Способ определения температуры потока жидкости или газа

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА , включающий измерение температурыразмещенного в стенке, ограничивающей контролируемый поток, тепловоспринимающего стержня с известными теплофизическими свойствами и с теплоизолированными боковой поверхностью и поверхностью торца, свободный торец которого установлен заподлицо с внутренней поверхностью стенки и находится в контакте с контролируемым потоком, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения его надежности за счет исключения ошибок установки датчика , температуру стержня измеряют в два фиксированных момента времени на его поверхности, омываемой потоком , а температуру потока определяют по формуле J -Ту,;С:)-Т,)УСТ;и)) -q(t«)/(V(C,,) где Т ( ц соответственно измеряемые температуры омываемой д поверхности в моменты времени Гц и } aCTu MOCt;..)- плотности, теплои т -и-м вого потбка,контактирующего с омываемой поверх-g ностью в э.т.и же моменты времени.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН 50 G 01 К 13/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABT0PCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ - ®.) l (...) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3328107/18-10 (22) 04.08.81 (46) 15.04.83. Бюл. Р 14 (72) Н.М.Цирельман (71) уфимский авиационный институт им.Орджоникидзе (53) 536.53$(088.8) (56) 1. Преображенский Б.П. Теплотехнические измерения и приборы.

М.. "Энергия", 1978, с.246, рис.б-4-2.

2. Авторское свидетельство СССР

9 384026 кл. 5 01 К 7/02, 1971. (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА; включающий измерение температуры размещенного в стенке, ограничивающей контролируемый поток, тепловоспринимающего стержня с известными теплофизическими свойствами и с теплоизолированными боковой поверхностью и поверхностью торца, свободный торец которого установлей заподлицо с внутренней поверхностью стенки и находится в контакте с контролируемым

„„su„„4 А потоком, отличающий сятем, что, с целью упрощения способа и повышения его надежности за счет исключения ошибок установки датчика, температуру стержня измеряют в два фиксированных момента времени на его поверхности, омываемой потоком, а температуру потока определяют по формуле

-Т вЂ” zÄ(T )-- Ò Ö, „)qr(z„)Q(<„ „)

Х + Т (С„)и T®(>- соответственно из

ПИ меряемые температуры омываемой, поверхности И в моменты времени Г и Хи+ ) Ц ф с) у „)и (- >- плотности теплового потбка кон- % тактирующего с омываемой поверх-Я ностью в эти же моменты времени.

1012046

Изобретение относится к теплофиэи. ческим измерениям и может быть использовано, например,для определения стационарной или нестационарной температуры потока жидкости или газа в различных промышленных и исследовательских установках. Известен способ изменения температуры потока включающий размещенные датчики. температуры в потоке и измерение его температуры 1).

Однако введение в исследуемый поток датчика температуры вносит возмущение в течение, искажает температурное поле может нарушить идущую в потоке химическую реакцию, снижа- 5 ет надежность и долговечность датчика.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения темпе- 20 ратуры газового потока, включающий измерение температуры размещенного в стенке, ограничивающей контролируемый поток, тепловоспринимающего стержня с известными теплофиэическими свойствами и с теплоизолирован25 ными боковой поверхностью и поверхностью торца, свободный торец которого установлен заподлицо с внутренней поверхностью стенки и находится в контакте с контролируемым потоком.

На оси стержня на фиксированных расстояниях расположено два термочувствительных элемента, с помощью которых измеряют два момента времени, соответствующие одинаковым по- 35 казаниям термочувствительных элементов и вычисляют температуру по известному соотношению распространения тепла в полуограниченном теле(2). 40

Недостатком известного способа является необходиМость размещеНия двух термопар на точно известных расстояниях друг от друга и от омываемой поверхности: возможность 45 измерения лишь стационарной температуры потока, незначительно отли- чающейся от начальной температуры стержня. В противном случае вследствие температурной зависимости теплофизических свойств материала стержня отклонение определяемой температуры потока по результатам измерений в стержне может быть весьма значительным.

Цель изобретения — упрощение 55 способа и повышение его надежности за счет исключения ошибок установки датчика.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу, включающему 60 измерение температуры размещенного в стенке, ограничивающей контролируемый поток тепловоспринимающего стержня с известными теплофиэическими свойствами и с теплоизолированными боковой поверхностью и поверхностью торца, свободный торец которого установлен эаподлицо с внутренней поверхностью стенки и находится в контакте с контролируемым потоком, температуру стержня измеряют в два фиксированных момента времени на его поверхности омываемой потоком, а температуру потока определяют по формуле .„Тж(си) ьж ) и)!Ф(Т +

"-9(è)/Ф (И+ ) где ((") и7 (q+ соответственно измеряемые температуры омываемой по-. верхности в моменты времени .и и, ;

qp„z q,р „ вЂ” плотности теплового потока, контактирующего с омываемой поверхностью в эти же моменты времени.

На фиг.1 изображено распределение температуры по толщине Д .тепловоспринимающего стержня при мысленном разбиении его на М слоев равной толщины b,Х каждый и указаны температуры на поверхности тела, обращенной к потоку с температурой -, и в центрах выделенных мысленно. слоев, т.е. указаны при условии теплоизоляции противоположной поверхности(ф =О).

На фиг.2 изображено сечение полой лопатки газовой турбины. При этом показаны обтекаемое потоком газа тело лопатки 1. тепловоспринимающий стержень 2, термодатчик 3 на обтекаемой газом поверхности, тепЯоизоляция 4 противоположной поверхности торца и теплоизоляция 5 боковой поверхности тепловоспринимающего стержня.

На фиг.З показано обтекаемое потоком газа тело лопатки 1, тепловоспринимающий стержень 2, термодатчик 3 на обтекаемой газом поверхности стержня теплоиэоляция 5 боковой поверхнос-, ти стержня 2 и термодатчик б на противоположной поверхности стержня, омываемой охлаждающим лопатку воздухом.

Теплоизоляция боковой поверхности тепловоспринимающего стержня позволяет считать распространение тепла в нем одномерным. Тогда, если мысленно разбить толщину Д . тепловоспринимающего стержня íà ftl слоев толщиной ЬХ каждый(аХ=б/м), то изменение во времени температурного поля в нем определяется из решения на каждом временном слое следующей системы алгебраических уравнений (полагая. что тепловоспринимающий стержень можб

101204б

3 но рассматривать как "вырезку" из пластины)"

gym < с )(Г;")

«л и+л «н . «+л «+л Xi г (7;+т„,) Т т

) где С u p. — объемная теплоемкость и коэффициент теилопроизводительности, 15 зависящие от температуры материала, выбираются из.таблиц теплофиэических свойств материалов 20

Т„- — известные температуры в точках тела на предшествующем. И -м временном слое (известны из расчета системы 25 уравнения) прн известной начальной температуре тела Т« — искомые температуры

1 центров слоев толщиной З0

b,5 каждый на временном слое (@+1), которые также находятся из решения системы уравнений.

Определяется еще и плотность теплового потока„ входящего в оюаюваеыую поверхность стержня со стороны контролируемого потока жидкости или газа в любой момент времени 1 от начала теплового контакта и омываемого 40 им тела (- ОЪЫ. ьЪН () для следующего момента времени 45 f плотность теплового потока в тело определяется как

-* ()

% и+1 (2) 50

При стацибнарности потока жидкости или газа и его температуры Ту (пока неизвестной ) можно записать также для указанных моментов .времени (3) с (с„,„) = А(т -т„...„>), где с(. - коэффициент конвективного теплообмена между потоком 60 и омываемой им поверхностью.

Разделив левые и правые части (ЗЯ и (4 )., получаем

9Жи)/ф(Х«лл)- (Т "ю (.«)) /(ТУ- -Г (м+л>) 65 откуда искомая температура потока такова.

Т (1 Ф н) Т(б лл) (5

" %«n)I Ф(и+ )

В формуле (5) Тч Щит(Тич) измеряемые в моменты времени „ и,+л, отстоящие друг от друга, напрймер, на временной слой ВС температуры поверхности стержня. обращенной к пото-ку с температурой Т, g(+3и ф(Г„,л. ), рассчитываемые на основании этих жа измерений по формулах (1) и (2) плотности теплового потока в омываемую поверхность стержня.

В том. случае. когда обе поверхности тепловоспринимающего стержня омываются потоками жидкости или газа, температуры Т,, и Т потоков у первой и второй поверхности аналогично описанному определяются как

Та (м)- «ч(%а+ л) Ф,(н) lй л%м)

" Я л («) /ф (Ги+л ) (6} а (%д- м (+л) 4 хССи) Й а. tg+<) . л-%in ) l .(г +,}

- В Формулах (6 ) и (7) Ъ.,(Си ) T (С л) г

"+" соответственно измеряемые в моменты времени 7 и отстоящие друг от друга.. например, на временной слой Ъ Г температуры одной поверхности стержня. обращенной к омывающему ее потоку с температурой Г и рассчитываемые на основании этйх измерений плотности теплово-. го потока в эту поверхность, в эти же моменты времени Ц, Г>лз, цр (Т„)Ты.(ц ) и@ (ЩЩс„. ) соответственно измеряемые в моменты времени Г и л+ ,отстоящие друг от друга, например, на временной слой дЯ. температуры второй поверхности стержня„ обращенной к омывающему ее потоку с температурой ТТу и рассчитываемые на основании этих измерений плотности теплового потока в эту поверхность в эти же моменты времени, н+1.

Способ осуществляется следующим образом.

В стенке 1 толщиной д канала (лопатки (фиг. 3) заподлицо с еевнутренней поверхностью выделяют, например, электроэрозией такой же толщины теплоизолированный с боковой говерхности 5 стержень 2; иммитирующий вырезку из пластины. На поверхности стержня, обращенной к потоку, устанавливают термодатчик- 3. Противоположную поверхность тегьлоизолируют.

Характеристики материала стержня, зависящие от температуры, «начальнуп температуру тела полагают известными. Пускают более теплый или более холодный, чем на.-вуальная темпе.1012046 Составитель Г.Мухина. =

Техред.М. Гергель Корректор A,Äýÿòêo

Редактор Т.Веселова

Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

Заказ 2747/50

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ратура тела, газ (жидкость) и на осциллографе пройз водят запись измерения во времени температуры Т <,(т) поверхности, обращенной к потоку. Ре-шая систему уравнений (g ), находят величины плотностей теплового потока, входящих в омываемую поверхность в моменты времени, отстоящие друг от друга на какой-то шаг (временной слой ), т.е. находят (," ) ),Щ и по формуле (5) определяют искомую температуру потока Т

Аналогично по формулам(б ) и (7) находят температуры потоков Tg„ и Т

Пример. Определяется температура газа, омывающего спинку дефлекторной лопатки.

В спинке лопатки толщиной 1,9 мм„ изготовленной из сплава ЖС-б с теплофизическими свойствами ) и Су в диапазоне 273 К (Т < T»D>

). =4 5 + 4, 39 Я - T Цу„/(к );

C f = 2 "18-10 + 3,24 10 T Дж/(м к), 6 5 з

Методом электроэрозии выделяют элементарный цилиндрик — тепловоспринимающий стержень диаметром б мм и толщиной 1,9 мм. При электроэрозии сохраняют перемычки, предохраняющие этот цилиндрик от выпадения из тела. В образовавшиеся при электроэрозии пазы заливают термоцемент (цилиндрик таким образом теплоизолирован от осталь ной части лопатки, при условии исключения слабых тепловых связей c остальной частью лопатки за счет перемычек). Противоположная омываемой-поверхность стержня, распространение тепла в котором одномерное и подчиняется закономерностям для пластины, теплоиэолирована также термоцементом.

Начальная температура материала тела Т = 293 К. Иэ газогенератора

10 пускается на решетку лопаток стационарный поток продуктов сгорания, чья температура подлежит определению.

В этот же момент времени включается запись показаний от хромель-алю-. 5 мелевой термопары, установленной на омываемой поверхности, на осциллографе Н-700.

По формуле(5 ) определяется температура потока с высокой точностью (+ 1,БЪ) е

Предлагаемое. изобретение позволяет увеличить надежность определения температуры эа счет исключения введения датчика температуры в поток, особенно при высоких скоростях и тем пературах, а также упростить определение температуры эа счет использования одного датчика. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет определять температуру в случае тепловой и газодинамической нестационарности потока, наличии в нем химической реакции, взвешенных частиц.