SU746210A1 - Способ измерени радиационной и конвективной составл ющих теплового потока - Google Patents

Description

Изобретение относится к тепловым измерениям и может найти применение в исследовательской и производственной практике для анализа радиационно-конвективной обета- 5 новки процессов сложного теплообмена.

Известен способ измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока с помощью двух К тепломеров, имеющих различные поглощательные способности тепловоспринимающих элементов [1].

При измерениях пренебрегают термическими сопротивлениями тепломеров,и полагают,что конвективные составляющие тепловых потоков для обоих датчиков одинаковы.Используя показания тепломеров и заранее определенные значения их поглощательных способностей, по известным соотношениям находят составляющие тепловых потоков. Однако вследствие того, что коэффициенты поглощения тепломеров отличаются, будут различными и температуры их тепловоспринимающих поверхностей, поэтому допущение о равенстве конвективных составляющих не всегда реализуется с достаточной степенью приближения, что приводит к погрешностям при определении составляющих теплового потока. Искажения 'результатов измерений особенно велики, когда температуры поверхностей тепломеров отличаются на величину, соизмеримую с температурным перепадом между поверхностью теплообмена и омывающей средой. В таких условиях конвективные составляющие для тепломеров с различными коэффициентами черноты могут отличаться не только по величине, но и по знаку.

Известен способ раздельного измерения составляющих теплового потока, основанный на использовании диатермической газовой завесы и заключающийся в двух последовательных измерениях' суммарного теплопоглощения в одном и том же месте поверхности теплообмена, причем один замер осуществляют с диатермической газовой завесой у тепловоспринимающей поверхности тепломера,а второй — с отключенной завесой.Обдув тепломера в режиме с диатермической завесой организуют таким образом, чтобы температура газов завесы была близкой к температуре тепловоспринимающей поверхности датчика. При этом пола3

I гают, что конвективная составляющая теплового потока становится равной нулю, либо относительно мала и может быть учтена, а радиационная составляющая остается такой же, как и в режиме без завесы [2] .

Недостатки способа измерения заключаются в том, что применение газовой завесы неизбежно вызывает изменение рабочей характеристики собственно тепломера и приводит к искажениям параметров среды, особенно при исследовании теплообмена в условиях ограниченного объема.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения радиацион-, ной и конвективной составляющих теплового потока, заключающийся в одновременном измерении суммарных тепловосприятий с помощью двух тепломеров с различными поглощательными способностями лучевоспринимающих поверхностей. В этом способе измерения разделение потоков на лучистую и конвекционную составляющие осуществляют по известным соотношениям с учетом предварительно измеренных значений чувствительности, коэффициентов черноты и термических сопротивлений тепломеров [3].

Недостатком способа является необходимость использования большого числа экспериментально измеряемых параметров, что значительно снижает точность измерения.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что-дополнительно измеряют суммарный тепловой поток, нагревая лучевоспринимающую поверхность одного из тепломеров до равенства их показаний, и по замеренной мощности подогрева, поглощательным способностям и показаниям тепломеров определяют составляющие теплового потока.

Уравнения теплового баланса для суммарных тепловых потоков плотностью q_n и q^, воспринимаемых тепломерами с коэффициентами поглощения лучевоспринимающих поверхностей а^ и а_г в режиме без дополнительного подогрева имеют вид

о.

^rn — конвективные составляющие тепловых потоков · к тепломерам;

- плотность падающего на лучевоспринимающие поверхности тепломеров излучения, причем a_<qt,=q_MH a^q_Q=

-соответственно радиационные состав^ ляющие тепловых потоков .Ввиду неравен60 ства температур лучевоспринимающих по· вёрхностей q_A / q^ Для режима равных тепловосприятий мут где (9) уравнения теплового баланса привид

Vwm. 1 Эг'Я-и'ОгЧ-п·’) > (²/

Р — плотность дополнительно подводимой ко второму тепломеру энергии, выделяемой в его резистивном нагревательном элементе для обеспечения ре-: жима равных тепловосприятий.

Для тепломеров с равными термическими сопротивлениями вследствие равенства суммарных тепловых потоков q,=q* и конвективных'составляющих q_KA=q*₂ справедливо соотношение °*4%=^ατ%⁺Ρ (5}

С учетом (1) и (3) выражения для радиационных (4) и конвективных составляющих (5) потоков для первого и второго тепломеров имеют вид η . q ,а_гр “м а₄-а_г/ π-λ-2.

(5)

Учитывая, что показания одного из тепломеров (первого) остаются неизменными в обоих режимах теплопоглощения, при определении составляющих теплового потока предложенным способом в большинстве случаев можно ограничиться измерениями только в режиме равных тепловосприятий. При этом практически более удобно поглощательную способность одного из 'Тепломеров выбрать одинаковой с поглощательной способностью поверхности исследуемого объекта, а поглощательную способность второго — по возможности более низкой, чтобы различие в коэффициентах поглощения было максимально. Однако в этом случае, когда приходится иметь дело с исследованием сложного теплообмена объекта с высокой отражательной способностью, например с металлическими поверхностями, целесообразно воспользоваться измерениями в обоих режимах обогрева, чтобы различия в коэффициентах поглощения между дополнительно обогреваемым и необогреваемым тепломерами было наибольшим, а погрешность измерения наименьшей.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока.

Устройство для осуществления способа состоит из двух идентичных по чувствительности и термическим сопротивлениям термоэлектрических тепломеров 1 и 2, смонтированных в вы•сокотеплопроводном корпусе 3. Чувствительными элементами в тепломе pax служат батарейные термоэлектри· ческие датчики теплового потока 4, представляющие собой вспомогательные стенки в виде плотного слоя и большого числа последовательно соединенных и ориентированных поперек тепломеров дифференциальных, термопар. Приемные поверхности тепломеров образуют эаформованные на датчиках заподлицо с поверхностью корпуса плоские нагревательные элементы. Последние выполнены в виде изолированных теплопроводных подложек 5 с равномерно распределенными пленочными резисторами 6 в форме меандра. Лучевоспринимающая поверхность тепломера 1 тщательно зачернена, а поверхность тепломера 2 покрыта фольгой или краской с высокой отражательной способностью.

В качестве вторичных приборов, предназначенных для снятия показаний тепломеров и осуществления контролируемого дополнительного обогра, измеряющего разностный сигнал между включенными встречно датчиками тепломеров 1 и 2.

Сравнительные испытания предложенного способа с известным показа5 ли, что точность измерения составляющих теплового потока в условиях свободной конвекции с излучением‘в 3-4 раза выше. Кроме того, благодаря полностью строгой операции разделения составляющих теплообмена, достига емой в режиме равных тепловосприятий, данный способ с успехом может быть использован в любых условиях слджного теплообмена, например, при испытаниях объектов новой техники в обстановке больших скоростей теплоносителя, когда известные ранее способы непременна, либо дают слишком большие погрешности.

²⁰

Claims (3)

1. Изобретение относитс  к тепловым измерени м и может найти применение в исследовательской и производственной практике дл  анализа радиационно-конвективной обстановки процессов сложного теплообмена . Известен способ измерени  радиационной и конвективной составл ющих теплового потока с помощью двух тепломеров, имеющих различные поглощательные способности тепловоспринимающих элементов 1. При измерени гс пренебрегбиот терм ческими сопротивлени ми тепломер.ов полагают,что конвективные составл ю щие тепловых потоков дл  обоих датч ков одинаковы.Использу  показани  т ломеров и заранее определенные значени  их поглощательных способностей , по известным соотношени м наход т составл ющие тепловых потоков Однако вследствие того, что коэффи циенты поглощени  тепломеров отличаютс , будут различными и темпера туры их тепловоспринимгиощих поверхностей/ поэтому допущение о равенстве конвективных соста вл ющих не всегда реализуетс  с достаточной степенью приближени ,- что приводит к погрешност м при определении составл ющих теплового потока. Искажени  результатов измерений особенно велики, когда температуры поверхностей тепломеров отличаютс  на величину, соизмеримую с температурным перепадом между поверхностью теплообмена и омывающей средой. В таких услови х конвективные составл ющие дл  тепломеров с различными коэффициентами черноты могут отличатьс  не только по величине, но и по знаку. Известен способ раздельного измерени  составл ющих теплового потока , основанный на использовании диатермической газовой завесы и заключающийс  в двух последовательных измерени х суммарного теплопоглощени  в одном и том же месте повер .хности теплообмена, причем один замер осуществл ют с диатермической газовой завесой у тепловоспринимаиощей поверхности тепломера,а второй - с отключенной завесой.Обдув тепломера в режиме d диатермической завесой организуют таким образом, чтобы температура газов завесы была близкой к температуре тепловоспринимающей .поверхности датчика. При этом полагают , что конвективна  составл юща  теплового потока становитс  равной нулю, либо относительно мала и может быть учтена, а радиационна  составл юща  остаетс  такой же, как и в режиме без завесы 2. Недостатки способа измерени  заключаютс  в том, что применение газовой завесы неизбежно вызывает изменение рабочей характеристики собственно тепломера и приводит к искажени м параметров среды, особенно при исследовании теплообмена в услови х ограниченного объема. Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ измерени  радиационной и конвективной составл ющих теплового потока, заключающийс  в одновременном измерении суммарных тепловоспри тий с помощью двух тепломеров с различными поглощательными способ Гост ми лучевоспринимающих поверхно тей.В этом способе измерени  раздел ние потоков на лучистую и конвекцио ную составл ющие осуществл ют по извecтны соотношени м с учетом предварительно измеренных значений чувствительности , коэффициентов черноты и термических сопротивлений тепломеров 3. Недостатком способа  вл етс  необ ходимость использовани  большого числа экспериментально измер емых параметров, что значительно снижает точность измерени . Цель изобретени  - повышение точ ности измерени . Поставленна  цель достигаетс  тем, ЧТО дополнительно измер ют суммарный тепловой поток, нагрева  луч воспринимающую поверхность одного из тепломеров до равенства их показаний , и по замеренной мощности по догрева, поглощательным способност м и показани м тепломеров определ ют составл ющие теплового лотока . Уравнени  теплового баланса дл  суммарных тепловых потоков плотностью д. и q , воспринимаемых тепломерами с коэффициентами поглощени  лучевоспринимающих поверхностей а, и а в режиме без дополнительного подогрева имеют вид гЯ-к..Чп -va , - конвективные составгде q и q, л ющие тепловых потоков -к тепломерам; с - плотность падающего на лучевоспринимающи поверхности тепломеров излучени , причем и a, qp, -соответственно радиационные составт л ющие тепловых потоков .Ввиду неравен- 65 ствительными ства температур лучевоспринимающих поверхностей q qj Дл  режима равных тепловоспри тий уравнени  теплового баланса примут вид Я-ГЯ-К. , () где Р - плотность дополнительно подводимой ко второму тепломеру энергии, выдел емой в его резистивном нагревательном элементе дл  обеспечени  режима равных тепловоспри тий. Дл  тепломеров с равными термическими сопротивлени ми вследствие равенства суммарных тепловых потоков и конвективных составл  ющих справедливо соотношение ( (} с учетом (1) и (3) выражени , дл  радиационных (4) и конвективных составл ющих (5) потоков дл  первого и второго тепломеров имеют вид а . Q -ОаР /ь) AidTj a -  - кл-(; Я-.; Яа-.; Я- (5} Учитыва , что показани  одного из тепломеров (первого) остаютс  неизменными в обоих режимах теплопоглощени , при определении составл ющих теплового потока предложенным способом в большинстве случаев можно ограничитьс  измерени ми только в режиме равных тепловоспри тий. При этом практически более удобно поглощательную способность одного из Тепломеров выбрать одинаковой с поглощательной способностью поверхнос исследуемого объекта, а поглоща:тельную способность второго - по возможности более низкой, чтобы различие в коэффициентах поглощений было максимально. Однако в этом случае, когда при-ходитс  иметь дело с исследованием сложного теплообмена объекта с высокой отражательной способностью , например с металлическими поверхност ми, целесообразно воспользоватьс  измерени ми в обоих режимах обогрева, чтобы различи  в коэффициентах поглощени  между дополнительно обогреваемым и необогреваемым тепломерами было наибольшим, а погрешность измерени  наименьшей. На чертеже представлено устройство дл  осуществлени  способа измерени  радиационной и конвективной составл ющих теплового потока. Устройство дл  осуществлени  способа состоит из двух идентичных по чувствительности и термическим сопротивлени м термоэлектрических тепломеров 1 и 2, смонтированных в высокотеплопроводном корпусе 3. Чувэлементами в тепломеpax служат батарейные термоэлектри ческие датчики теплового потока 4, представл ющие .собой вспомогательные стенки в виде плотного сло  и большого числа последовательно соединенных и ориентированных поперек тепломеров дифференциальных, термопа Приемные поверхности тепломеров образуют эаформованные на датчиках заподлицо с поверхностью корпуса плоские нагревательные элементы. Последние выполнены в виде изолированных теплопроводных подложек 5 с равномерно распределенными пленочными резисторами 6 в форме меандра. Лучевоспринимающа  поверхность тепломера 1 .тщательйо зачернена, а поверхность тепломера 2 покрыта фол гой или краской с высокой отражательной способностью. В качестве вторичных приборов, предназначенных дл  сн ти  показаний тепломеров и осуществлени  контролируемого дополнительного обогрева , используетс  стандартна  элек троизмерительна  аппаратура (регулируемый источник тока, нуль-гальванометр , потенциометр, ваттметр). Устройство закрепл ют на испытуемом участке поверхности исследуемого объекта, экспонируют в натурных услови х сложного теплообмена и в установившемс  тепловом со то нии снимают показани  датчиков, соответствующие суммарным тепловым потокам к тепломерам в режиме равных тепловоспри тий, достигаемом путем дополнительного подвода энергии к тепломеру с меньшим коэффициентом поглощени , а также в режиме с отключенным дополнительным подогревом . Электрические сигналы датчиков , соответствующие суммарным тепловым потокам к тепломерам, измер ют компенсационным методом. Операци уравнивани  подводимых к тепломерам тепловых потоков осуществл етс  путем контролируемого с помощью ваттм ра подвода энергии к резистивному нагревательному элементу 6 от регулируемого источника тока. Контрол равенства поглощаемых потоков достигаетс  либо по показани м тепломе ров, либо с помощью нуль-гальваноме ра, измер ющего разностный сигнал между включенными встречно датчиками тепломеров 1 и 2. Сравнительные испытани  предложенного способа с известным показали , что точность измерени  составл ющих теплового потока в услови х свободной конвекции с излучениемв 3-4 раза выше. Кроме того, благодар  полностью строгой операции разделени  составл ющих теплообмена, достигаемой в режиме равных тепловоспри тий , данный способ с успехом может быть использован в любых услови х слбжного теплообмена, например, при испытани х объектов новой техники в обстановке больших скоростей теплоносител , когда известные ранее способы непремениьш, либо дгиот слишком большие погрешности. Формула изобретени  Способ измерени  радиационной и конвективной составл ющих теплового потока, заключающийс  в одновременном измерении суммарных тепловоспри тий с помощью двух тепломеров с различными поглощательными способност ми лучевоспринимающих поверхностей, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени , доп олнительно измер ют суммарный тепловой поток, нагрева  лучевоспринимающую поверхность одного из тепломеров до равенства их показаний, и по замеренной мощности подогрева, поглбщательным способност м и показани м тепломеров определ ют составл ющие теплового потока. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Кого B.C. Исследование теплообмена в рабочем пространстве мартеновской печи.-Сталь, 1953, №3.
2. 2.Геращенко О.А. и др. Новые приборы дл  исследовани  свойств теплового излучени . Материалы Ш Всесоюзного Совещани  по лучистому теплообмену , Краснодар, 1975, с.107-116.
3. 3.Авторское свидетельство ССС 251872, кл. G 01 К 17/00, 1968 (прототип).

   746210