DE3227820A1

DE3227820A1 - Verfahren zur bestimmung der oertlichen verteilung des waermeuebertragungskoeffizienten

Info

Publication number: DE3227820A1
Application number: DE19823227820
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl.-Phys. Dr. 8524 Neunkirchen Große-Wilde
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-07-26
Filing date: 1982-07-26
Publication date: 1984-01-26
Also published as: DE3227820C2

Description

Verfahren zur Bestimmung der örtlichen Verteilung
des Warmeübertrazungskoeffizienten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der örtlichen Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten auf einer Oberfläche durch Auftragen einer Schicht auf die angeströmte Oberfläche und Uberleiten eines Fluids.
Strömungsvorgänge entlang fester Wände in Apparaturen und Anlagen sind oft nur auf halbempirischem Weg und in enger Anlehnung an experimentelle Daten quantitativ befriedigend zu erfassen. Dabei fällt der experimentelle Aufwand zeitlich sehr ins Gewicht. Bei der Untersuchung aerodynamischer Vorgänge treten häufig sehr komplexe Randbedingungen auf, die einer exakten mathematischen Erfassung kaum zugänglich sind. Man ist daher nach wie vor auch noch auf Messungen im Windkanal und die Sichtbarmachung der Strömungsvorgänge angewiesen. Die Kenntnis des lokalen Wårmeübertragungskoeffizienten ist wichtig zur Beurteilung der thermischen Belastung von Bauteilen, Geräten und Maschinen, bei denen Wärme freigesetzt wird. Wegen der meßtechnischen Schwierigkeiten, lokale Wärmeströme zu messen, werden zur Bestimmung des lokalen Wärmeübertragungskoeffizienten im allgemeinen Analogieverfahren verwendet, die den lokalen Massentransportkoeffizienten messen. Daraus wird der lokale Wärmeübertragungskoeffizient berechnet. Diese Verfahren zur Bestimmung des Massentransportkoeffizienten beruhen auf chemischen Reaktionen an der Grenzfläche fester Körper - Fluid, auf der Verdampfung von Substanzen an der Oberfläche oder auf der Absorption von Substanzen an der Oberfläche.
Es ist ein Verfahren zum Sichtbarmachen von stationären Wärmeübertragungskoeffizientenfeldern auf fototechnischem Wege bekannt, bei dem ein auf die Oberfläche eines zu untersuchenden beströmten Gegenstandes im Hellen angebrachter, angequollener fotographischer Film nach Beströmen im Gas abgezogen und im Dunkeln auf einen unbelichteten, trockenen, fotographischen Film abgequetscht wird. Nach einer angemessenen Verweilzeit wird der trockene Film vom angequollenen Film abgetrennt und die erhaltene Naßkopie zur Sichtbarmachung der Feuchteprofile mit einem reaktiven Gas bekeimt und in einem fotographischen Entwickler zu einem Naßkopie-Fotogramm entwickelt. Weiterhin erhält man in diesem Sequenzverfahren durch abgestufte Beströmungszeiten abgestufte Feuchteprofile, deren einzelne Isohumiden zu Isohumidenscharen übereinander geschichtet werden. Mit diesem Verfahren kann man erst nach mehreren Verfahrensschritten kleine Unterschiede an Wärmeübergangsbereichen erfassen und durch farbige Linien darstellen (deutsche Patentschrift 2 911 821).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein verhältnismäßig einfaches Verfahren zur Bestimmung der örtlichen Verteilung des Wärmedbertragungskoeffizienten anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Das Verfahren beruht darauf, daß die Temperatur einer auf die Oberfläche eines zu untersuchenden beströmten Körpers aufgebrachten dünnen Schicht mit bekannter Wärmeleitfähigkeit und bekannter Dicke berührungslos gemessen wird, wobei der Körper auf einer konstanten Temperatur und das strömende Fluid auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, die von der Temperatur des Körpers verschieden ist. Zur berührungslosen Temperaturmessung der Oberfläche des Körpers kann vorzugsweise eine Infrarotkamera vorgesehen sein. Bei diesem Verfahren vereinfacht sich die Bestimmung der örtlichen Verteilung des WärmeUbertragungskoeffizienten auf eine lokale, berührungslose, flächenhafte Temperaturmessung.
In einem besonderen Verfahren kann man auch bei zeitlich veränderlichen Strömungsge schwindigkeiten des Fluids oder bei zeitlich veränderlicher Temperatur des Körpers die lokale Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten bestimmen, wobei die Zeitauflösung aus der Temperatureinstellzeit der Schicht abgeleitet wird. Durch dieses Verfahren kann man auch beispielsweise während der Aufheizphase einer Senderöhre die örtliche Verteilung des WärmeiL srtragungskoeffi zienten be stimmen.
Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
In der dargestellten Ausführungsform wird auf eine Oberfläche 2 eines zu untersuchenden Körpers 4 eine dünne Schicht 6 aufgebracht. Der Körper 4 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, beispiels- weise aus einem metallischen Werkstoff. Die dünne Schicht 6 ist beispielsweise 1 bis 2 mm, vorzugsweise 1,5 mm dick und wird mit einer gleichmäßigen Dicke6 aufgebracht. Die Dicke 6 der Schicht 6 ist kleiner als das verlangte örtliche Auflösungsvermögen. Die Schicht 6 besteht aus einem schlecht wärmeleitenden Material, dessen Wärmeleitfähigkeit 2 bekannt ist. Als Materialien für die Schicht 6 kann man organische oder anorganische Substanzen verwenden, beispielsweise Kunstharze oder Lacke, die durch Bestreichen, Be-sprühen, Tauchen oder Bekleben aufgebracht werden. Die Temperatur des Körpers 4 wird beispielsweise durch ein Wårmebad oder auch durch eine geregelte elektrische Heizung oder Kühlung auf konstanter Temperatur T0 gehalten. Die Temperatur T2 des Fluids 8 ist ebenfalls konstant und von der Temperatur To des Körpers 4 verschieden.
Dieser vorbereitete Körper 4 wird in ein Fluid 8, beispielsweise Luft, gebracht, so daß ein Wärmefluß in Richtung des Temperaturgefälles stattfindet.
Man bezeichnet die Ortskoordinate der freien Oberfläche der Schicht 6 mit x und mit T1 (x) die Temperatur der Schicht 6 an der Stelle x. Die Temperatur T1 (x) wird mit Hilfe einer Infrarotkamera 10 berührungslos und flächenhaft gemessen. Die Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten h (x) wird aus der Beziehung abgeleitet, wobei die Wärmeleitfähigkeit % , die Dicke & der Schicht 6, die Temperatur T0 des Körpers 4 und die Temperatur T2 des Fluids 8 bekannt sind. Durch diese Gestaltung vereinfacht sich das Verfahren zum Sichtbarmachen von stationären 'bårme- übertragungskoeffizientenfeldern auf fototechnischem Wege auf eine berührungslose, flächenhafte Temperaturmessung mit anschließender einfacher Berechnung.
In einem besonderen Verfahren kann man auch bei zeitlich veränderlichen Strömungsgeschwindigkeiten dv/dt des Fluids 8 oder bei zeitlich veränderlicher Temperatur dT0/dt des Körpers 4 die lokale Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten h (x) bestimmen, wobei die Zeitauflösung aus der Temperatureinstellzeit tE der Schicht 6 abgeleitet wird und #E « v/ [dv/dt]oder #E«T0/ [dT0/dt] ist. Die Temperatureinstellzeit #E der Schicht 6 wird aus der Beziehung t ZU = 6 2/a abgeleitet, in der a die Temperaturleitfähigkeit des Materials der Schicht 6 ist.
Durch dieses Verfahren kann man auch beispielsweise während einer Aufheizphase einer Senderöhre die örtliche Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten h (x) durch eine berührungslose, flächenhafte Temperaturmessung bestimmen.
6 Patensprüche 1 Figur Leerseite

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Bestimmung der örtlichen Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten (h(x)) auf einer Oberfläche (2) durch Auftragen einer Schicht (6) auf die angeströmte Oberfläche (2) und überleiten eines Fluids (8), d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Temperatur (T1(x)) einer auf die Oberfläche (2) eines zu untersuchenden beströmten Körpers (4) aufgebrachten dtinnen Schicht (6) mit bekannter Wärmeleitfähigkeit (; ) und bekannter Dicke (#) berührungslos gemessen wird, wobei der Körper (4) auf einer konstanten Temperatur (Tg) und das Fluid (8) auf einer konstanten Temperatur (T2) gehalten wird, die von der Temperatur (Tg) des Körpers (4) verschieden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Wärmeübertragungskoeffizient (h(x)) aus der Beziehung abgeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei zeitlich veränderlichen Strömungsgeschwindigkeiten (dv/dt) des Fluids (8) die Zeitauflösung aus der Temperatureinstellzeit (2tE) der Schicht (6) abgeleitet wird, wobei v dv/dt

ist.
4. Verfahren nach Anspruch- 1 oder 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei zeitlich veränderlicher Temperatur (dTo/dt) des Körpers (4) die Zeitauflösung aus der Temperatureinstellzeit (t der Schicht (6) abgeleitet wird, wobei ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Temperatureinstellzeit (#E) der Schicht (6) aus der Beziehung -6 2/a abgeleitet wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zur berührungslosen Temperaturmessung der Oberfläche (2) des Körpers (4) eine Infrarotkamera (10) vorgesehen ist.