RU2220409C2 - Procedure establishing convective heat transfer coefficient - Google Patents
Procedure establishing convective heat transfer coefficient Download PDFInfo
- Publication number
- RU2220409C2 RU2220409C2 RU2001131534A RU2001131534A RU2220409C2 RU 2220409 C2 RU2220409 C2 RU 2220409C2 RU 2001131534 A RU2001131534 A RU 2001131534A RU 2001131534 A RU2001131534 A RU 2001131534A RU 2220409 C2 RU2220409 C2 RU 2220409C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- wall
- heat transfer
- transfer coefficient
- crystalline substance
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области теплофизического эксперимента, а именно к способам определения коэффициента теплоотдачи, и может быть использовано при исследовании тепловых характеристик конвективно охлаждаемых деталей, например, лопаток турбин. The invention relates to the field of thermophysical experiment, and in particular to methods for determining the heat transfer coefficient, and can be used to study the thermal characteristics of convectively cooled parts, for example, turbine blades.
Известен способ определения коэффициента теплоотдачи, при котором измеряют величину теплового потока датчиком теплового потока, температуру поверхности, обтекаемую жидкой или газообразной средой, и температуру среды [1, с.427]. Коэффициент теплоотдачи определяют из соотношения:
Q=αF(Tп-Tcp),
где Q - тепловой поток, Вт;
α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2•K;
Тп- температура поверхности, К;
Тср - температура среды, К;
F - площадь поверхности, м2.There is a method of determining the heat transfer coefficient, in which measure the magnitude of the heat flux by the heat flux sensor, the surface temperature flowed around a liquid or gaseous medium, and the temperature of the medium [1, p.427]. The heat transfer coefficient is determined from the ratio:
Q = αF (T p -T cp ),
where Q is the heat flux, W;
α is the heat transfer coefficient, W / m 2 • K;
T p - surface temperature, K;
T cf - medium temperature, K;
F is the surface area, m 2 .
Недостатком такого способа является его невысокая точность, определяемая конкретными условиями применения. Это объясняется нарушением картины обтекания поверхности вследствие возмущений, вносимых датчиком теплового потока в течение среды. Кроме того, датчики теплового потока требуют индивидуальной градуировки и при использовании их требуется высокочувствительная аппаратура вследствие низкого значения выходного сигнала датчиков. The disadvantage of this method is its low accuracy, determined by the specific conditions of use. This is due to a violation of the pattern of flow around the surface due to disturbances introduced by the heat flux sensor during the medium. In addition, heat flux sensors require individual calibration and, when used, they require highly sensitive equipment due to the low value of the output signal of the sensors.
Наиболее близким к заявленному способу является способ [2] определения коэффициента теплоотдачи через стенку конвективно охлаждаемой детали путем измерения теплового потока (плотности теплового потока) и температуры охлаждающей среды, при котором деталь помещают в расплавленный металл и при температуре кристаллизации последнего продувают ее охлаждающей средой, фиксируют время продувки, затем вынимают, измеряют толщину образовавшейся корки металла и вычисляют коэффициент по формуле
α = Lδρ/(τ(Tк-Tcp)),
где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2•K;
L - теплота кристаллизации, Дж/кг;
δ - толщина корки, м;
ρ - плотность металла, кг/м3;
τ - время продувки, с;
Тк, Тcp - соответственно температура кристаллизации металла и температура охлаждающей среды, К.Closest to the claimed method is a method [2] for determining the heat transfer coefficient through the wall of a convectively cooled part by measuring the heat flux (heat flux density) and the temperature of the cooling medium, at which the part is placed in molten metal and at the crystallization temperature of the latter is blown with a cooling medium, fixed purge time, then take out, measure the thickness of the formed metal crust and calculate the coefficient by the formula
α = Lδρ / (τ (T to -T cp )),
where α is the heat transfer coefficient, W / m 2 • K;
L is the heat of crystallization, J / kg;
δ is the thickness of the crust, m;
ρ is the density of the metal, kg / m 3 ;
τ is the purge time, s;
T to , T cp - respectively, the crystallization temperature of the metal and the temperature of the cooling medium, K.
Этот способ лишен главного недостатка аналога - необходимости использования датчиков теплового потока. Тепловой поток, прошедший через стенку детали при продувке, здесь определяется количеством скрытой теплоты кристаллизации, выделившейся при затвердевании корки металла на внешней поверхности детали. Выделяющаяся теплота пропорциональна массе затвердевающего металла, и для определения плотности теплового потока на элементарном участке поверхности достаточно знать толщину образующейся на ней корки δ. Способ применяется для исследования теплообмена в лопатках газовых турбин с воздушным конвективным охлаждением. This method is devoid of the main disadvantage of the analogue - the need to use heat flow sensors. The heat flow passing through the part wall during purging is determined here by the amount of latent heat of crystallization released during the solidification of the metal crust on the outer surface of the part. The heat released is proportional to the mass of the solidified metal, and to determine the density of the heat flux on an elementary surface section, it is sufficient to know the thickness of the crust formed on it δ. The method is used to study heat transfer in the blades of gas turbines with air convective cooling.
Недостатки способа:
1. Методическая погрешность определения коэффициента теплоотдачи - не менее 8% [3, с.116].The disadvantages of the method:
1. The methodological error in determining the heat transfer coefficient is not less than 8% [3, p. 116].
2. Область применения способа ограничивается исследованием тел обтекаемой формы в расплавах металлов. 2. The scope of the method is limited to the study of streamlined bodies in molten metals.
Недостатки вызваны следующими причинами. The disadvantages are caused by the following reasons.
1. Температура охлаждаемой поверхности стенки Тп в опыте не измеряется и принимается равной температуре кристаллизации расплава Тк. Такое допущение справедливо лишь для термически тонких стенки и корки, когда выполняются условия [3, с.91]:
αδ/λк≪ 1,
αδc/λc≪ 1,
где δc - толщина стенки детали, мм;
λc,λк - соответственно коэффициенты теплопроводности материала стенки детали и корки, Вт/м•К.1. The temperature of the cooled wall surface T p in the experiment is not measured and is taken equal to the crystallization temperature of the melt T to . Such an assumption is valid only for thermally thin walls and peels, when the conditions are fulfilled [3, p. 91]:
αδ / λ to ≪ 1,
αδ c / λ c ≪ 1,
where δ c is the wall thickness of the part, mm;
λ c , λ k - respectively, the thermal conductivity coefficients of the material of the wall of the part and the crust, W / m • K.
С увеличением интенсивности охлаждения, т.е. с ростом α, и величины термического сопротивления корки, определяемого отношением δ/λк, становится все более существенным отличие температуры поверхности стенки Тп от температуры кристаллизации Тк, что приводит к погрешностям в определении α. Для получения в опытах минимально возможных значений δ/λк необходимо использование материала с высокими значениями коэффициента теплопроводности λк и скрытой теплоты кристаллизации L, определяющей темп нарастания толщины корки δ. Таким требованиям удовлетворяет ряд высокотеплопроводных металлов, таких как цинк, серебро, медь, магний и алюминий.With an increase in the cooling intensity, i.e. with increasing α, and the thermal resistance of the crust, determined by the ratio δ / λ k , the difference between the wall surface temperature T p and the crystallization temperature T k becomes more and more significant, which leads to errors in the determination of α. To obtain the minimum possible values of δ / λ k in experiments, it is necessary to use a material with high values of the thermal conductivity coefficient λ k and latent heat of crystallization L, which determines the rate of increase in the thickness of the crust δ. These requirements are met by a number of highly heat-conducting metals such as zinc, silver, copper, magnesium and aluminum.
2. Толщина корки δ не может быть измерена непосредственно в расплаве, для этого объект сразу после продувки извлекается из него. Расплав, имеющий равновесную температуру, находится в твердо-жидком состоянии, при котором во всем занимаемом им объеме возникает множество центров свободной кристаллизации. При извлечении объекта из расплава свободные кристаллы наволакиваются на корку, искажая ее геометрию. Наволакиваемый слой, толщину которого можно лишь приблизительно оценить, не позволяет измерить истинное значение толщины корки δ, что является вторым источником погрешностей при определении коэффициента теплоотдачи. Кроме того, явление наволакивания ограничивает область применения метода исследованиями объектов обтекаемой формы, какими, например, являются турбинные лопатки. 2. The thickness of the crust δ cannot be measured directly in the melt; for this, the object is immediately removed from the melt from it. A melt having an equilibrium temperature is in a solid-liquid state, in which many centers of free crystallization appear in the entire volume occupied by it. When an object is extracted from a melt, free crystals envelop the crust, distorting its geometry. The coating layer, the thickness of which can only be estimated, does not allow measuring the true value of the thickness of the crust δ, which is the second source of errors in determining the heat transfer coefficient. In addition, the phenomenon of enveloping limits the scope of the method to studies of streamlined objects, such as, for example, turbine blades.
Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно:
- повышение точности определения коэффициента теплоотдачи за счет исключения операций извлечения детали из расплава после продувки и измерения толщины затвердевшей корки;
- расширение области применения способа исследованиями деталей любой геометрической формы в расплавах различных кристаллических веществ.The aim of the invention is to eliminate the above disadvantages, namely:
- improving the accuracy of determining the heat transfer coefficient by eliminating the operation of extracting the part from the melt after purging and measuring the thickness of the hardened crust;
- expanding the scope of the method by researching details of any geometric shape in melts of various crystalline substances.
Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициента теплоотдачи через стенку конвективно охлаждаемой детали, деталь помещают в расплав кристаллического вещества и при температуре кристаллизации последнего продувают охлаждающей средой и измеряют ее температуру. Новым в предлагаемом способе является то, что при продувке непосредственно в расплаве измеряют температуру наружной поверхности стенки детали, фиксируют время проведения измерения от момента начала продувки и для вычисления коэффициента используют формулу:
где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2•К;
δc - толщина стенки детали, м;
λc - коэффициент теплопроводности материала стенки детали, Вт/м•К;
λк - коэффициент теплопроводности кристаллического вещества, Вт/м•К;
L - скрытая теплота кристаллизации кристаллического вещества, Дж/кг;
ρ - плотность кристаллического вещества, кг/м3;
τ - время проведения измерения температуры наружной поверхности стенки детали от момента начала продувки, с;
Тк - температура кристаллизации кристаллического вещества, К;
Тср - температура охлаждающей среды, К;
Тн - температура наружной поверхности стенки детали, К.This goal is achieved by the fact that in the method for determining the heat transfer coefficient through the wall of a convectively cooled part, the part is placed in a melt of crystalline substance and at the crystallization temperature of the latter it is purged with a cooling medium and its temperature is measured. New in the proposed method is that when purging directly in the melt, the temperature of the outer surface of the wall of the part is measured, the time of the measurement is recorded from the moment the purge begins, and the formula is used to calculate the coefficient:
where α is the heat transfer coefficient, W / m 2 • K;
δ c is the wall thickness of the part, m;
λ c is the coefficient of thermal conductivity of the material of the wall of the part, W / m • K;
λ to - thermal conductivity of crystalline matter, W / m • K;
L is the latent heat of crystallization of a crystalline substance, J / kg;
ρ is the density of the crystalline substance, kg / m 3 ;
τ is the time of measuring the temperature of the outer surface of the wall of the part from the moment of the start of purging, s;
T to - the crystallization temperature of the crystalline substance, K;
T cf - the temperature of the cooling medium, K;
T n - temperature of the outer surface of the wall of the part, K.
Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.
Деталь, например лопатку газотурбинного двигателя, укомплектовывают трубопроводной арматурой для подвода и отвода газообразной или жидкой охлаждающей среды, средствами для измерения температур среды и наружной поверхности стенки детали в контрольных точках и погружают в тигель с кристаллическим веществом, имеющим температуру, равную его температуре кристаллизации. Включают продувку и производят измерение температур среды Тср и наружной поверхности стенки детали Тн, фиксируют время проведения измерения от момента начала продувки τ и определяют коэффициент теплоотдачи α по формуле:
Входящие в формулу коэффициенты теплопроводности материала стенки детали λc, и затвердевшей корки расплава λк, скрытая теплота кристаллизации L, температура кристаллизации Тк и плотность ρ кристаллического вещества являются справочными (известными) величинами, толщина стенки детали δc известна из ее конструкции.A part, for example, a blade of a gas turbine engine, is equipped with pipe fittings for supplying and discharging a gaseous or liquid cooling medium, means for measuring the temperature of the medium and the outer surface of the wall of the part at control points and immersed in a crucible with a crystalline substance having a temperature equal to its crystallization temperature. Turn on the purge and measure the temperature of the medium T cf and the outer surface of the wall of the part T n , record the time of the measurement from the start of the purge τ and determine the heat transfer coefficient α by the formula:
The thermal conductivity coefficients of the material of the wall of the part λ c and the solidified melt crust λ k included in the formula, latent heat of crystallization L k , crystallization temperature T k and density ρ of crystalline substance are reference values, the wall thickness δ c is known from its design.
Формула, представляющая собой обыкновенное квадратное уравнение относительно неизвестного α, является решением системы уравнений математической модели процесса затвердевания равновесного расплава на охлаждаемой стенке, а именно [4, 5]:
- граничного условия третьего рода на охлаждаемой (внутренней) поверхности стенки:
α(Tп-Tcp) = λк/δ(Tк-Tн),
- теплового баланса на границе затвердевания расплава (условие Стефана):
α(Tп-Tcp) = Lρdδ/dτ,
- граничного условия четвертого рода на наружной поверхности стенки детали:
λc(Tн-Tп)/δc = λк(Tк-Tн)/δ.
Таким образом, определение коэффициента теплоотдачи α заключается в подстановке в формулу известных, справочных и измеренных в опыте величин и решении этого квадратного уравнения. Отсутствие необходимости извлечения объекта из расплава и непосредственное измерение температуры теплообменной поверхности повышает точность экспериментальных результатов, позволяет исследовать объекты любой геометрической формы. Кроме того, способ дает возможность использовать в качестве кристаллизующегося вещества не только металлы с высокой теплопроводностью и теплотой кристаллизации, но и любые другие кристаллические вещества, выбираемые по температуре кристаллизации Тк с учетом свойств материала, из которого изготовлена деталь, и условия получения требуемого значения температурного напора Тк-Тср.The formula, which is an ordinary quadratic equation with respect to unknown α, is a solution of the system of equations of a mathematical model of the process of solidification of the equilibrium melt on a cooled wall, namely [4, 5]:
- a boundary condition of the third kind on a cooled (internal) wall surface:
α (T p -T cp ) = λ k / δ (T k -T n ),
- heat balance at the solidification boundary of the melt (Stefan condition):
α (T p -T cp ) = Lρdδ / dτ,
- boundary conditions of the fourth kind on the outer surface of the wall of the part:
λ c (T n -T n ) / δ c = λ k (T k -T n ) / δ.
Thus, the determination of the heat transfer coefficient α consists in substituting the known, reference and experimentally measured values into the formula and solving this quadratic equation. The absence of the need to extract the object from the melt and the direct measurement of the temperature of the heat-exchange surface increases the accuracy of the experimental results, allows you to explore objects of any geometric shape. In addition, the method makes it possible to use as a crystallizing substance not only metals with high thermal conductivity and heat of crystallization, but also any other crystalline substances selected by the crystallization temperature T to taking into account the properties of the material from which the part is made, and the conditions for obtaining the desired temperature head T to -T cf.
Источники информации
1. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общей редакцией В.А.Григорьева и В.М.Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - Аналог.Sources of information
1. Heat and mass transfer. Thermotechnical experiment. Directory. Under the general editorship of V.A. Grigoriev and V. M. Zorin. - M .: Energoatomizdat, 1982. - Analog.
2. А.с. 550008, 1975. - Прототип. 2. A.S. 550008, 1975. - Prototype.
3. Тепловые и гидравлические характеристики охлаждаемых лопаток газовых турбин. / С. З. Копелев, М.Н.Галкин, А.А.Харин, И.В.Шевченко. - М.: Машиностроение, 1993. 3. Thermal and hydraulic characteristics of the cooled gas turbine blades. / S.Z. Kopelev, M.N. Galkin, A.A. Kharin, I.V. Shevchenko. - M.: Mechanical Engineering, 1993.
4. Обратные задачи теплообмена. / О.М. Алифанов. - М.: Машиностроение, 1998. 4. Inverse heat transfer problems. / O.M. Alifanov. - M.: Mechanical Engineering, 1998.
5. А. В.Лыков. Теория теплопроводности. - М.: "Высшая школа", 1967, 599 с., ил. 5. A. V. Lykov. Theory of thermal conductivity. - M.: "Higher School", 1967, 599 p., Ill.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001131534A RU2220409C2 (en) | 2001-11-21 | 2001-11-21 | Procedure establishing convective heat transfer coefficient |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001131534A RU2220409C2 (en) | 2001-11-21 | 2001-11-21 | Procedure establishing convective heat transfer coefficient |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001131534A RU2001131534A (en) | 2003-06-27 |
| RU2220409C2 true RU2220409C2 (en) | 2003-12-27 |
Family
ID=32065670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001131534A RU2220409C2 (en) | 2001-11-21 | 2001-11-21 | Procedure establishing convective heat transfer coefficient |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2220409C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634508C1 (en) * | 2016-10-05 | 2017-10-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Method of experimental determination of surface heat-transfer coefficient and device for its implementation |
| RU2677973C1 (en) * | 2018-04-27 | 2019-01-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Method for determining the heat transfer coefficient through the wall of a convective cool part |
| RU2796333C1 (en) * | 2022-12-14 | 2023-05-22 | Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method for determining heat transfer coefficient of a part |
-
2001
- 2001-11-21 RU RU2001131534A patent/RU2220409C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634508C1 (en) * | 2016-10-05 | 2017-10-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Method of experimental determination of surface heat-transfer coefficient and device for its implementation |
| RU2677973C1 (en) * | 2018-04-27 | 2019-01-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Method for determining the heat transfer coefficient through the wall of a convective cool part |
| RU2796333C1 (en) * | 2022-12-14 | 2023-05-22 | Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Method for determining heat transfer coefficient of a part |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Emadi et al. | Comparison of newtonian and fourier thermal analysis techniques for calculation of latent heat and solid fraction of aluminum alloys | |
| O'Mahoney et al. | Use of experiment and an inverse method to study interface heat transfer during solidification in the investment casting process | |
| Quaresma et al. | Correlation between unsteady-state solidification conditions, dendrite spacings, and mechanical properties of Al-Cu alloys | |
| Ares et al. | Influence of solidification thermal parameters on the columnar-to-equiaxed transition of aluminum-zinc and zinc-aluminum alloys | |
| Canté et al. | Microstructural development in Al-Ni alloys directionally solidified under unsteady-state conditions | |
| SE444817B (en) | PROCEDURE FOR THE PREPARATION OF CASTING IRON | |
| Bamberger et al. | Heat flow and dendritic arm spacing in chill-cast Al–Si alloys | |
| Rerko et al. | Effect of melt convection and solid transport on macrosegregation and grain structure in equiaxed Al–Cu alloys | |
| Cheung et al. | Melt characteristics and solidification growth direction with respect to gravity affecting the interfacial heat transfer coefficient of chill castings | |
| Melo et al. | Numerical model to predict the position, amount and size of microporosity formation in Al–Cu alloys by dissolved gas and solidification shrinkage | |
| Overfelt et al. | Thermophysical property measurements for casting process simulation | |
| RU2220409C2 (en) | Procedure establishing convective heat transfer coefficient | |
| Chávez-Zamarripa et al. | Determination of the dendrite coherency point during solidification by means of thermal diffusivity analysis | |
| Rosa et al. | Cellular growth during transient directional solidification of Pb–Sb alloys | |
| Aparicio et al. | Solidification kinetics of a near eutectic Al-Si alloy, unmodified and modified with Sr | |
| JPH07209220A (en) | Quality control method for molten metal | |
| JP4298925B2 (en) | Method for determining the required amount of structural modifier to be added to cast iron, equipment therefor and computer program product | |
| AU2007301495B2 (en) | An apparatus and method for determining the percentage of carbon equivalent, carbon and silicon in liquid ferrous metal | |
| Hartmann et al. | Where should the cooling rate be determined in an extended freezing sample? | |
| Keşlioğlu et al. | Determination of interfacial energies for solid al solution in equilibrium with Al-Cu-Ag liquid | |
| Heiberg et al. | Experimental and modeling studies of the thermal conditions and magnesium, iron, and copper content on the morphology of the aluminum silicon eutectic in hypoeutectic aluminum silicon alloys | |
| Woolley et al. | From Experimentation to Analysis: Considerations for Determination of the Metal/Mold Interfacial Heat Transfer Coefficient Via Solution of the Inverse Heat Conduction Problem | |
| Savas et al. | Determination of solid/liquid fraction of three aluminium binary alloys using a new single-pan scanning calorimeter | |
| Bailey et al. | An investigation of the solidification of a metal and two n-paraffins using an acoustic technique | |
| RU2084881C1 (en) | Method for determining heat-transfer coefficient of convectively cooled wall of part |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201122 |