.A1 Znlrv lfteriími se měří rozdíly tep-6let vytápěných · nevytápěných částí jak· v převedení nakresleném na ebr. č. 1. Vytápěné destičky 14 a 16 se liší vlaetneetmi svých pevrchů: povrch destičky 14 je silně pohltivý pr* tepelné záření (černý),, p*vrch destičky ló je lesklý a pra tepelné záření silně •drazivý. Obě nevytápěné části 15 a 17 čidla jsau «patřeny absorbujícími psvrchy. Dvojice destiček 14 a 15. 16 a 17 js*u mechanicky spájeny izolujícími deskami 19 8 krytem svorkovnice 20, ze které jsou vyvedeny vodiče rozaílových termočlánků a topných vinutí vícepramenným kabelem 18. na obr. 4 je v blokovém schématu dvojité čidlo 38 připojeno ke dvěma různým regulačním obvodům, kde prvý obvod se zesilovačem 36. regulátorem 33. převodníkem ( wattmetrovým obvodem) a ručkovým měřidlem 28 přísluší absorbující části n druhý obvod oo zesilovačem 25» regulátorem 35, převodníkem 31 a ručkavým měřidlem 30 přísluší k části vytápěnými reflektujícími destičkami a absorbujícími nevytápěnými destičkami, přičemž zdroje 34 napájecích napětí a zapisovač 29 jsou společné obéma regulačním obvodům.

fíezuíly teplot^t mezi destičkami 14 a 15 (obr. 3) a mezi destičkami 16 a 17 jsou stejné a nastavují ae jednou provždy a za delší dobu měření se kowtrulují citlivým měřidlem, funkce regulátorů 22 * 35 a dalších obvodů je obdobná jako v případě dle obr. 1 a obr.

Navržený způsob absolutního měření součinitele přestupu tepla a popsané zařízení je možno používat k měření celkového součinitele přestupu tepla a jeho radiační a zonvekční složky v prostředí vakua, plynu, par, kapalin a ve fluidních prostředích i v případech, že průběhy teplat i součinitelů jsou časové proměnné.

navržený způsob i zařízení byly použity k měření nízkých hednet součinitelů přestupu tepla v obytných a pracovních místnostech, kde jejich hodnoty jsou rozhodující pro tepelnou pohodu (tepelný komfeřt) prostředí, působ i zařízení jsou vhodné všude tam k měření přestupových parametrů, kde se určují tepelné ztráty, tepelné účinnosti, jiné tepelné parametry a tepelné materiálové vlastnosti závislé na časově proměnjiýuh hodnotách teplot a součinitelů přestupu. Čidle může být použito v aerodynamických zařízeních a měřících soustavách jako snímač při regulaci součinitele přestupu tepla. Čidlo není vhodné k měření směrového zářivého tepelného teku, je však vhodné k určení přestupové vložky rozptýleným zářením.

Claims (5)

1. Způsob absolutního měření součinitele přestupu tepla a 'jeho radiační složky v neustálených podmínkách teploty a přestupu tepla mezi materiálem povrchu čidla e známe velikosti povrchu s plynným, kapalným nebo fluidním prostředím vyznačený tím, že ae vytápěná část čidla zahřívá na teplotu o stálý teplotní interval vyšší, než je teplota prostředí určená teploměrneu částí Čidla a rozdíl teplot se reguluje v závislosti nu eschylce napětí rozdílového termočlánku od vztažného napětí odpovídajícího stálému teplotnímu intervalu.

2. Zařízení k provádění způsobu dle bodu 1, sestávající z kalometrického a teploměrného čidla vyznačené tím, že teploměrná a kalorimetrická část čidla (zl), s rozdílovými elektrickým teploměrem (8) jsou svým vstupem připojeny na regulátor (23) rozdílu teplot a svým výstupem na citlivý ste hasměrný zesilevač (22) a na reguláter (23) rezdilu teplot a na převodník napětí na výkon (25), úřičemž stejnosměrný zesilovač (22) a regulátor (23) rozdílu teplot jsou paraleli, připojeny ke zdroji (24) napájecího napětí.

3. Zařízení k provádění způsobu podle bodu 1, přičemž se zároveň měří radiační složka ’ ' ! 1R1 .«nřaqnř měřících /

-i,kalemetrických částí čidel (21) a dvou stejných soustav obvodu zesilovače (.ó, 37), regulátor (33, 35) reaiílu teplot a převodním (31, 32) , mde vytáp.ná část ,1*) složená z «.ett ček jedné z kalemetrických částí čidel (21) tvářících dvojité čialo (38) je opatřena povrchem silně absorbujiciín a vytápěná část destiček (16) druhé z kalemetrických částí čidel (<cl) tvořících dvojité čidlo (38) je opatřena povrchem silné reflektujícím a teploměrnc části dvuj, tého čidla (38) suoiené z destiček (15 a 17) jsou opatřeny povrchy silně absorbujícími.

4. Zařízeni podle bodu 2, vyznačené tím, že kalorimetrická destička (1) a teplomčrná destička (3), čidla (21); jsou spojeny dobře tepelně izolujícím materiálem například pertinaxem a epojevt «“ 6 cí vcdič* elektrického teploměru (8) mezi deetičkamiíl, 3) čidla (21) mají průřez od 10 a/ de 10'¹·².

5. Zařízení podle bodu 2 a 3 vyznačené tím, že v čidle(xl) sjcu teploměr, odporové vinutí a ' izolace zhotoveny z části neb·, zcela napařením kovovýeh, polovodičových a izelačnich vřstev.