RU2634508C1 - Method of experimental determination of surface heat-transfer coefficient and device for its implementation - Google Patents
Method of experimental determination of surface heat-transfer coefficient and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2634508C1 RU2634508C1 RU2016139219A RU2016139219A RU2634508C1 RU 2634508 C1 RU2634508 C1 RU 2634508C1 RU 2016139219 A RU2016139219 A RU 2016139219A RU 2016139219 A RU2016139219 A RU 2016139219A RU 2634508 C1 RU2634508 C1 RU 2634508C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- exchange surface
- heat exchange
- heat
- temperature
- cooling medium
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
- G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии измерения тепловых потоков между твердой поверхностью и текучей средой и может быть использовано в теплофизическом эксперименте при исследовании теплоотдачи.The invention relates to a technology for measuring heat fluxes between a solid surface and a fluid and can be used in a thermophysical experiment in the study of heat transfer.
Известен способ определения коэффициента теплоотдачи конвективно охлаждаемой детали (патент № 2220409, МПК G01M 15/00, заявл. 2001.11.21, опубл. 2003.12.27), в котором деталь помещают в расплав кристаллического вещества и при температуре кристаллизации последнего продувают охлаждающей средой и измеряют температуру детали. При продувке непосредственно в расплаве измеряют температуру наружной поверхности стенки детали, фиксируют время проведения измерения от момента начала продувки и для вычисления коэффициента теплоотдачи используют алгебраическое уравнение, которое является решением системы уравнений математической модели процесса затвердевания равновесного расплава на охлаждаемой стенке, а именно граничного условия третьего рода на охлаждаемой (внутренней) поверхности стенки, теплового баланса на границе затвердевания расплава (условие Стефана) и граничного условия четвертого рода на наружной поверхности стенки детали. Недостатком такого способа является то, что точность определения коэффициента теплоотдачи в значительной мере зависит от достоверности входящих в расчетную формулу теплофизических параметров кристаллического вещества, которые изменяются скачкообразно при фазовом переходе (кристаллизации). Измерение температуры стенки детали при этом возможно лишь с помощью контактных измерителей температуры, что приводит к искажению температурного поля, а коэффициенты теплоотдачи определяются только в зонах установки измерителей температуры.A known method for determining the heat transfer coefficient of a convectively cooled part (patent No. 2220409, IPC G01M 15/00, application. 2001.11.21, publ. 2003.12.27), in which the part is placed in a molten crystalline substance and at the crystallization temperature of the latter is purged with a cooling medium and measured temperature of the part. 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 from the moment the purge is started is recorded, and an algebraic equation is used to calculate the heat transfer coefficient, which is a solution of the equations of the mathematical model of the process of solidification of the equilibrium melt on the cooled wall, namely, the boundary condition of the third kind on the cooled (internal) surface of the wall, heat balance at the boundary of solidification of the melt (Stefan condition) and boundary conditions of the fourth kind on the outer surface of the wall of the part. The disadvantage of this method is that the accuracy of determining the heat transfer coefficient largely depends on the reliability of the thermophysical parameters of the crystalline substance included in the calculation formula, which change stepwise during a phase transition (crystallization). In this case, measuring the wall temperature of a part is possible only with the help of contact temperature meters, which leads to a distortion of the temperature field, and the heat transfer coefficients are determined only in the zones where the temperature meters are installed.
Из известных способов измерения теплового потока и устройств для его реализации наиболее близким по назначению и сущности к заявляемому является способ определения коэффициента теплоотдачи тела, обтекаемого потоком охлаждающей среды (Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник / Под общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1982), основанный на теории регулярного теплового режима. В этом способе тело, выполненное из изолятора, оснащают металлическими тепловыми вставками простой геометрической формы, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью и оснащенные измерителями температуры (термопарами). Тело, изолированное от потока жидкости или газа, перегревают по отношению к температуре потока. Далее тело приводят в контакт с потоком и измеряют темп его охлаждения. Коэффициент теплоотдачи определяют методом регулярного режима, основанным на равенстве изменения энтальпии нагретого тела и теплоты, рассеиваемой в обтекаемую телом среду посредством теплоотдачи. К недостаткам способа относится необходимость изолировать тело от потока жидкости и газа при создании перегрева тела относительно потока. При реализации способа для создания перегрева необходимо отдельное устройство (например, термошкаф). За время установки (монтажа) нагретого тела в поток жидкости или газа возможно появление неравномерности температурного поля тела и вставок, что влияет на неопределенность измерения коэффициента теплоотдачи. Кроме того, установка вставок в исследуемой детали искажает ее температурное поле, что наряду с наличием теплообмена между вставками и телом приводит к увеличению неопределенности при измерении коэффициентов теплоотдачи.Of the known methods for measuring the heat flux and devices for its implementation, the closest in purpose and essence to the claimed one is the method of determining the heat transfer coefficient of a body streamlined by a stream of cooling medium (Heat and mass transfer. Thermotechnical experiment. Handbook / Edited by V.A. Grigoriev and V. M. Zorina. - M.: Energoatomizdat, 1982), based on the theory of the regular thermal regime. In this method, a body made of an insulator is equipped with metal thermal inserts of simple geometric shape, made of materials with high thermal conductivity and equipped with temperature meters (thermocouples). A body isolated from a liquid or gas stream is overheated with respect to the temperature of the stream. Next, the body is brought into contact with the flow and the rate of its cooling is measured. The heat transfer coefficient is determined by the regular mode method, based on the equality of the change in the enthalpy of the heated body and the heat dissipated into the medium streamlined by the body through heat transfer. The disadvantages of the method include the need to isolate the body from the flow of liquid and gas when creating overheating of the body relative to the stream. When implementing the method, a separate device (for example, a heating cabinet) is required to create overheating. During the installation (installation) of a heated body in a liquid or gas stream, the non-uniformity of the temperature field of the body and inserts may occur, which affects the uncertainty of measuring the heat transfer coefficient. In addition, the installation of inserts in the investigated part distorts its temperature field, which, along with the presence of heat transfer between the inserts and the body, leads to an increase in uncertainty when measuring heat transfer coefficients.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении неопределенности измерения коэффициента теплоотдачи, снижении трудоемкости проведения опытов.The technical result, which the invention is directed to, is to reduce the uncertainty of measuring the heat transfer coefficient, reducing the complexity of the experiments.
Технический результат достигается тем, что в способе экспериментального определения коэффициента теплоотдачи теплообменной поверхности, выполненной из неэлектропроводного материала, включающем предварительный нагрев поверхности, затем в потоке охлаждающей среды фиксирование изменения во времени температуры поверхности и определение коэффициента теплоотдачи на границе поверхность - охлаждающая среда по методу регулярного теплового режима, новым является то, что теплообменную поверхность нагревают, пропуская электрический ток, достаточный для создания разности температуры между теплообменной поверхностью и потоком охлаждающей среды, через электропроводный слой, которым покрывают вышеупомянутую теплообменную поверхность, а фиксируют изменение температуры теплообменной поверхности по времени в потоке охлаждающей среды, пропуская через вышеупомянутый электропроводный слой ток малой величины, достаточный для работы его в режиме термометра сопротивления.The technical result is achieved by the fact that in the method of experimental determination of the heat transfer coefficient of a heat exchange surface made of non-conductive material, including preliminary heating of the surface, then, in the flow of the cooling medium, fixing the surface temperature change in time and determining the heat transfer coefficient at the surface-cooling medium boundary by the method of regular heat mode, it is new that the heat exchange surface is heated by passing an electric current to sufficient to create a temperature difference between the heat exchange surface and the flow of the cooling medium through the electrically conductive layer, which covers the aforementioned heat exchange surface, and record the temperature change of the heat exchange surface over time in the flow of the cooling medium, passing a small amount of current through the aforementioned electrically conductive layer sufficient to operate in resistance thermometer mode.
Технический результат достигается тем, что в теплообменной поверхности для реализации способа, выполненной из неэлектропроводного материала, содержащей нагреваемые элементы, по изменению температуры которых в потоке охлаждающей среды определяют коэффициент теплоотдачи, новым является то, что нагреваемые элементы представляют собой, по меньшей мере, один электропроводный участок тонкой фольги из металла с высоким температурным коэффициентом сопротивления, нанесенный на теплообменную поверхность и подключенный к источнику питания с возможностью регулирования величины тока, которая в режиме нагрева имеет значение, достаточное для создания разности температуры между теплообменной поверхностью и потоком охлаждающей среды, а в режиме измерения температуры - значение, при котором электропроводный участок работает в режиме термометра сопротивления.The technical result is achieved in that in a heat exchange surface for implementing a method made of a non-conductive material containing heated elements, the heat transfer coefficient is determined by changing the temperature of which in the flow of a cooling medium, the heated elements are at least one electrically conductive a portion of a thin metal foil with a high temperature coefficient of resistance deposited on a heat exchange surface and connected to a power source with the ability to control the current value, which in the heating mode has a value sufficient to create a temperature difference between the heat exchange surface and the flow of the cooling medium, and in the temperature measurement mode, the value at which the electrically conductive section operates in the resistance thermometer mode.
В каждом электропроводном участке методом травления выполнены зигзагообразные дорожки, подключенные к источнику питания.In each electrically conductive section, the zigzag paths connected to a power source are made by etching.
На противоположной стороне теплообменной поверхности выполнены симметричные электропроводные участки, при этом вышеупомянутые электропроводные участки с обеих сторон теплообменной поверхности соединены между собой последовательно при помощи сквозных клипс.Symmetrical electrically conductive sections are made on the opposite side of the heat exchange surface, while the aforementioned electrically conductive sections on both sides of the heat exchange surface are connected to each other in series using through clips.
На фиг. 1 представлена теплообменная поверхность с электропроводным слоем.In FIG. 1 shows a heat exchange surface with an electrically conductive layer.
На фиг. 2 - теплообменная поверхность с участками, покрытыми электропроводным слоем.In FIG. 2 - heat exchange surface with areas covered by an electrically conductive layer.
На фиг. 3 - схема подключения участков электропроводного слоя к источнику питания.In FIG. 3 is a diagram of connecting sections of the electrical conductive layer to a power source.
Позиции на фигурах: 1 - теплообменная поверхность (пластина); 2 - участки электропроводного слоя (тонкая металлическая фольга в форме зигзагообразных дорожек); 3 - разъемы на периферийной, не участвующей в обдуве охлаждающей средой части теплообменной поверхности; 4 - выводы на периферийную часть пластины; 5 - сквозные прорези в пластине между соседними участками электропроводного слоя.Positions in the figures: 1 - heat transfer surface (plate); 2 - sections of the electrically conductive layer (thin metal foil in the form of zigzag tracks); 3 - connectors on the peripheral part of the heat exchange surface not participating in the cooling medium blowing; 4 - conclusions on the peripheral part of the plate; 5 - through slots in the plate between adjacent sections of the conductive layer.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что для экспериментального определения коэффициента теплоотдачи на границе текучая среда - твердая поверхность выполняется предварительный нагрев теплообменной поверхности 1 (фиг. 1), выполненной из неэлектропроводного материала, при пропускании тока большой величины через электропроводный слой 2 - тонкую металлическую фольгу (фиг. 1) с высоким температурным коэффициентом сопротивления, наклеенную на эту поверхность. Затем в потоке охлаждающей среды измеряется темп охлаждения теплообменной поверхности 1, для чего через фольгу 2 пропускается ток минимальной величины, достаточной для измерения ее электрического сопротивления, по величине которого и по известному значению температурного коэффициента сопротивления материала фольги определяется температура поверхности. Коэффициент теплоотдачи определяется по темпу охлаждения теплообменной поверхности 1 методом регулярного режима.The essence of the proposed method lies in the fact that for the experimental determination of the heat transfer coefficient at the boundary between the fluid and the solid surface, the heat exchange surface 1 (Fig. 1), made of non-conductive material, is preheated while passing a large current through the
В основе метода регулярного режима, используемого для измерения коэффициента теплоотдачи на границе стенка - охлаждающая среда, лежит равенство изменения энтальпии нагретой поверхности и теплоты, рассеиваемой посредством теплоотдачи в обтекаемую пластину среду:The regular mode method used to measure the heat transfer coefficient at the wall – cooling medium interface is based on the equality of the change in the enthalpy of the heated surface and the heat dissipated by heat transfer into the streamlined medium:
dθ/dτ=-θFα/Wρc,dθ / dτ = -θFα / Wρc,
где θ=t-tf - разность температур пластины и потока; t - температура стенки; tf - температура потока; F - площадь контактной поверхности; W - объем нагретой теплообменной поверхности; ρ и c - плотность материала теплообменной поверхности и ее теплоемкость; τ - время.where θ = tt f is the temperature difference between the plate and the flow; t is the wall temperature; t f is the flow temperature; F is the contact surface area; W is the volume of the heated heat exchange surface; ρ and c are the density of the material of the heat exchange surface and its heat capacity; τ is the time.
Устройство для реализации заявляемого способа экспериментального определения коэффициента теплоотдачи поверхности содержит теплообменную поверхность 1 (фиг. 2), выполненную из неэлектропроводного материала с низким коэффициентом теплопроводности, на поверхность которой нанесен электропроводный слой 2 (тонкая медная фольга). Чтобы обеспечить достаточно большое сопротивление участка медной фольги 2, используемого в качестве термометра сопротивления при измерении темпа охлаждения теплообменной поверхности 1, в фольге 2 методом травления сформированы зигзагообразные дорожки. Допускается разбиение теплообменной поверхности 1 на несколько участков (фиг. 2), что позволяет измерять средние значения коэффициента теплоотдачи на каждом из участков. В этом случае дорожки каждого участка соединены последовательно, и каждый участок имеет заканчивающиеся разъемами 3 выводы 4 на периферийную (не участвующую в обдуве охлаждающей средой) часть теплообменной поверхности 1 (за границы ее рабочего участка). Для снижения перетекания тепла между соседними участками теплообменной поверхности 1 они могут быть разделены сквозными прорезями 5, которые заклеены тонкой пленкой. Аналогичные прорези отделяют участки теплообменной поверхности 1 от ее периферийной части. Нерабочая поверхность теплообменной поверхности 1 тщательно теплоизолируется. Возможен вариант изготовления теплообменной поверхности 1, в которой на ее обеих сторонах симметрично выполнены одинаковые дорожки из медной фольги 2 (одинаковые участки с дорожками из медной фольги). В этом варианте дорожки каждого участка с обеих сторон теплообменной поверхности 1 соединены последовательно при помощи специальных сквозных клипс. Организуется симметричное обтекание теплообменной поверхности 1, при этом коэффициент теплоотдачи определяется по результатам изменения электрического сопротивления дорожек фольги 2 с обеих сторон теплообменной поверхности 1. При таком выполнении теплообменной поверхности 1 неучтенные тепловые утечки существенно ниже. Принципиальная схема подключения дорожек теплообменной поверхности 1 к источнику питания, обеспечивающая ее нагрев и измерение температуры, представлена на фиг. 3. Дорожки каждого участка теплообменной поверхности 1 на фигуре изображены в виде резисторов Rj. Нагрев выполняется при замкнутом положении ключа K. После окончания процесса нагрева ключ K размыкается, а подводимая от источника питания мощность снижается до величины, при которой дорожка каждого участка Ri теплообменной поверхности 1 работает в режиме термометра сопротивления. Контроль за величиной тока на режиме измерения выполняется по измеренному падению напряжения на прецизионном резисторе RK.A device for implementing the inventive method for experimental determination of the surface heat transfer coefficient comprises a heat exchange surface 1 (Fig. 2) made of a non-conductive material with a low coefficient of thermal conductivity, on the surface of which an conductive layer 2 (thin copper foil) is applied. In order to provide a sufficiently large resistance to the portion of the
Заявляемый способ и устройство для его реализации позволяет снизить неопределенность измерения коэффициента теплоотдачи за счет использования одних и тех же элементов для нагрева теплообменной поверхности и измерения ее температуры, а также исключения препарирования детали контактными датчиками температуры или калориметрическими вставками и снижения неучтенных утечек тепла при реализации симметричного обтекания исследуемой поверхности с двух сторон. Кроме того, заявляемое устройство позволяет снизить трудоемкость проведения опытов, т.к. нагрев осуществляется без переустановки объекта.The inventive method and device for its implementation allows to reduce the uncertainty of measuring the heat transfer coefficient by using the same elements to heat the heat exchange surface and measure its temperature, as well as eliminating the preparation of parts by contact temperature sensors or calorimetric inserts and reduce unaccounted for heat leaks when implementing symmetrical flow the investigated surface from two parties. In addition, the claimed device allows to reduce the complexity of the experiments, because heating is carried out without reinstalling the facility.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016139219A RU2634508C1 (en) | 2016-10-05 | 2016-10-05 | Method of experimental determination of surface heat-transfer coefficient and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016139219A RU2634508C1 (en) | 2016-10-05 | 2016-10-05 | Method of experimental determination of surface heat-transfer coefficient and device for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2634508C1 true RU2634508C1 (en) | 2017-10-31 |
Family
ID=60263663
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016139219A RU2634508C1 (en) | 2016-10-05 | 2016-10-05 | Method of experimental determination of surface heat-transfer coefficient and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2634508C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU155975A1 (en) * | ||||
JPH01124753A (en) * | 1987-01-28 | 1989-05-17 | Draegerwerk Ag | Combustible gas detection method and apparatus |
WO2002059588A1 (en) * | 2001-01-27 | 2002-08-01 | Robert Bosch Gmbh | Device and method for measuring a thermal conductivity |
RU2220409C2 (en) * | 2001-11-21 | 2003-12-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Procedure establishing convective heat transfer coefficient |
-
2016
- 2016-10-05 RU RU2016139219A patent/RU2634508C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU155975A1 (en) * | ||||
JPH01124753A (en) * | 1987-01-28 | 1989-05-17 | Draegerwerk Ag | Combustible gas detection method and apparatus |
WO2002059588A1 (en) * | 2001-01-27 | 2002-08-01 | Robert Bosch Gmbh | Device and method for measuring a thermal conductivity |
RU2220409C2 (en) * | 2001-11-21 | 2003-12-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Procedure establishing convective heat transfer coefficient |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4195935B2 (en) | Thermophysical property measuring method and apparatus | |
CN109490355A (en) | A kind of method of test device of thermal conductivity coefficient and heat conducting coefficient measuring | |
JP2015500490A (en) | Apparatus and method for measuring fluid mass flow | |
RU2634508C1 (en) | Method of experimental determination of surface heat-transfer coefficient and device for its implementation | |
JP7258272B2 (en) | Thermal conductivity measuring device, heating device, thermal conductivity measuring method, and quality assurance method | |
JP2007225612A (en) | Level sensor, its operation method, its manufacturing method, and its usage | |
CN114593835A (en) | Temperature acquisition assembly and electric arc wind tunnel flat plate test piece surface heat flux density measurement method | |
US2603089A (en) | Apparatus for measuring the rate of flow of particulate solids through vessels | |
JP6278083B1 (en) | Thermal conductivity measurement method and apparatus | |
JP2000304584A (en) | Microflow sensor | |
CN110376244B (en) | Heat conductivity coefficient measuring device | |
Yabuki et al. | Contribution of microlayer evaporation to bubble growth in pool saturated boiling of water | |
SU800845A1 (en) | Device for determining thermophysical characteristics of materials | |
RU2523090C1 (en) | Method of determining specific heat capacity of materials | |
JP2012154855A (en) | Physical quantity measuring device and physical quantity measuring method | |
JPS6050299B2 (en) | Thermal resistance measuring device | |
RU2556290C1 (en) | Method of determination of thermophysical properties of solid materials | |
RU2796300C2 (en) | Method for manufacturing plate heat exchanger and plate heat exchanger with thermocouples or measuring resistors | |
RU2170924C2 (en) | Method of determination of contact thermal resistances | |
SU1130785A1 (en) | Phase transition temperature determination device | |
JP2011017669A (en) | Temperature/heat flux measuring device, method of measuring temperature, and method of measuring heat flux | |
SU428260A1 (en) | ||
Siniti et al. | Heat transfer in a disc-type DSC apparatus: Part 6. Determination of the resistors and capacitors of a heat flux coupled cell DSC | |
SU949447A1 (en) | Method and device for measuring thermal physical characteristics | |
Yabuki et al. | MEMS SENSOR TECHNOLOGY AND THE MECHANISM OF ISOLATED BUBBLE NUCLEATE BOILING |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191006 |