RU2551836C1 - Method for determining non-stationary heat flow - Google Patents
Method for determining non-stationary heat flow Download PDFInfo
- Publication number
- RU2551836C1 RU2551836C1 RU2013154720/28A RU2013154720A RU2551836C1 RU 2551836 C1 RU2551836 C1 RU 2551836C1 RU 2013154720/28 A RU2013154720/28 A RU 2013154720/28A RU 2013154720 A RU2013154720 A RU 2013154720A RU 2551836 C1 RU2551836 C1 RU 2551836C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- meter
- heat meter
- temperature
- rate
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области тепловых измерений и может быть использовано при исследовании теплообмена и управления процессами в металлургии, энергетике и других отраслях народного хозяйства.The present invention relates to the field of thermal measurements and can be used in the study of heat transfer and process control in metallurgy, energy and other sectors of the economy.
Из существующего уровня известен способ измерения тепловых потоков, сущность которого заключается в измерении двумя гипертермопарами, расположенными одна за другой, двух перепадов температур на чувствительном элементе, вычислении скорости изменения перепада температур, измеренного второй гипертермопарой, и определении нестационарного теплового потока по формуле (см. а.с. СССР N 1045011, G01K 17/08, 1982 г.).From the existing level, there is a known method for measuring heat fluxes, the essence of which is to measure two temperature drops on a sensing element with two hyperthermocouples, one after the other, calculate the rate of change of temperature difference measured by the second hyperthermocouple, and determine the unsteady heat flux using the formula (see a USSR N 1045011, G01K 17/08, 1982).
Недостатком способа является низкая точность измерения нестационарного теплового потока.The disadvantage of this method is the low accuracy of the measurement of unsteady heat flow.
Из известных способов наиболее близким по технической сущности является способ измерения нестационарного теплового потока (см. а.с. СССР N 1024751, G01K 17/08, 1981 г.), заключающийся в измерении перепада температур на чувствительном элементе, скорости изменения температуры на приемной и обратной поверхности чувствительного элемента и определении величины нестационарного потока по формулеOf the known methods, the closest in technical essence is the method of measuring unsteady heat flux (see AS USSR N 1024751, G01K 17/08, 1981), which consists in measuring the temperature difference on the sensitive element, the rate of change of temperature at the receiving and the return surface of the sensing element and determining the magnitude of the unsteady flow according to the formula
где λ, с, ρ, b - теплопроводность, теплоемкость, удельная плотность и толщина чувствительного элемента;where λ, s, ρ, b - thermal conductivity, heat capacity, specific gravity and thickness of the sensing element;
t0, tb - температуры приемной и обратной поверхностей чувствительного элемента;t 0 , t b - temperature of the receiving and return surfaces of the sensing element;
Недостатком способа является низкая точность измерения нестационарного теплового потока вследствие большой динамической погрешности и погрешности из-за влияния конвективного теплообмена боковой поверхности тепломера.The disadvantage of this method is the low accuracy of measuring unsteady heat flow due to the large dynamic error and error due to the influence of convective heat transfer on the side surface of the heat meter.
В основу изобретения положена задача разработать способ, обеспечивающий повышение точности определения нестационарного теплового потока.The basis of the invention is the task of developing a method that improves the accuracy of determining unsteady heat flux.
Для решения поставленной задачи в известном способе измерения нестационарного теплового потока, включающем измерение разности и скорости изменения средних температур приемной и обратной поверхностей тепломера, дополнительно измеряют в сечениях тепломера скорость изменения средней по площади температуры и температуру в точках его боковой поверхности, а тепловой поток определяют по формулеTo solve the problem in the known method of measuring unsteady heat flux, including measuring the difference and the rate of change of average temperatures of the receiving and return surfaces of the heat meter, the rate of change of the average temperature over the area and the temperature at the points of its lateral surface are additionally measured in sections of the heat meter, and the heat flux is determined by the formula
где λ, С - теплопроводность и объемная теплоемкость материала тепломера;where λ, C - thermal conductivity and volumetric heat capacity of the material of the heat meter;
H, S, τ - толщина, площадь поперечного сечения тепломера и время;H, S, τ - thickness, cross-sectional area of the heat meter and time;
pk - весовой коэффициент при средней скорости изменения температуры;p k - weight coefficient at an average rate of temperature change;
m+1 - количество сечений тепломера, в которых измеряется скорость изменения средней температуры;m + 1 is the number of sections of the heat meter in which the rate of change of the average temperature is measured;
Дополнительное измерение в сечениях тепломера скорости изменения средней по площади температуры и температуры в точках его боковой поверхности позволяет уменьшить динамическую погрешность измерения теплового потока и учесть влияние конвективного теплообмена боковой поверхности тепломера.An additional measurement in the sections of the heat meter of the rate of change of the area-average temperature and temperature at the points of its lateral surface allows one to reduce the dynamic error of the heat flux measurement and take into account the effect of convective heat transfer on the side surface of the heat meter.
Для обоснования повышения точности необходимо рассмотреть основные положения теории, на которой базируется заявленный способ. Он основан на математическом описании теплопередачи в объекте исследования в виде интегральной формы уравнения теплопроводности. Для тепломера, имеющего форму цилиндра с радиусом основания R и толщиной H, который одним основанием воспринимает измеряемый нестационарный тепловой поток, а на боковой поверхности действует конвективный тепловой поток, интегральная форма уравнения теплопроводности имеет видTo justify the increase in accuracy, it is necessary to consider the main provisions of the theory on which the claimed method is based. It is based on the mathematical description of heat transfer in the object of study in the form of an integral form of the heat equation. For a heat meter having the shape of a cylinder with a base radius R and thickness H, which perceives the measured unsteady heat flux with one base, and a convective heat flux acts on the side surface, the integral form of the heat equation has the form
где
Для тепломера в виде параллелепипеда интегральная форма отличается видом выражения для определения среднего по толщине конвективного теплового потока
где
В простейшем случае, когда распределение температуры по толщине тепломера одномерно, т.е. отсутствует теплообмен с боковой поверхности, и близкое к линейному, то формула для определения повторного интеграла принимает видIn the simplest case, when the temperature distribution over the thickness of the heat meter is one-dimensional, i.e. there is no heat transfer from the side surface, and close to linear, the formula for determining the repeated integral takes the form
Тогда из интегральной формы уравнения теплопроводности можно получить расчетную формулу прототипа:Then from the integral form of the heat equation, you can get the calculation formula of the prototype:
Чем больше количество точек на заданной толщине тепломера, тем выше степень полинома, который описывает распределение температуры, что соответствует уменьшению погрешность определения повторного интеграла и, следовательно, увеличению точности определения нестационарного теплового потока Графики, представленные на фиг.1 и фиг.2, иллюстрируют эффект дополнительного измерения температуры и скорости ее изменения в точках тепломера.The larger the number of points on a given thickness of the heat meter, the higher the degree of the polynomial that describes the temperature distribution, which corresponds to a decrease in the error of the determination of the repeated integral and, therefore, to an increase in the accuracy of determination of the unsteady heat flow. The graphs shown in Fig. 1 and Fig. 2 illustrate the effect additional measurement of temperature and its rate of change at the points of the heat meter.
На фиг.1 показан пример изменения во времени плотности теплового потока, действующего на поверхности тепломера (сплошная тонкая линия), значения, рассчитанные по формуле заявляемого способа (символы) и по прототипу (полужирная линия). На фиг.2 приведены погрешности определения теплового потока для данного изменения теплового потока, рассчитанные по формуле заявленного способа: по шести точкам (); по четырем точкам с координатами - х=0r=0,75R, х=0,333H, r=0,75R, х=0,666H, r=0,75R, х=H, r=0,75R (); по двум точкам с координатами - x0=0, r=0,75R; х=0,5H r=0,75R (); и рассчитанные по формулам аналога () и прототипа () (R=2,5 мм, H=1,2 мм). Погрешность по аналогу и прототипу находится в пределах от -40% до -60% и от -40% до 20%. Погрешность по заявленному способу, в зависимости от числа используемых точек, изменяется от ±0,5%, до ±2%. Повышение точности определения теплового потока достигнута за счет уменьшения динамической погрешности и учета влияния конвективного теплообмена боковой поверхности. Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:Figure 1 shows an example of a change in time of the heat flux density acting on the surface of the heat meter (solid thin line), the values calculated by the formula of the proposed method (symbols) and by the prototype (bold line). Figure 2 shows the errors in determining the heat flux for a given change in heat flux, calculated by the formula of the claimed method: at six points ( ); at four points with coordinates - x = 0r = 0.75R, x = 0.333H, r = 0.75R, x = 0.666H, r = 0.75R, x = H, r = 0.75R ( ); at two points with coordinates - x 0 = 0, r = 0.75R; x = 0.5H r = 0.75R ( ); and calculated by analogue formulas ( ) and prototype ( ) (R = 2.5 mm, H = 1.2 mm). The error by analogue and prototype is in the range from -40% to -60% and from -40% to 20%. The error according to the claimed method, depending on the number of points used, varies from ± 0.5% to ± 2%. An increase in the accuracy of determining the heat flux was achieved by reducing the dynamic error and taking into account the influence of convective heat transfer on the side surface. The invention is illustrated by drawings, which depict:
На фиг.1 - график изменения во времени плотности теплового потока, действующего на поверхности тепломера (сплошная тонкая линия), и значения, рассчитанные по формуле заявляемого способа (символы), и по прототипу (полужирная линия).Figure 1 is a graph of the time variation of the density of the heat flux acting on the surface of the heat meter (solid thin line), and the values calculated by the formula of the proposed method (symbols), and by the prototype (bold line).
На фиг.2 - погрешности определения теплового потока, рассчитанные по формуле заявленного способа с различным количеством точек, по формулам аналога () и прототипа ().Figure 2 - error in determining the heat flux calculated by the formula of the claimed method with a different number of points, by the formulas of the analogue ( ) and prototype ( )
На фиг.3 - пример реализации заявленного способа.Figure 3 is an example implementation of the inventive method.
Устройство, реализующее заявленный способ, состоит из тепломера 1 в виде цилиндра с радиусом основания R и устройства для обработки аналоговых сигналов. В нем использована приближенная формула определения повторного интеграла по двум точкам, одна из которых находится в среднем сечении, и которая является точной для параболического распределения температуры по толщине тепломера. В тепломере установлены: дифференциальная термопара 2 и термобатарея 3, рабочие спаи которых имеют координаты: х=0 r=0,75R, х=0,5Н r=0,75R, х=Н r=0,75R, измеряющие средние температуры по площади основания цилиндра в соответствующих сечениях тепломера по координате х. Устройство содержит: усилители термо-э.д.с. 4 и 5 для сигналов, пропорциональных соответственно разности температур и взвешенной суммы температур, дифференциатор 6, масштабирующий делитель напряжения 7 для получения сигнала, пропорционального величине поправки на теплообмен боковой поверхности
Данный способ прошел экспериментальные исследования на лабораторной установке и теоретические исследования на различных одно- и двухмерных моделях тепломеров методом имитационного моделирования При вычислении погрешности определения теплового потока были использованы результаты имитационного моделирования его измерения на двухмерной модели с дискретностью по координатам h=0,1 мм цилиндрического тепломера диаметром D=5 мм и толщиной H=1,2 мм, имеющего теплопроводность λ=0,3 Вт/(м·К) и температуропроводность а=1,5 м2/с. На боковой поверхности и противоположной принимающей были приняты граничные условия 3 рода с коэффициентом теплообмена соответственно α=50 Вт/(м2·К) и α=100 Вт/(м2·K).This method has undergone experimental studies in a laboratory setup and theoretical studies on various one-and two-dimensional models of heat meters by simulation method. To calculate the error in determining the heat flux, we used the results of simulation modeling of its measurement on a two-dimensional model with discreteness in the coordinates h = 0.1 mm of a cylindrical heat meter with a diameter of D = 5 mm and a thickness of H = 1.2 mm, having a thermal conductivity λ = 0.3 W / (m · K) and thermal diffusivity a = 1.5 m 2 / s. On the lateral surface and the opposite receiving, boundary conditions of the third kind were adopted with the heat transfer coefficient α = 50 W / (m 2 · K) and α = 100 W / (m 2 · K), respectively.
Claims (1)
где λ, С - теплопроводность и объемная теплоемкость материала тепломера;
Н, S, τ - толщина, площадь поперечного сечения тепломера и время;
pk - весовой коэффициент при средней скорости изменения температуры;
m+1 - количество сечений тепломера, в которых измеряется скорость изменения средней температуры:
where λ, C - thermal conductivity and volumetric heat capacity of the material of the heat meter;
H, S, τ - thickness, cross-sectional area of the heat meter and time;
p k - weight coefficient at an average rate of temperature change;
m + 1 - the number of sections of the heat meter, in which the rate of change of average temperature is measured:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154720/28A RU2551836C1 (en) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | Method for determining non-stationary heat flow |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154720/28A RU2551836C1 (en) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | Method for determining non-stationary heat flow |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2551836C1 true RU2551836C1 (en) | 2015-05-27 |
Family
ID=53294623
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013154720/28A RU2551836C1 (en) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | Method for determining non-stationary heat flow |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2551836C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2752396C1 (en) * | 2020-11-25 | 2021-07-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method for determining heat flux |
RU2787300C1 (en) * | 2022-05-17 | 2023-01-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Increasing the speed of measurement of non-stationary heat flux in time. |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU218483A1 (en) * | В. С. Казаков | METHOD OF MEASUREMENT OF AVERAGE OVER THE TIME OF UNSTEADY HEAT FLOWS VALUES | ||
SU1024751A1 (en) * | 1981-12-29 | 1983-06-23 | Донецкий Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Non=stationary thermal flux measuring method and device for application thereof |
SU1045011A1 (en) * | 1982-04-19 | 1983-09-30 | Донецкий Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Non-stationary thermal flux measuring method |
SU1686317A1 (en) * | 1989-01-04 | 1991-10-23 | Институт технической теплофизики АН УССР | Device for measuring nonstationary flow |
SU1728681A1 (en) * | 1990-04-24 | 1992-04-23 | Киевский Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции | Measure of non-stationary heat flux |
-
2013
- 2013-12-11 RU RU2013154720/28A patent/RU2551836C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU218483A1 (en) * | В. С. Казаков | METHOD OF MEASUREMENT OF AVERAGE OVER THE TIME OF UNSTEADY HEAT FLOWS VALUES | ||
SU1024751A1 (en) * | 1981-12-29 | 1983-06-23 | Донецкий Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Non=stationary thermal flux measuring method and device for application thereof |
SU1045011A1 (en) * | 1982-04-19 | 1983-09-30 | Донецкий Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт | Non-stationary thermal flux measuring method |
SU1686317A1 (en) * | 1989-01-04 | 1991-10-23 | Институт технической теплофизики АН УССР | Device for measuring nonstationary flow |
SU1728681A1 (en) * | 1990-04-24 | 1992-04-23 | Киевский Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции | Measure of non-stationary heat flux |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2752396C1 (en) * | 2020-11-25 | 2021-07-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method for determining heat flux |
RU2787300C1 (en) * | 2022-05-17 | 2023-01-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | Increasing the speed of measurement of non-stationary heat flux in time. |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Turkyilmazoglu | Determination of the correct range of physical parameters in the approximate analytical solutions of nonlinear equations using the Adomian decomposition method | |
Réveillet et al. | Simulations of changes to Glaciar Zongo, Bolivia (16 S), over the 21st century using a 3-D full-Stokes model and CMIP5 climate projections | |
CN104792435A (en) | Method for reconstructing nonuniform temperature field inside structure and based on transient-state thermal boundary inversion | |
Devi et al. | Prediction of depth averaged velocity and boundary shear distribution of a compound channel based on the mixing layer theory | |
RU2529664C1 (en) | Calorimeter of alternating temperature (versions) | |
CN107436208B (en) | A kind of fully analytical model modeling method of condenser type wall shear stress sensor probe | |
Sanchez et al. | Small-scale spectrum of a scalar field in water: The Batchelor and Kraichnan models | |
CN106706165A (en) | Method and device for measuring temperature | |
CN103940847A (en) | Anisotropy film heat conductivity testing method and device based on heat flux sensors | |
CN201858993U (en) | Device for measuring flow quantity of double-directional unstable fluid flow | |
CN109100051A (en) | The temperature correction and device of the dynamic response of temperature sensor | |
Kant et al. | Determination of surface heat flux distributions by using surface temperature measurements and applying inverse techniques | |
RU2551836C1 (en) | Method for determining non-stationary heat flow | |
CN203502367U (en) | Device for testing heat conductivity coefficient of material by transient plane heat source method | |
CN104913862B (en) | convective heat flow measuring method based on circular foil heat flow meter | |
CN104776942A (en) | Infrared thermal image-based industrial boiler surface radiation loss measurement method | |
Verboven et al. | Sensitivity of the food centre temperature with respect to the air velocity and the turbulence kinetic energy | |
Braam et al. | Similarity Relations for C_ T^ 2 CT 2 in the Unstable Atmospheric Surface Layer: Dependence on Regression Approach, Observation Height and Stability Range | |
Woodfield et al. | On estimating thermal diffusivity using analytical inverse solution for unsteady one-dimensional heat conduction | |
CN102095507B (en) | Method for measuring smaller cooling liquid temperature difference in thermal balance of internal combustion engine by jointed thermocouples | |
CN101055300B (en) | Resistance measuring method | |
RU2523090C1 (en) | Method of determining specific heat capacity of materials | |
Syarifuddin et al. | Rainfall Information System Using Geometry Algorithm on IoT Platform | |
RU2556290C1 (en) | Method of determination of thermophysical properties of solid materials | |
Chunli et al. | A numerical method on inverse determination of heat transfer coefficient based on thermographic temperature measurement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151212 |