RU141552U1

RU141552U1 - DEVICE FOR MEASURING THE TEMPERATURE FIELD OF A GAS OR LIQUID FLOW

Info

Publication number: RU141552U1
Application number: RU2013137003/28U
Authority: RU
Inventors: Михаил Александрович Большухин; Владимир Иванович Фомичев; Андрей Валентинович Логинов; Дмитрий Николаевич Свешников; Владимир Павлович Крепков
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2014-06-10

Abstract

Установка предназначена для исследования изменения полей температур с задаваемой частотой при использовании различных материалов преобразователя температур, которые позволяют точнее провести верификацию расчетных CFD кодов.The installation is designed to study changes in temperature fields with a given frequency when using various materials of the temperature converter, which allow more accurate verification of the calculated CFD codes.

Технический результат, заключающийся в обеспечении представительности измерений для верификации CFD программ к описанию температурных пульсаций потоков, определяющих надежность, и ресурс большого числа элементов энергетического оборудования, достигается за счет того, что золотник позволяет задавать частоты изменения температурных полей на поверхности преобразователя температур, а конструкция корпуса обеспечивает быструю замену исследуемых преобразователей температур, для подбора оптимальных материалов для создания тепловизионных стендов. The technical result, which consists in providing representative measurements for verifying CFD programs to describe the temperature pulsations of flows that determine the reliability and life of a large number of power equipment elements, is achieved due to the fact that the spool allows you to set the frequency of temperature fields on the surface of the temperature transducer, and the housing design provides quick replacement of the studied temperature transducers, for the selection of optimal materials for creating thermal imaging x stands.

Description

Установка предназначена для исследования полей температур в неизотермических потоках и обеспечивает экспериментальные данные, необходимые для верификации и настройки программ трехмерного теплогидравлического расчета. Турбулентные неизотермические потоки сопровождаются пульсациями температур, во многих случаях определяющими надежность и ресурс энергетического оборудования. Поэтому актуальными являются задачи их экспериментальных и расчетных исследований.The installation is designed to study temperature fields in non-isothermal flows and provides the experimental data necessary for verification and tuning of three-dimensional thermohydraulic calculation programs. Turbulent nonisothermal flows are accompanied by temperature fluctuations, which in many cases determine the reliability and resource of power equipment. Therefore, the tasks of their experimental and computational research are relevant.

В настоящее время в РФ и зарубежом активно ведутся работы по адаптации программ трехмерного теплогидравлического расчета (CFD) к описанию неизотермических потоков в элементах энергетического оборудования, причем одной из основных целей внедрения является анализ и обоснование ресурса оборудования, подверженного термоциклическим нагрузкам. Проблемой, сдерживающей внедрение CFD программ, является практически полное отсутствие экспериментальных данных по пульсациям температур в неизотермических потоках.Currently, work is underway in the Russian Federation and abroad to adapt three-dimensional thermal hydraulic calculation (CFD) programs to the description of non-isothermal flows in the elements of power equipment, and one of the main implementation goals is to analyze and justify the resource of equipment subject to thermal cyclic loads. The problem holding back the implementation of CFD programs is the almost complete absence of experimental data on temperature pulsations in nonisothermal flows.

В соответствии с теоретическими представлениями (например, Колмогоров 1941), в турбулентном потоке должен существовать сплошной спектр частот, характеризующих вихревые движения разных масштабов. Практический интерес, с точки зрения влияния на температурное состояние стенки, оказывают движения с частотами до ~ 5Гц. Измерить такие частоты существующими средствами не представляется возможным.In accordance with theoretical concepts (for example, Kolmogorov 1941), in a turbulent flow there should be a continuous spectrum of frequencies characterizing vortex movements of different scales. Of practical interest, from the point of view of influencing the temperature state of the wall, are movements with frequencies up to ~ 5 Hz. It is not possible to measure such frequencies with existing means.

Так, известны устройства для измерения температурных полей газовых и жидкостных потоков в виде контактных зондов на основе термоприемников, в которых преобразователями температуры, то есть термочувствительными элементами, являются термопары или термометры сопротивления (см. стр.206-212 и рис.54 на стр.211 в кн. Бошняк Л.Л.Thus, devices are known for measuring the temperature fields of gas and liquid flows in the form of contact probes based on thermal detectors, in which thermocouples or resistance thermometers are temperature transducers, that is, thermosensitive elements (see p. 206-212 and Fig. 54 on p. 211 in the book.Boshnyak L.L.

Измерения при теплотехнических исследованиях. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974. - 448 с). Такое устройство (измерительный зонд) устанавливается в точку измерения в газовом или жидкостном потоке и проводится замер температуры методами, соответствующими типу чувствительного элемента. Затем зонд перемещается в следующую точку и цикл измерения повторяется. Данные устройства имеют следующие недостатки. Устройства являются контактными, поэтому размещаемые в потоке зонды возмущают его, нарушают характер течения и тем самым искажают результаты измерения температурного поля. При проведении замеров поля температуры во множестве точек потока такие исследования становятся затяжными во времени и трудоемкими. Кроме того, необходимо иметь дополнительное и достаточно сложное оборудование, обеспечивающее перемещение и точное позиционирование зондов в пространстве (координатники). К недостаткам устройства следует отнести и присущие термоприемникам особенности: инерционность преобразователей температуры, затрудненность точного ориентирования приемных отверстий зондов навстречу потоку, в условиях, когда направление потока неизвестно. Перечисленные недостатки делают невозможным применение данных устройств для измерения температурных пульсаций.Measurements in thermotechnical research. L .: Mechanical engineering (Leningrad. Department), 1974.- 448 s). Such a device (measuring probe) is installed at the measuring point in a gas or liquid stream and temperature is measured by methods appropriate to the type of sensor. Then the probe moves to the next point and the measurement cycle repeats. These devices have the following disadvantages. Devices are contact devices; therefore, probes placed in the flow perturb it, violate the nature of the flow, and thereby distort the results of measurements of the temperature field. When conducting measurements of the temperature field at many flow points, such studies become time-consuming and time-consuming. In addition, it is necessary to have additional and quite sophisticated equipment that provides the movement and precise positioning of the probes in space (coordinators). The disadvantages of the device include the inherent features of thermal receivers: inertia of temperature transducers, difficulty in accurately orienting the receiving holes of the probes towards the flow, in conditions where the flow direction is unknown. These disadvantages make it impossible to use these devices for measuring temperature pulsations.

Также известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА (патент RU №2230300 от 10.04.2002 G01K 13/02). Устройство содержит преобразователь температуры и снабжено тепловизионной камерой. Преобразователь температуры выполнен в виде сетки из нитей, причем материал нитей сетки имеет коэффициент теплопроводности, составляющий 0.95…1.05 коэффициента теплопроводности газа, толщина нитей сетки составляет 10…50 мкм, а расстояние между нитями сетки составляет 100…200 толщин нитей, кроме того, сетка выполнена с термоиндикаторным покрытием. Такое выполнение устройства и использование тепловизионной камеры позволяет проводить безинерционные бесконтактные (не возмущающие поток) измерения температуры, что обеспечивает, в том числе возможность представительных измерений температурных пульсаций. Кроме того, обеспечивается одномоментное измерение температурного поля газового потока в максимально большей области потока.A DEVICE FOR MEASURING A TEMPERATURE FIELD OF A GAS FLOW is also known (patent RU No. 2230300 dated 04/10/2002 G01K 13/02). The device contains a temperature Converter and is equipped with a thermal imaging camera. The temperature converter is made in the form of a grid of filaments, the material of the filaments of the grid having a thermal conductivity of 0.95 ... 1.05 of the thermal conductivity of the gas, the thickness of the filaments is 10 ... 50 microns, and the distance between the filaments of the grid is 100 ... 200 thicknesses of filaments, in addition, the grid made with thermal indicator coating. This embodiment of the device and the use of a thermal imaging camera allows for inertia-free non-contact (non-disturbing flow) temperature measurements, which provides, inter alia, the possibility of representative measurements of temperature pulsations. In addition, provides simultaneous measurement of the temperature field of the gas stream in the largest possible region of the stream.

К недостаткам данного устройства относится то, что в известном устройстве присутствует сетка - преобразователь температуры, что позволяет выполнять измерения температурного поля только в газовом потоке, так как жидкость является непрозрачной для инфракрасного излучения, недостоверность и длительное время измерения параметров.The disadvantages of this device include the fact that in the known device there is a grid - a temperature converter, which allows you to measure the temperature field only in the gas stream, since the liquid is opaque to infrared radiation, inaccuracy and a long measurement time.

Кроме того известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА (патент RU №112409 от 06.07.2011 G01K 13/02). Устройство содержит тепловизионную камеру, преобразователь температуры в виде тонкой плоской стенки, выполненной из нержавеющей стали, с толщиной стенки не более 0,3 мм.In addition, a DEVICE FOR MEASURING A TEMPERATURE FIELD OF A GAS FLOW is known (patent RU No. 1112409 dated July 6, 2011 G01K 13/02). The device comprises a thermal imaging camera, a temperature transducer in the form of a thin flat wall made of stainless steel, with a wall thickness of not more than 0.3 mm.

Недостатком данного устройства является ограниченная область применения для исследований температурного поля газового или жидкостного потока с возможностью обеспечения изменения температур на поверхности преобразователя температур с определенной частотой.The disadvantage of this device is the limited scope for studying the temperature field of a gas or liquid stream with the ability to provide temperature changes on the surface of the temperature transducer with a certain frequency.

Технической задачей, стоящей перед изобретателем, является необходимость создания температурных полей газового или жидкостного потока с определенной частотой изменения температур на поверхности преобразователя температур.The technical problem facing the inventor is the need to create temperature fields of a gas or liquid stream with a certain frequency of temperature changes on the surface of the temperature transducer.

Решение поставленной задачи позволяет обеспечить представительность измерений для верификации CFD программ к описанию температурных пульсаций потоков, позволяющих определить надежность и ресурс большого числа элементов энергетического оборудования.The solution of this problem allows us to provide representative measurements for verifying CFD programs to the description of temperature pulsations of flows, which make it possible to determine the reliability and resource of a large number of elements of power equipment.

Задача решается тем, что Задатчик колебаний температур, включающий корпус с подводами (отводами) горячей и холодной воды, золотник с каналами подвода (отвода), который последовательно через вал, шкив и ременную передачу соединен с электродвигателем, с регулируемой частотой вращения.The problem is solved in that the temperature fluctuation adjuster, including a housing with inlets (outlets) of hot and cold water, a spool with inlet (outlet) channels, which is connected in series through a shaft, pulley and belt drive with an electric motor with an adjustable speed.

Золотник установлен с возможностью совершения вращения.The spool is mounted rotatably.

Каналы подвода и отвода золотника выполнены: угловыми, расположенными в разных плоскостях относительно друг друга и кольцевыми, расположенными в плоскостях подводов (отводов) корпуса задатчика колебаний температур.Spool inlet and outlet channels are made: angular, located in different planes relative to each other and circular, located in the planes of inlets (outlets) of the housing of the setpoint for temperature fluctuations.

На фиг.1 изображен Задатчик колебаний температур.Figure 1 shows the setpoint temperature fluctuations.

На фиг.2 изображено Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока с преобразователем температур.Figure 2 shows a device for measuring the temperature field of a gas or liquid stream with a temperature transducer.

Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока содержит: тепловизор (1), преобразователь температур (2), вращающийся золотник (3) с кольцевыми (4) и угловыми (5) каналами подвода (отвода), корпус (6) задатчика колебаний температур с подводами (7) (отводами (8)) горячей и холодной воды, вал (9), шкив (10), ременную передачу (11), электродвигатель (12).A device for measuring the temperature field of a gas or liquid flow contains: a thermal imager (1), a temperature transducer (2), a rotating spool (3) with annular (4) and angular (5) channels of supply (tap), a housing (6) of a temperature oscillator with inlets (7) (outlets (8)) of hot and cold water, a shaft (9), a pulley (10), a belt drive (11), an electric motor (12).

Устройство работает следующим образом. Горячая и холодная вода через подводы (7) в корпусе (6) задатчика колебаний температур поступает на золотник (3) с кольцевыми (4) и угловыми (5) каналами подвода, который вращаясь, с помощью вала (9), шкива (10), ременной передачи (11) и электродвигателя (12), с заданной частотой перемещает и направляет потоки холодной и горячей воды через корпус (6) на внутреннюю поверхность преобразователя температур (2). Измерения температурного поля производятся на внешней поверхности преобразователя температур с помощью тепловизора (1). Отвод воды осуществляется через угловые и кольцевые каналы отвода золотника и отводы (8) горячей и холодной воды корпуса (6) задатчика колебаний температур. Угловые каналы отвода золотника выполнены аналогично угловым каналам подвода и расположены в разных плоскостях относительно угловых каналов подвода, а кольцевые каналы подвода (отвода), расположены соответственно в плоскостях подводов (отводов) корпуса задатчика колебаний температур.The device operates as follows. Hot and cold water through the inlets (7) in the housing (6) of the temperature oscillator enters the spool (3) with annular (4) and angular (5) supply channels, which rotates by means of a shaft (9), a pulley (10) , a belt drive (11) and an electric motor (12), with a given frequency moves and directs flows of cold and hot water through the housing (6) to the inner surface of the temperature transducer (2). Temperature field measurements are made on the outer surface of the temperature transducer using a thermal imager (1). The water is discharged through the angular and annular channels of the spool outlet and the outlets (8) of hot and cold water of the housing (6) of the temperature oscillator. The angular channels for the removal of the spool are made similarly to the angular channels of the supply and are located in different planes relative to the angular channels of the supply, and the ring channels of the supply (outlet) are located respectively in the planes of the inlets (outlets) of the housing of the setpoint for temperature fluctuations.

Таким образом, применение задатчика колебаний температур позволяет достоверно задавать и измерять частоты изменения температурного поля, и дает возможность изучения преобразователей температур из различных материалов, правильный выбор которых позволяет точнее провести верификацию расчетных CFD кодов.Thus, the use of a temperature oscillator allows you to reliably set and measure the frequency of the temperature field, and makes it possible to study temperature converters from various materials, the correct choice of which allows more accurate verification of the calculated CFD codes.

Claims

1. The temperature fluctuation adjuster, including a housing with inlets (outlets) of hot and cold water, a spool with inlet (outlet) channels, which is connected in series through a shaft, pulley and belt drive with an electric motor with an adjustable speed.

2. The temperature fluctuation adjuster according to claim 1, characterized in that the spool is mounted rotatably.

3. The temperature fluctuation adjuster according to claim 1, characterized in that the spool inlet and outlet channels are made angular, located in different planes relative to each other and annular, located respectively in the planes of the temperature fluctuation adjuster inlets and outlets.