RU2221226C2

RU2221226C2 - Heat flow transducer

Info

Publication number: RU2221226C2
Application number: RU2001110327/28A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Ксенофонтов; Б.А. Прусаков; С.Ю. Шевченко
Original assignee: Ксенофонтов Александр Григорьевич; Прусаков Борис Алексеевич; Шевченко Светлана Юрьевна
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2004-01-10

Abstract

FIELD: heat engineering, determination of cooling power of various media in mechanical engineering. SUBSTANCE: transducer includes bushing with nickel plate attached to it and three standard thermocouples " chromel-alumel " which are welded to plate. One thermocouple is positioned in center and two others are arranged on periphery of plate in symmetry with center. Cylindrical cavity with ratios of cavity diameter to plate diameter 0.9-1.0 and depth of cavity to thickness of plate 20-1 is placed under nickel plate. EFFECT: raised operational reliability and increased measurement accuracy while determining cooling power of quenching media. 4 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения зависимости градиента температур на поверхности от температуры поверхности. The invention relates to heat engineering and can be used to measure the dependence of the temperature gradient on the surface of the surface temperature.

Известна конструкция устройства [1], в котором измеряется тепловой поток, проходящий через металлическую пластину. В пластине делается кольцевая канавка, на стенках которой размещаются термопары на разных расстояниях от дна канавки. Таким образом, получают распределение температуры по толщине пластины, по которому затем рассчитывают тепловой поток. В данной конструкции величина теплового потока будет зависеть от теплопроводности материала пластины, так как тепловой поток распространяется по толщине пластины. Таким образом, не решается задача определения теплового потока на охлаждаемой поверхности датчика. A known design of the device [1], which measures the heat flux passing through a metal plate. An annular groove is made in the plate, on the walls of which thermocouples are placed at different distances from the bottom of the groove. Thus, a temperature distribution is obtained over the thickness of the plate, which is then used to calculate the heat flux. In this design, the value of the heat flux will depend on the thermal conductivity of the plate material, since the heat flux propagates through the thickness of the plate. Thus, the problem of determining the heat flux on the cooled surface of the sensor is not solved.

Наиболее близким по технической сущности, выбранным за прототип, является датчик теплового потока [2]. Его принципиальной особенностью является измерение разности температур не вдоль направления теплового потока, а перпендикулярно ему. Чувствительная часть датчика представляет собой тонкую никелевую пластину, заделанную на поверхности датчика, к центру которой приварен нихромовый провод, а к периферии - никелевый провод. Имеется также нихромовый провод, приваренный к нихромовому корпусу датчика. Под никелевой пластиной расположена цилиндрическая полость, которая препятствует теплоотдаче от тела датчика пластине. Таким образом, устройство регистрирует разность температур не вдоль, а перпендикулярно направлению теплового потока (т. е. между центром и периферией пластины). Устройство содержит термопару никель-нихром, измеряющую температуру в центре пластины, и дифференциальную термопару нихром-никель-нихром, измеряющую разность температур между центром и периферией пластины. Эти термопары не являются стандартными, следовательно, необходима предварительная тарировка каждого датчика. Точность показаний дифференциальной термопары невелика, так как измеряемая величина, т. е. разность температур между центром и периферией пластины, в некоторых случаях не превышает нескольких градусов. К тому же один из спаев этой термопары представляет собой кольцевой сварной шов между никелевой пластиной и нихромовым корпусом датчика. Процессы кипения, протекающие на поверхности датчика при охлаждении его в жидких средах, весьма сложны, и в некоторые моменты времени охлаждения температура в пределах кольцевого шва будет различной. Тогда нельзя с уверенностью сказать, какую разность температур будет регистрировать дифференциальная термопара. The closest in technical essence, selected for the prototype, is a heat flow sensor [2]. Its principal feature is the measurement of the temperature difference not along the direction of the heat flux, but perpendicular to it. The sensitive part of the sensor is a thin nickel plate embedded on the surface of the sensor, to the center of which a nichrome wire is welded, and a nickel wire is welded to the periphery. There is also a nichrome wire welded to the nichrome sensor body. A cylindrical cavity is located under the nickel plate, which prevents heat transfer from the sensor body to the plate. Thus, the device records the temperature difference not along, but perpendicular to the direction of the heat flux (i.e., between the center and the periphery of the plate). The device contains a nickel-nichrome thermocouple measuring the temperature in the center of the plate, and a nichrome-nickel-nichrome differential thermocouple measuring the temperature difference between the center and the periphery of the plate. These thermocouples are not standard, therefore, preliminary calibration of each sensor is necessary. The accuracy of the differential thermocouple readings is small, since the measured value, i.e., the temperature difference between the center and the periphery of the plate, in some cases does not exceed several degrees. In addition, one of the junctions of this thermocouple is an annular weld between the nickel plate and the nichrome sensor body. The boiling processes that occur on the surface of the sensor when it is cooled in liquid media are very complex, and at some points in the cooling time, the temperature within the ring joint will be different. Then it is impossible to say with certainty what temperature difference the differential thermocouple will register.

Вышеуказанные аналоги и прототип не решают задачи определения локального теплового потока на поверхности охлаждаемого тела. The above analogues and prototype do not solve the problem of determining the local heat flux on the surface of the cooled body.

В предлагаемом изобретении реализуется тот же принцип измерения разности температур, что и в прототипе. Изобретение расширяет возможности датчика с поверхностным растечением тепла и решает проблему увеличения точности определения теплового потока на поверхности, а также повышения информативности в получении картины процессов, происходящих на поверхности при охлаждении в жидких средах. In the present invention, the same principle of measuring the temperature difference is implemented as in the prototype. The invention extends the capabilities of a sensor with surface heat spreading and solves the problem of increasing the accuracy of determining the heat flux on the surface, as well as increasing the information content in obtaining a picture of the processes occurring on the surface during cooling in liquid media.

Устройство для измерения зависимости градиента температур на поверхности от температуры поверхности состоит из нихромового корпуса, в верхней части которого заделана никелевая пластина. Под никелевой пластиной расположена цилиндрическая полость, которая препятствует теплоотдаче от тела датчика пластине. Задача увеличения точности измерения разности температур решается подбором глубины полости из условия, что на показания устройства не оказывает влияние тепло, подводимое к пластине через провода термопар. Это условие достигается при отношении диаметра полости к диаметру пластины 0,9:1 и глубины полости к толщине пластины 20:1. Задача повышения информативности решается тем, что к никелевой пластине привариваются три стандартные термопары хромель-алюмель: одна в центре, а две на периферии пластины симметрично относительно центра. За счет этого можно измерять локальный тепловой поток на поверхности датчика. A device for measuring the dependence of the temperature gradient on the surface on the surface temperature consists of a nichrome case, in the upper part of which a nickel plate is embedded. A cylindrical cavity is located under the nickel plate, which prevents heat transfer from the sensor body to the plate. The task of increasing the accuracy of measuring the temperature difference is solved by selecting the cavity depth from the condition that the heat supplied to the plate through the wires of the thermocouples does not affect the readings of the device. This condition is achieved when the ratio of the diameter of the cavity to the diameter of the plate is 0.9: 1 and the depth of the cavity to the thickness of the plate is 20: 1. The task of increasing information content is solved by the fact that three standard chromel-alumel thermocouples are welded to the nickel plate: one in the center, and two at the periphery of the plate symmetrically with respect to the center. Due to this, it is possible to measure the local heat flux on the surface of the sensor.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
Фиг.1 - конструкция датчика теплового потока.The invention is illustrated by the following drawings:
Figure 1 - design of the heat flow sensor.

Фиг.2 - конструкция зонда с вмонтированным датчиком. Figure 2 - design of the probe with a mounted sensor.

Фиг.3 - принципиальная схема измерения. Figure 3 - schematic diagram of the measurement.

Фиг. 4 - зависимость коэффициента теплоотдачи на поверхности от температуры поверхности. FIG. 4 - dependence of the heat transfer coefficient on the surface of the surface temperature.

Устройство для измерения зависимости градиента температур на поверхности от температуры поверхности состоит из нихромового корпуса 1, никелевой пластины 2, заделанной в верхней части корпуса и зашлифованной заподлицо с поверхностью, трех термопар хромель-алюмель 3 в металлических чехлах, приваренных соответственно к центру и периферии пластины. A device for measuring the dependence of the temperature gradient on the surface on the surface temperature consists of a nichrome casing 1, a nickel plate 2 embedded in the upper part of the casing and polished flush with the surface, three chromel-alumel 3 thermocouples in metal covers welded to the center and periphery of the plate, respectively.

На фиг.2 представлена конструкция зонда с вмонтированным устройством для измерения зависимости градиента температур на поверхности от температуры поверхности. В корпусе 4 зонда, изготовленного из нержавеющей стали, установлено разработанное устройство 5 таким образом, чтобы точки приварки термопар располагались по образующей (как на фиг.2) или по направляющей цилиндрической поверхности корпуса 4 зонда. Подводящие провода проложены внутри корпуса зонда и приваренной к нему нержавеющей трубки 6. Figure 2 presents the design of the probe with a mounted device for measuring the dependence of the temperature gradient on the surface of the surface temperature. In the probe body 4 made of stainless steel, the developed device 5 is installed so that the welding points of the thermocouples are located along the generatrix (as in FIG. 2) or along the cylindrical guide surface of the probe body 4. Lead wires are laid inside the probe body and the stainless tube 6 welded to it.

Принципиальная схема измерения приведена на фиг.3. Термопары 7 датчика 8 подсоединены к устройству сопряжения 9, которое подключено к компьютеру 10. Для обработки экспериментальных данных разработана программа 11. Schematic diagram of the measurement shown in figure 3. Thermocouples 7 of the sensor 8 are connected to the interface device 9, which is connected to the computer 10. A program 11 has been developed for processing the experimental data.

Устройство работает следующим образом. Зонд с вмонтированным датчиком теплового потока нагревают в печи, а затем помещают в охлаждающую среду. Сигнал с термопар устройства поступает в компьютер через устройство сопряжения, представляющее собой аналого-цифровой усилитель-преобразователь сигналов термопары с индивидуальной гальванической развязкой каждого канала. Обработку экспериментальных данных проводят с помощью специально разработанной программы. Температурный градиент на поверхности пластины находят как разность показаний центральной и периферийной термопар. The device operates as follows. The probe with the built-in heat flow sensor is heated in an oven and then placed in a cooling medium. The signal from the thermocouples of the device enters the computer through the interface device, which is an analog-to-digital amplifier-converter of the thermocouple signals with individual galvanic isolation of each channel. Processing of experimental data is carried out using a specially designed program. The temperature gradient on the surface of the plate is found as the difference between the readings of the central and peripheral thermocouples.

Предложенная конструкция была опробована для оценки охлаждающей способности воды. В качестве характеристики охлаждающей способности была использована зависимость коэффициента теплоотдачи на поверхности от температуры поверхности. При этом измеряемую величину температурного градиента с помощью разработанной математической модели пересчитывали в величину коэффициента теплоотдачи. При проведении экспериментов зонд с вмонтированным устройством нагревали до температуры 850^oС в печи, после чего опускали в закалочную ванну, а измеряемые сигналы регистрировали с помощью компьютера. Зависимости коэффициента теплоотдачи на поверхности от температуры поверхности показаны на фиг.4. Эксперименты проводили на датчиках с расположением термопар по направляющей (горизонтально в рабочем положении зонда) или по образующей (вертикально в рабочем положении зонда) цилиндрической поверхности зонда. При вертикальном расположении термопар зависимость коэффициента теплоотдачи (сплошная линия на фиг.4) имеет сложный вид, особенно в интервале температур 100. . . 300^oС, соответствующем стадии пузырькового кипения воды. В этой области коэффициент теплоотдачи неоднократно резко изменяется, что характерно для описанных в литературе волновых процессов, происходящих на поверхности при охлаждении в жидких средах. При горизонтальном расположении термопар такого изменения коэффициента теплоотдачи не обнаружено (пунктирная линия на фиг. 4). Из этого следует, что фронт распространения волновых процессов по охлаждаемой поверхности находится в горизонтальной плоскости. Таким образом, разработанное устройство обладает высокой чувствительностью и информативностью и может применяться для изучения сложных процессов, происходящих на поверхности при охлаждении в жидких средах.The proposed design has been tested to evaluate the cooling ability of water. As a characteristic of the cooling ability, the dependence of the heat transfer coefficient on the surface on the surface temperature was used. In this case, the measured value of the temperature gradient using the developed mathematical model was converted into the value of the heat transfer coefficient. During the experiments, the probe with the mounted device was heated to a temperature of 850 ^o C in the furnace, then it was lowered into the quenching bath, and the measured signals were recorded using a computer. The dependence of the heat transfer coefficient on the surface of the surface temperature is shown in Fig.4. The experiments were carried out on sensors with the location of thermocouples along the guide (horizontally in the working position of the probe) or along the generatrix (vertically in the working position of the probe) of the cylindrical surface of the probe. With a vertical arrangement of thermocouples, the dependence of the heat transfer coefficient (solid line in Fig. 4) has a complex form, especially in the temperature range of 100.. . 300 ^o With the corresponding stage of bubble boiling water. In this region, the heat transfer coefficient repeatedly sharply changes, which is characteristic of the wave processes described in the literature that occur on the surface upon cooling in liquid media. With a horizontal arrangement of thermocouples, such a change in the heat transfer coefficient was not detected (dashed line in Fig. 4). It follows from this that the propagation front of wave processes along the cooled surface is in the horizontal plane. Thus, the developed device is highly sensitive and informative and can be used to study complex processes occurring on the surface during cooling in liquid media.

Источники информации
1. Патент США 5314247, кл. G 01 K 17/00, опубл. 1994.Sources of information
1. US patent 5314247, CL. G 01 K 17/00, publ. 1994.

2. Патент РФ 2008635, кл. G 01 K 17/20, опубл. 1994. 2. RF patent 2008635, cl. G 01 K 17/20, publ. 1994.

Claims

Heat flow sensor, consisting of a sleeve with three longitudinal holes for outputting nickel plate thermocouples placed at the end of the sleeve flush with its surface, and welded to the plate in the center and on the periphery of the thermocouples, characterized in that three standard chromel thermocouples are welded to the nickel plate -alumel, one in the center, and two on the periphery of the plate symmetrically relative to the center, and under the nickel plate there is a cylindrical cavity with a ratio of the diameter of the cavity to the diameter of the plate of 0.9: 1 and the depth of the floor STI to the thickness of the plate 20: 1.