SU830156A1 - Датчик теплового потока - Google Patents

Description

(54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

1

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  высокоинтенсивных лучистых тепловых потоков в лазерной технике, каналах МГД-генераторов, камерах сгорани  высокофорсированных энергетических установок при их эксплуатации, наладке , регулировании теплового режима и дл  научно-исследовательских работ.

Известны одноэлементные устрой .ства дл  измерени  плотности интенсивных радиационных тепловых потоков с кондуктивным отводом тепла и вод ным охлаждением, состо щие из теплометрического элемента в виде медного или стального цилиндрического блока, в теле которого на различных уровн х по высоте установлены две термопары. Радиационный тепловой поток воспринимаетс  торцовой поверхностью цилиндрического теплометрического элемента, противоположный конецкоторого охлаждаетс  водой fl.

Такие устройства удовлетворительно используютс  при измерении плотности тепловых потоков в диапазоне (0,5-1)10 температурах

облучаемой поверхности 800-900 К, дальнейшее увеличение диапазона плотности тепловых потоков, измер емых таким датчиком, практически невозможно из-за малой эффективности охлаждени  измерительного блока. Это св зано с тем, что с увеличением плотности теплового потока выше указанного предела дл  сохранени 

0 конвективного режима охлаждени  теплометрического элемента жидкостью необходимо резко увеличивать давление хладагента вплоть до критических значений, при этом возмож5 но вскипание охлаждающей жидкости, что немедленно.приводит к разрушению датчика.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результа0 ту к изобретению  вл етс  датчик теплового потока, содержащий теплометрический элемент, выполненный в виде многослойной пластины, состо щей из тепловоспринимающей поверхности, эталонного элемента и основани , образующих дифференциальную термопару, измерительную термопару 2 .

Конвективное жидкостное охлаждение и отвод тепла от эталонного

элемента может обеспечить измерение датчиком теплового потока не выше б 10 Вт/м при температуре стенки до 1000 К. Это вызвано тем, что при более высоких плотност х теплового потока отвод тепла от эталонного элемента требует развитой поверхности теплообмена либо увеличени  давлени  охладител  до критических значен ий, что приводит к сложности и Громоздкости конструкции датчика и практической его нецелесообразности.

Цель изобретени  - расширение пределов измерени  потоков с большой плотностью и высокой температурой .

Цель достигаетс  тем, что в датчике теплового потока теплометрический элемент, состо щий из последвательно расположенных друг за другом пластин, выполн ющих функции тепловоспринимающей поверхности, эталонного элемента и основани , выполнен из спеченного пористого материала с проницаемой структурой, при этом основание теплометрическог элемента сообщено с трубопроводом подачи теплоносител , а на его боковую поверхность нанесена непроницаема  пленка.

Проницаемые пористые структуры или материалы - это твердые тела, содержащие в достаточно большом количестве пустоты, характерный размер которых мал сравнительно с характерным размером тела.

Теплометрический элемент датчика может быть изготовлен из проницаемых материалов, полученных методом прессовани  или прокатки с последующим спеканием из порошков с различной формой частиц. Наиболее распространенные проницаемые структуры изготавливаютс  из частиц . неправильной форг/пл (дендритные ) и сферической формы, волокон, а также-из мелко чеистых сеток. Дл  теплометрических элементов датчика теплового потока наиболее приемлимы проницаемые материалы , изготовленные из волокон никел  константана, хромел , алюмел  и других чистых металлов и сплавов. Выполнение теплометрического элемента проницаемым обеспечивает в нем птивоток тепловой энергии и теплоносител , и при этом существенно увеличиваетс  интенсивность теплообмена , что позвол ет снимать в предела теплометрического элемента практически всю падающую на его тепловоспринимающую поверхность энергию. Дл  обеспечени  посто нства расхода теплоносител  вдоль теплометрического элемента его бокова  поверхность должна быть непроницаема дл  теплоносител . Поскольку величина плотнозти теплового потока может претерпевать значительные изменени  во времени, необходимо измен ть количество теплоносител , пода ваемого к теплометрическому элементу , чтобы перепад теглператур на нем имел достаточно большую величину дл  удобства его измерени .

На чертеже представлена схема датчика теплового потока.

Тепловоспринимающа  поверхность 1 теплометрического элемента выполнена из спеченного пористого материала с проницаемой структурой и нанесена на эталонный элемент 2, также выполненный из проницаемых структур, но отличающихс  от первого своими термометрическими характеристиками . Эталонный элемент 2 соедин етс  с проницаемым основание 3 из того же материала, что и тепловоспринимающа  поверхность, при это его толщина должна быть такой, что теплоноситель на выходе из него имеет температуру, близкую к температуре проницаемого скелета. Внутри теплометрического элемента уложены электрод 4 из того же материала , что и Тепловоспринимающа  поверхность , и электрод 5, из материала эталонного элемента и изол ции , составл ющие термопару. Электрод 6 из того же материала, что и электрод 4, выведен от основани  3 и с электродом 5 образует вторую термопару. Бокова  наружна  поверхность теплометрического элемента покрыта непроницаемой пленкой 7. Дл  подачи теплоносител  к пористому основанию используетс  трубопровод 8, а его расход регулируетс  регул тором 9 расхода теплоносител , установленным на трубке.

Устройство устанавливаетс  в стеке исследуемого объекта заподлицо с его внутренней поверхностью. Лучистый тепловой поток, падающий на тепловоспринимающую поверхность 1, проходит через эталонный элемент 2 .и снимаетс  движущимс  навстречу ему через пористый массив потоком теплоносител , который от регул тора 9 по трубопроводу 8 подаетс  к проницаемому основанию 3 За счет чрезвычайно развитой поверхности теплообмена проницаемого эталонного элемента (дл  волокновых пористых материалов с диаметром волокон 0,1 мм и пористостью 40-70% удельна  поверхность составл ет 5, 7,5-10 см-) и интен- . сивного конвективного теплообмена между скелетом проницаемой структуры и теплоносителем, где в указанном материале коэффициенты теплообмена достигают значений пор дка 2 лоб ЗЮ Вт/м, температура теплоносител  на выходе из теплометрического элемента практически

равна температуре тепловоспринимающей поверхности. В зависимости от массового расхода теплоносител  через теплометрический элемент можно обеспечить теплосъем в устройстве падающих на тепловоспринимающую поверхность тепловых потоков до Ю - 10 Вт/м 2-при температуре тепловоспринимающей поверхности устройства 700-800°С и тем самым обеспечить измерение высокоинтенсивных лучистых тепловых потоков в указанных пределах. При прохождении тепловой энергии через эталонный элемент на его гран х возникает температурный перепгщ, в св зи с этим в местах, где размещены спаи термопар 4-5 и 5-6, температуры имеют различные значени , в то же врем  измер етс  массовый расход теплоносител  от регул тора расхода. По определенным перепаду температур на эталонном элементе, температуре t на тепловоспринимающей поверхности и массовому расходу теплоносител  через элемент вычисл етс  тепловой поток по формуле

g Gr-Cp{t - t;,)(j,{l) Л,, --Xr& C-t+e, (2)

где . Хд - коэффициенты теплопроводности соответственно теплоносител  и проницаемого скелета/

9 - пористость металла;

Ср - теплоемкость газа при посто нном давлении,

G - массова  скорость теплоносител , отнесенна  к полному сечению теплометрического элемента (бе.з учета пористое-Ь , Со,ср;л,

По измеренным температурам t и t на гран х эталонного элемента вычисл ютс  константы С и С Конструкци  предлагаемого датчика теплового потока позвол ет существенно увеличить пределы измерени  плотности лучистых тепловых потоков (до Ю - 10 Вт/м) при одновременном повьниении надежности его работы. Это существенно повышает надежность систем автоматическо0 го регулировани  высокоинтенсивных энергетических ус-тановок.

Claims (2)

1.Геращенко О.А. и др. Тепловые и температурные измерени . К.,

Наукова думка, 1965, с. 212.

2.Авторское свидетельство СССР

198731, кл.С 01 К 17/08, 1965 (прототип ).