CZ22902U1 - Senzor pro měření součinitele přestupu tepla - Google Patents

Senzor pro měření součinitele přestupu tepla Download PDF

Info

Publication number
CZ22902U1
CZ22902U1 CZ201124628U CZ201124628U CZ22902U1 CZ 22902 U1 CZ22902 U1 CZ 22902U1 CZ 201124628 U CZ201124628 U CZ 201124628U CZ 201124628 U CZ201124628 U CZ 201124628U CZ 22902 U1 CZ22902 U1 CZ 22902U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
sensor
temperature
heat transfer
heat
transfer coefficient
Prior art date
Application number
CZ201124628U
Other languages
English (en)
Inventor
Horejš@Otakar
Kohút@Peter
Original Assignee
CVUT v Praze, Fakulta strojní,
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CVUT v Praze, Fakulta strojní, filed Critical CVUT v Praze, Fakulta strojní,
Priority to CZ201124628U priority Critical patent/CZ22902U1/cs
Publication of CZ22902U1 publication Critical patent/CZ22902U1/cs

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Description

Oblast techniky
Technické řešení se týká senzoru pro měření součinitele přestupu tepla mezi kompaktní látkou a tekutinou obklopující kompaktní látku a opatřeného topným elementem a teplotními čidly. Dosavadní stav techniky
V současnosti jsou pro stanovení součinitele přestupu tepla získávána obecně data pro zadávání konvektivní okrajové podmínky buď z existujících kriteriálních rovnic aplikovaných za předpokladu volné konvekce, tj. při převládajících vztlakových silách, nebo pomocí vztahů aplikovaných za předpokladu nucené konvekce, tj. pri převládajících setrvačných silách, např. v okolí rotujících součástí, např. vřeten, sklíčidel, řemenů, ozubených převodů a pod.
Předpoklady, pri kterých jsou uvedené přístupy používány, však nebývají přesně splněny a skutečná hodnota součinitele přestupu tepla se může výrazně lišit od hodnoty poskytnuté některým z uvedených modelů. Proto je nutné stanovit hodnotu součinitele přestupu tepla na základě experimentálního měření podmínek konvekce přímo na zkoumaném objektu (např. stroji) a nejlépe pomocí čidla, které je umístěno přímo na zkoumaném povrchu na rozhraní s tekutinou.
Experimentálně je možné stanovit součinitel přestupu tepla pomocí termoanemometru (nazývaný někdy též jako metoda žhaveného drátku). Princip této metody spočívá v ochlazování elektricky zahřívaného drátku proudem tekutiny. Tuto metodu je nevhodné používat v běžné průmyslové praxi, jelikož drátek je velmi malého průměru (zpravidla 2-10 pm) a tak je velmi náchylný na poškození (přetržení). Tento způsob měření je vhodný zejména v laboratorních podmínkách. Obecně platí pravidlo, že poměr délky drátku k jeho průměru l/d by měl být, co největší. Se zmenšováním tohoto poměru klesá přesnost metody vlivem odvodu tepla z čel drátku. Tento problém řeší patent EP0282780A1, kdy jsou konce drátku teplotně izolovány pomocí izolačních členů, které jsou udržovány na stejných teplotách, jaké mají konce žhaveného elementu - drátku, pomocí regulátoru. Tak nedochází ke sdílení tepla z konců žhaveného elementu.
Další možností hodnocení celkového ochlazovacího účinku prostředí potažmo stanovení součinitele přestupu teplaje pomocí katateploměru. V současnosti se však tato metoda k tomuto účelu již dnes prakticky nepoužívá.
Nevýhodou obou výše zmíněných metod s ohledem na jejich princip měření je, že senzory nelze umístit přímo na zkoumaný povrch na rozhraní s tekutinou a jsou aplikovatelné pouze v oblasti nucené konvekce. V praxi však existuje naléhavá potřeba měření lokálních přestupů tepla, např. na strojích, tak, aby se snímače umisťovaly přímo na zkoumaný povrch, který je na rozhraní s tekutinou.
Dále pak při zkoumání této problematiky byli pro stanovování součinitele přestupu tepla sledovány dva přístupy: pasivní měření hustoty tepelného toku mezi stěnou stroje a okolním prostředím - nejčastěji vzduchem (Vašků V., 1974, Snímače k měření místních tepelných toků a součinitelů přestupu tepla vyvinuté ve VÚSE), nebo aktivní měření hustoty tepelného toku pomocí tepelně izolovaného kalorimetru vybaveného definovaným zdrojem tepelného toku, umístěného na dalším zdroji tepelného toku s cílem zajistit ekvivalentní podmínky konvekce v okolí kalorimetru a jeho okolí (Jedrzejewski J., 1988, Description of the Forced Convection along the Watls of Machine-Tool Structures). Těmito dvěma způsoby je možné stanovit hodnotu součinitele přestupu tepla v případě existujícího toku stěnou nebo v podmínkách nucené konvekce. Uvedené přístupy však nemohou být použity univerzálně pro identifikaci charakteru konvekce, a tedy i pro verifikaci použitelnosti modelů okrajových podmínek konvekce.
Cílem tohoto technického řešení je měření součinitele přestupu tepla konvekcí jak pro nucenou, tak pro volnou a smíšenou konvekcí pomocí univerzálního senzoru, a tedy získání přesnější
- 1 CZ 22902 Ul a komplexnější informace o konvektivním sdílení tepla na rozhraní mezi kompaktní látkou (např.
obráběcí stroj) a okolní tekutinou (např. vzduch).
Podstata technického řešení
Podstata senzoru opatřeného topným elementem a teplotními čidly podle technického řešení spo5 čivá v tom, že základní těleso senzoru je opatřeno průchozím otvorem ohraničeným na straně přivrácené k tekutině topným elementem a na straně přivrácené ke kompaktní látce tepelně vodivou deskou, dále je tvořen teplotním čidlem pro měření teploty teplo-sdílné plochy topného elementu, teplotním čidlem pro měření teploty vnitřní plochy tepelně vodivé desky, teplotním čidlem pro měření teploty vnější plochy tepelně vodivé desky a teplotním čidlem pro měření teploty ío okolí, přičemž uvedená čidla jsou propojena s vyhodnocovací jednotkou. Základní těleso senzoru je s výhodou opatřeno magnetem pro připevnění ke kompaktní látce.
Vyhodnocovací jednotka je s ohledem na stanovení součinitele přestupu tepla v podmínkách volné konvekce propojena s teplotním čidlem pro měření teploty povrchu kompaktní látky.
S výhodou je základní těleso senzoru rotačního tvaru, přičemž jeho vrchní a spodní plocha je ro] 5 vinná a boční plocha mezi vrchní a spodní plochou je zaoblená.
Přehled obrázků na výkrese
Na přiložených obrázcích je znázorněn aktivní senzor součinitele přestupu tepla konvekcí mezi kompaktní látkou a tekutinou podle technického řešení, kde:
obr. 1 znázorňuje schematicky konvektivní sdílení/přenos tepla na rozhraní kompaktní látky A a tekutiny, a obr. 2 znázorňuje řez aktivním senzorem součinitele přestupu tepla znázorněným na obr. 1. Příklady provedení technického řešení
Na obr. 1 je aktivní senzor 1 připevněn na kompaktní látku A, kterou je např. obráběcí stroj, zkoumané těleso, resp. tekutina je označena jako B. Princip experimentální metody pro stanovení součinitele přestupu tepla, které senzor využívá, vychází z bilance tepelných toků, kterou lze obecně vyjádřit bilanční rovnicí
ZQ = 0 z čehož plyne,
Qacc Qin ~ Qout Qin ~ Qkond * Qrad ~ Qkonvi kde Qaccje akumulované teplo, Q^ je produkované teplo v senzoru (příkon senzoru), Qoutje teplo unikni ící ze senznm. ie tenelnv tnk vedením tenla dn nnvrebn na kterém ie umístěnv senzor, Qradj^ tepelný tok radiací a Qko„v je tepelný tok konvekcí.
Všechny složky v této rovnici jsou získány na základě experimentálně získaných veličin snímaných senzorem, který je umístěn přímo na zkoumaném rozhraní povrchu tělesa a tekutiny v reál35 ném čase. Na základě získaných dat a kalibrace senzoru je určen okamžitý charakter konvekce a hodnota součinitele přestupu tepla na rozhraní zkoumaného povrchu a tekutiny.
Navrhovaný aktivní senzor X součinitele přestupu tepla podle technického řešení je patrný na obrázku 1 v axionometrickém pohledu a na obrázku 2 je znázorněn v řezu. Senzor X je tvořen základním tělesem 2, které je ve tvaru prstence. Základní těleso 2 senzoru však může být jakého40 koliv jiného tvaru (válcový, kotoučový, čtvercový, obdélníkový atd.). Preferovaný je však tvar základního tělesa 2, který je zaoblený, bez ostrých hran. Tím je docíleno omezení možnosti odtržení proudu tekutiny na samotném základním tělese 2 senzoru. Těleso 2 senzoru by mělo být z materiálu s nízkou tepelnou vodivostí (tepelný izolant). Vhodný je např. plast. Je však možné použít jakýkoliv jiný materiál s nízkou tepelnou vodivostí. Bylo by možné použít i materiál
-2CZ 22902 Ul s vyšší tepelnou vodivostí, ale v tomto případě by bylo třeba identifikovat tepelné toky do tělesa senzoru, což by zbytečně zvýšilo celkové pořizovací náklady na senzor.
Na vrchní části senzoru 1 je uspořádána teplo-sdílná destička 3 s tekutinou, např. vzduchem.
Teplo-sdílná destička 3 je tvořena tenkou vrstvou materiálu. Oproti tělesu 2 senzoru f je naopak vhodné použít pro destičku 3 materiál s vysokou tepelnou vodivostí, např. měď. Na vnitřní ploše teplo-sdílné destičky je umístěn definovaný zdroj tepelného toku - topný element 4, např. odporový ohřívač. V případě tělesa 2 senzoru I ve tvaru prstence, je preferován kruhový průřez topného elementu 4, ale v zásadě může být použit i jiný průřez. Topný element 4 je elektricky zahříván pomocí zdroje elektrického napětí. Produkované teplo (Qin [W]) v topném elementu 4 je rovno Joulovu teplu tedy platí vztah:
kde R [Ω] je známý elektrický odpor topného elementu 4 a U,· [V] je napětí elektrického zdroje, kterým je topný element 4 napájen.
Senzor i vyhodnocuje charakter konvektivního přestupu tepla s ohledem na umístění a přítomnost vnitřních tepelných toků na kompaktní látce A, kterou může být např. obráběcí stroj. Součinitel přestupu tepla v případě nucené konvekce je vypočten ze vztahu:
kde a je součinitel přestupu tepla, Qm je příkon senzoru 1, Κ(ΔΤ) je kalibrační funkce mezi měřeným rozdílem teplot na senzoru 1 a konduktivním tepelným tokem, Qrad je tepelný tok radiací určený z teplot Ti a Tok a známé emisivity a plochy teplosdílného povrchu, T; je teplota povrchu senzoru 1 ve středu zdroje tepelného toku snímaná teplotním čidlem 9, Tok teplota okolí snímaná teplotním čidlem 12 a je konvektivní plocha, t/, je napětí na definovaném tepelném elementu 4 a R je jeho odpor, C3(AT) je kalibrační funkce součinitele přestupu tepla. V případě identifikace volné či smíšené konvekce je třeba do výpočtu součinitele přestupu tepla zahrnout doplňující informace týkající se charakteristických rozměrů plochy, orientace vůči vektoru gravitace a teploty T„ povrchu plochy snímané teplotním čidlem 8, které je možné zadat prostřednictvím vyhodnocovací jednotky 7.
Vnitřní prostor senzoru I je na straně styku se stěnou kompaktní látky A (např. obráběcího stroje) uzavřen deskou 5, tvořící se vzduchovou mezerou mezi ní a topným elementem 4 teplotní spád. Opět je v případě tělesa 2 senzoru 1 ve tvaru prstence preferován kruhový průřez této desky, ale v zásadě může být použit i jiný průřez desky. To samé platí v případě jiného tvaru tělesa 2 senzoru 1. Deska 5 může být vyrobena např. z oceli. Celý senzor Ije vhodné s ohledem na snadné připevnění senzoru 1 ke zkoumanému povrchu kompaktní látky A vybavit tenkým mezi kruhovým magnetem 6 umožňujícím přesné vymezení polohy na stěně stroje bez nutnosti lepení samotného senzoru i.
Uvnitř senzoru 1 jsou umístěna odporová teplotní čidla (RTD) měřící teplotu Ti povrchu teplo sdílné plochy destičky 3 měřené teplotním čidlem 9 a teplotu na obou stranách desky 5 a to teploty T2 měřené teplotním čidlem Γ0 a teploty T3 měřené teplotním čidlem JT. Dále je měřena teplotním čidlem 8 teplota Tw povrchu plochy kompaktní látky A v blízkém okolí senzoru i. Mimo oblast, která je teplotně ovlivněna topným elementem 4, je umístěno teplotní čidlo 12 pro zjištění okolní teploty Tojc. Na místo odporových teplotních čidel může být použito jakéhokoliv jiného známého způsobu měření teplot, např. pomocí termoelektrických snímačů teploty, termistorů atd. Odporová teplotní čidla jsou však zejména vhodná díky dobré odolnosti vůči vnějšímu rušení, které se často vyskytuje na různých elektrických zařízeních, zejména obráběcích strojích.
-3CZ 22902 Ul
Na základě měření kalibrovaného rozdílu ΔΤ teplot mezi ěidly 9 až 11 v senzoru I, v zásadě je možné využít jakékoliv kombinace rozdílu teplot měřených z teplotních čidel 9, 10 a 11, tj. teplot
I), T2 a T3, je určen tepelný tok Qkond ze senzoru 1 do stěny kompaktní látky A, resp. stěny stroje, jehož hodnota je pomocí bilance tepla vázána na konvektivní tepelný tok £9*οην. Na místo desky 5 a dvou teplotních senzorů 10, 11 měřících teploty T2 a T3, je možné použít některý z komerčně nabízených snímačů hustoty tepelného toku, které bývají zpravidla též ve tvaru kruhové destičky, což však zvyšuje pořizovací náklady na senzor.
Data z teplotních čidel 8 až 12 jsou zpracovány vyhodnocovací jednotkou 7, dle výše zmíněného postupu, umožňující rovněž zobrazení okamžité hodnoty součinitele přestupu tepla na povrchu ío zkoumaného tělesa B.
Napájecí zdroj 13 tepelného zdroje, resp. topného elementu 4 může, ale nemusí, být implementován ve vyhodnocovací jednotce ]_. Velikost napětí U, [V] napájecího zdroje 13 ie měřena a zavedena, pokud napájecí zdroj 13 není již součástí vyhodnocovací jednotky 7, do vyhodnocovací jednotky 7.
Na základě kalibrací senzoru 1 provedených v podmínkách nucené a volné konvekce v různých geometrických konfiguracích, lze identifikovat charakter konvekce, tj. rozlišit mezi volnou, smíšenou a nucenou konvekcí. Při znalosti charakteristických rozměrů plochy a orientace vůči vektoru gravitace, na které je senzor 1 umístěn lze pak stanovit přímo hodnotu lokálního součinitele přestupu tepla v podmínkách nucené a volné konvekce (na základě měřených dat lze zvolit vhodný model pro určení hodnoty součinitele přestupu tepla). V případě, že je senzorem I identifikována smíšená konvektivní okrajová podmínka lze pro určení hodnoty součinitele přestupu tepla použít standardních postupů kombinujících hodnoty volné a nucené konvekce.
Pro stanovení součinitele přestupu tepla nucenou konvekcí se senzor 1 připevní na kompaktní látku A, změří se produkované teplo topným elementem 4 a tepelný tok vedením tepla ze senzoru I do povrchu kompaktní látky A, a pomocí změřené teploty okolí senzoru i je stanoven tepelný tok radiací, přičemž se z těchto údajů stanoví tepelný tok konvekcí, z něhož je pomocí změřené teploty okolí senzoru I stanoven součinitel přestupu tepla.
Pro stanovení součinitele přestupu tepla v podmínkách volné konvekce je navíc nutné použít změřenou teplotu povrchu kompaktní látky A.
Stanovení součinitele přestupu tepla na styku pevné látky a tekutiny je důležité pro správnou kvantifikaci konvektivního přenosu tepla na rozhraní tělesa a tekutiny. Jeho stanovení je důležité v řadě oborů lidské činnosti. Primární účel senzoru je zjištění součinitele přestupu tepla na površích obráběcího stroje nebo jakéhokoliv jiného elektrického zařízení. Obecně však lze použít senzor pro povrch libovolného tělesa, které je v kontaktu s libovolnou tekutinou. V oblasti obráběcích strojů, kde tepelné deformace způsobené různými tepelnými zdroji tvoří až 70 % sledované deformace v místě nástroje, je určení součinitele přestupu tepla konvekcí jedním z důležitých faktorů ovlivňujících výslednou přesnost simulačních modelů tepelně-mechanického chování obráběcích strojů, vedoucí k následnému zpřesnění obrábění. Změřený součinitel přestupu tepla také může být využit pro kompenzace teplotních deformací stroje v reálném čase či v řídicích algoritmech chlazení strojů.
Průmyslová využitelnost
Správná znalost součinitele přestupu tepla je důležitá v mnoha oborech lidské Činnosti (řídicí algoritmy chladicích okruhů např. obráběcích strojů, automobilů, čipů atd., odvod ztrátového tepla z elektrických strojů, lékařství, měření teplotních polí za účelem jejich simulace, laborator45 ní testy, verifikaci použitelnosti modelů okrajových podmínek konvekce atd.). V případě oblasti obráběcích strojů je díky přesné znalosti hodnoty součinitele přestupu tepla možné zpřesnit simulační modely tepelně-mechanického chování obráběcích strojů. S výhodou ho lze použít v řídicích algoritmech popisující tepelné chování obráběcích strojů (kompenzačních algoritmech teplotních deformací stroje) či jednotlivých uzlů obráběcího stroje. Nový univerzální způsob
-4CZ 22902 Ul experimentálního stanovení charakteru konvekce a stanoveni hodnoty součinitele přestupu tepla tedy najde průmyslové uplatnění ve všech průmyslových oblastech, kde je třeba znát hodnotu součinitele přestupu tepla a/nebo charakter konvekce.

Claims (4)

  1. NÁROKY NA OCHRANU
    5 1. Senzor pro měření součinitele přestupu tepla mezi kompaktní látkou (A) a tekutinou (B) obklopující kompaktní látku (A) a opatřeného topným elementem a teplotními čidly, vyznačený tím, že základní těleso (2) senzoru (1) je opatřeno průchozím otvorem ohraničeným na straně přivrácené k tekutině (B) topným elementem (4) a na straně přivrácené ke kompaktní látce (A) tepelně vodivou deskou (5), a dále je opatřeno teplotním čidlem (9) pro měření teploty li io teplo-sdílné plochy topného elementu (4), teplotním čidlem (10) pro měření teploty T2 vnitřní plochy tepelně vodivé desky (5), teplotním čidlem (11) pro měření teploty T3 vnější plochy tepelně vodivé desky (5) a teplotním čidlem (12) pro měření teploty Tok okolí, přičemž čidla (9, 10, 11, 12) jsou propojena s vyhodnocovací jednotkou (7).
  2. 2. Senzor podle nároku 1, vyznačený tím, že základní těleso (2) senzoru (1) je opa15 třeno magnetem (6) pro připevnění ke kompaktní látce (A).
  3. 3. Senzor podle některého z předešlých nároků, vyznačený tím, že vyhodnocovací jednotka (7) je propojena s teplotním čidlem (8) pro měření teploty Tw povrchu plochy kompaktní látky (A).
  4. 4. Senzor podle některého z předešlých nároků, vyznačený tím, že základní těleso
    20 (2) senzoru (1) je rotačního tvaru, přičemž jeho vrchní a spodní plocha je rovinná a boční plocha mezi vrchní a spodní plochou je zaoblená.
CZ201124628U 2011-07-22 2011-07-22 Senzor pro měření součinitele přestupu tepla CZ22902U1 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ201124628U CZ22902U1 (cs) 2011-07-22 2011-07-22 Senzor pro měření součinitele přestupu tepla

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ201124628U CZ22902U1 (cs) 2011-07-22 2011-07-22 Senzor pro měření součinitele přestupu tepla

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ22902U1 true CZ22902U1 (cs) 2011-11-07

Family

ID=44913089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ201124628U CZ22902U1 (cs) 2011-07-22 2011-07-22 Senzor pro měření součinitele přestupu tepla

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ22902U1 (cs)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102630649B1 (ko) 비-침습적 열 조사를 위한 장치, 시스템들 및 방법들
Kumar et al. Dynamic calibration of a coaxial thermocouples for short duration transient measurements
CA2708036A1 (en) A system for determining ambient temperature
US20230258506A1 (en) Thermometer having a diagnostic function
CN109282912A (zh) 用于确定介质的温度的过程自动化技术传感器和方法
RU2529664C1 (ru) Калориметр переменной температуры (варианты)
US8690421B2 (en) Apparatus and a method for measuring the body core temperature for elevated ambient temperatures
Yi et al. Measurement error of surface-mounted fiber Bragg grating temperature sensor
Ross-Pinnock et al. Identification of key temperature measurement technologies for the enhancement of product and equipment integrity in the light controlled factory
CZ22902U1 (cs) Senzor pro měření součinitele přestupu tepla
CN108369144A (zh) 用于可靠且精确地确定介质的温度的装置和方法
JP2005140693A (ja) 熱物性値同定方法及び同定装置
RU2548135C1 (ru) Термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройство для его осуществления
CZ2011447A3 (cs) Senzor pro merení soucinitele prestupu tepla
US11243124B2 (en) Heat flux measurement system
US9069039B1 (en) Power measurement transducer
US8814425B1 (en) Power measurement transducer
Platek et al. An accurate method for thermal conductivity measurement of thermally conductive adhesives
US8814424B1 (en) Power measurement transducer
Barker et al. Temperature profiles in a controlled-stress parallel plate rheometer
CZ302897B6 (cs) Zpusob a zarízení k merení tepelné vodivosti
Qi A method to measure heat dissipation from component on PCB
CZ307045B6 (cs) Způsob a zařízení k stanovení tepelného odporu izolační vrstvy
Saka et al. A technique utilizing chemical reagents for direct measurement of temperature at a local area and its engineering applications
JP2018004582A (ja) 三次元熱流束計測装置

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20111107

MK1K Utility model expired

Effective date: 20150722