Устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущейся средой

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ РАЗДЕЛА ФАЗ И ДВИЖУЩЕЙСЯ СРЕДОЙ, содержащее тепломеры , выполненные с идентичными поверхностями контакта с движущейся средой и закрепленные на температуровыравнивающей пластине, отличающееся тем, что,с целью расширения области применения за счет расширения класса исследуемых потоков, в устройство введен тепловой коллектор , а температуровыравнивающая пластина выполнена с выемкой, образую- . щей с поверхностью тепломера, на которой смонтирован тепловой коллектор , плоскую полость, заполненную средой с известной теплопроводностью, причем боковые поверхности полости теплоизолированы. 2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я-тем, что полость между тепломером и температуровыравнивающей пластиной секционирована фольгой, расположенной параллель-ф но температуровыравнивающей пластине , на расстоянии между соседними поверхностями, обеспечивающем соблюдение соотношения .1000, где G, критерий Гросгофа; Pf, - критерий Прандтля.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

gyI) 6 01 N 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ с

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3442005/18-25 (22) 19.05. 82 (46) 07.12,83. Бюл, 9 45 (72) O.À.Ãåðàùåíêî, Л.В.Декуша, T.Ã,Ãðèùåíêî и В.П.Сало (71) Институт технической теплофи- зики АН УССР (53) 536.24(088.8) (56) 1. Федоров В.Г. Теплометрия в пищевой промышленности. М., Пищевая промыаленность, 1974, с. 143.

2. Декуша Л.В., Грищенко Т.Г., Геращенко О.И. и Федоров В.Г. Промышленная теплотехника, 1981, 9 1, с. 21-28 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕ-

НИЯ ЛОКАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ TEIIJIOOTДАЧИ МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ РАЗДЕЛА ФАЗ

И ДВИЖУЩЕЙСЯ СРЕДОЙ содержащее тепломеры, выполненные с идентичными поверхностями контакта с движущейся средой и закрепленные на температуровыравнивающей пластине, о т л и ч а..Я0„„.1ЩЩЩ А ю щ е е с я тем, что,с целью расширения области применения за счет расширения класса исследуемых потоков, в устройство введен тепловой коллектор, а температуровыравнивающая пластина выполнена с выемкой, образую- . щей с поверхностью тепломера, на которой смонтирован тепловой коллектор, плоскую полость, заполйенную средой с известной теплопроводностью, причем боковые поверхности полости теплоизолированы.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что полость между тепломером и температуровыравнивающей пластиной секционирована фольгой, расположенной параллель- ф но температуровыравнивающей пластине, на расстоянии между соседними поверхностями, обеспечивающем соблюдение соотношения G P „ 4 1000 где G„ критерий Гросгофа;

P> — критерий Прандтля.

С2

ВЬ

1059494

ИзОбретение ОтнОсится к тепловым измерениям, а именно к исследованию параметров конвективного теплообмена между поверхностью раздела фаз и движущейся средой.

Известно устройство для определе- 5 ния локальных коэффициентов теплоотдачи, содержащее батарейный термоэлектрический тепломер для измерения плотности теплового потока и дифференциальную термопару для измерения разности температур между поверхностью тепломера и движущейся средой, причем тепломер устанавливают заподлицо с поверхностью теплообмена. Это устройство позволяет определять коэффициенты теплоотдачи прй любом направлении теплового потока (как от исследуемого объекта к движущейся среде, так и наоборот) при исследовании теплообмена тел различной формы. для рассчета коэффициен- 20 та теплоотдачи используют известную зависимость Ньютона-Рихмана (1 g.

Недостатком укаэанного устройства является низкая точность определения теплоотдачи, обусловленная погрешностями, возникающими при измерении разности температур из-за трудности определения места замера температуры движущейся среды.

Наиболее близким по технической 30 сущности к предлагаемому является устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела фаз и движущейся средой, содержащее тепломеры, вы-.35 полненные с идентичными поверхностями контакта с движущейся средой, закрепленные на температуровыравнивающей пластине, в основе которого лежит определение коэФфициента тепло- 40 отдачи по отношению приращения плотности теплового потока (1- g ) к разности температур (Т вЂ” .Т ) поверх1 2 ностей тепломеров (2).

Разность температур поверхностей тепломеров возникает в результате использования тепломеров с разными термическими сопротивлениями и и «к =к +дЯ

I 2 1

Определение малой разности темпе ратур (T, т2) в этом устройстве 50 осуществляют по показаниям тепломеров, измеряющих плотности теплового потока ч„, и с, прошедшего через них, и по значениям термических соп.ротивлений к „ и и, при условии, 55 что тепломеры смонтированы на изотермической поверхности температуровыравнивающей пластины с температурой То т,-.т2=(„-Ц (2 т,,)=(„) „,—, ())

Искомый коэффйциент тейлоотдачи находят по формуле

-!

1 ь@ — — -- —" . (zi

С /q -1 dR

B описываемой конструкции устройства в казачестве тепломеров использованы батарейные термоэлектрические преобразователи теплового потока, для которых плотность теплового потока q ;, пронизывающего тепломер, пропорциональна термо-э.д.с °, генерируемой термобатареей

g,=ê,.å,. (3) где К вЂ” коэффйциент преобразования, Подставив в формулу (2) соотношение (3), получим расчетную зависимость для устройства

1 1 к„е„/(к е /- аа р

1 1 КЕ /Е-1 a (4>

1/2 где К вЂ” постоянная устройства, если то

Из уравнения (4) следует, что тенломеры однотипны и их коэффициенты имеют одинаковую температурную зависимость, то постоянная устройства К не зависит от температуры.

При конструировании устройства одним из узловых моментов является выбор величин термических сопротивлений Р„, и Р2 . При выборе величин

R„N bR для обеспечения требуемого дйапазона измерения отношения ф„/<, должно соблюдаться условие

1 Й /Ьй)>0 . ) .. cpa яйк%,/%2-1 1 симально возможном в исследуемом процессе значении коэффициента теплоотдачи О(„„ „. При этом разность температур между поверхностями тепломеров (Т1-Т2) должна быть такой, чтобы коэффйциенты теплоотдачи для поверхностей обоих тепломеров были одинаковыми, а разность между тепловымй потоками ((, - (, ) должна быть на Пва порядка больше несинхронности флуктуации величин О,„ и < 2. Так как минимальное значение величины R„ определяется технологическими условиями изготовления тепломеров и величиной контактных термических сопротивлений в плоскости крепления тепломера с температуровыравнивающей пластиной, основной величиной, которой можно варьировать для удовлетворения вьиаеуказанных условий, является разность термических сопротивлений тепломеров лМ, от правильного выбора которой зависит корректность измерений. Поэтому устройства, выполненные для исследования теплоотдачи газов, зачастую некорректно испольэовать для исследования процессов теплоотдачи поверхности, омываемой жидкостями, и наоборот.

Ограниченность области применения является основным недостатком иэве1059494 стного устройства, который может быть устранен, если обеспечить вбзможность варьирования величиной Q,R. в зависимости от вида теплоносителя и пределов изменения коэффициентов теплоотдачи, Цель изобретения — расширение области применения за .счет определения локальных коэффициентов теплоотдачи в различных средах.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения локальных коэффициентов теплоотдачи между поверхностью раздела Фаэ и движущейся средой, содержащее тепломеры, выполненные с идентичными поверхностями контакта с движущейея средой и закрепленные на температуровыравнивающей пластине, дополни тельно содержит тепловой коллектор, а температуровыравнивающая пластина выполнена с выемкой, образующей с поверхностью тепломера, на которой смонтирован тепловой коллектор, плоскую полость, заполненную средой с известной теплопроводностью, причем боковые поверхности полости теплоизолированы.

Кроме того, полость между тепломером и температуровыравнивающей пластиной секционирована фольгой, расположенной параллельно температуровыравнивающей пластине на расстоянии между соседними поверхностями, обеспечивающем соотношения

С,„Р, с 1000.

На фиг. 1 показана первая модицикация устройства для определения локальных коэффициентов теплоотдачи; на фиг. 2 — то же, вторая модификация; на Фиг. 3 — индикатор теплопроводности движущейся средин на фиг. 4 — третья модификация устройства для исследования конвективнорадиационного теплообмена; на

Фиг. 5 — схема размещения Фольги в плоской полости; на фиг. б — номограмма для выбора требуемых значений величины йк; на фиг. 7 — градуировочная характеристика для случая заполнения плоской полости различными веществами.

Данное устройство может быть выполнено в нескольких модификациях.

Первая модификация устройства (Фиг. 1) содержит тепломеры 1 и 2, а также датчик 3 температуры (например термопару), смонтированный на поверхности тепломера 1, обращенный к движущейся среде. Тепломеры выполнены в одном теплометрическом блоке,. соединенном с температуравыравнивакщей пластиной 4, в которой выфреэерована выемка, расположенная под тепломером 2 и образующая с тепловым коллектором 5, установленйым на его поверхности, обращенной к темпе атуровыравнивающей пластине 4, плоскую полость| боковые поверхности которой теплоиэолированы профилированным вкладышем 6. В температуровыравнивающую пластину 4 вмонтированы штуцеры 7 и 8 с выходом их каналов в плоскую полость, заполняемую средой с известной теплопроводностью, Для упрощения технологии изготовления и повыаения точности определения величины (ф„/ g> — 1) тепломе5

10 ры 1 и 2 выполняют обычно идентичными по теплофизическим величинам ными по теплофиэическим характеристикам и.чувствительности. Для защиты тепломеров 1 и 2 и датчика 3 температуры от воздействия движущейся среды, а также для обеспечения идентичности характеристик их поверхностей,. омываемый движущейся средой (шероховатости, коэффициентов теплового излучения и поглощения), эти поверхности покрыты защитной пленкой или фольгой, секционированной для уменьшения теплоперетоков по ней. Для обеспечения одновременного поля температур тепломеры 1 и 2 окружены охранными зонами с теплофизическими характеристиками, равными теплофизическим характеристикам тепломеров, 30 Температуровыравнивающая пластина 4 из высокотеплопроводного материала обеспечивает равенство температур, что позволяет по известным термическим сопротивлениям тепломе35 ров 1 и 2 и дополнительного термического сопротивления ьЙ слоя среды, заполняющей полость, и измеренным плотностям тепловых потоков и q,2 определять разность темпера40 тур (Т„-Т<) между поверхностями тепломеров 1 и 2, омываемыми движущейся средой. Тепловой коллектор 5 обеспечивает постоянство отношения тепловых потоков, проходящих через

45 .термоэлектрады термобатарен тепламера 2 и через заполнитель между ними вне зависимости от теплопроводности среды, находящейся в плоской полости, а также обеспечивает изотермичность поверхности тепломера 2, обращенной к температуровыравнивающей пластине 4. Для предотвращения конвенции в плоской полости ее толщина, т.е ° зазор между тепловым коллектором 5 и температуровыравнивающей пластиной 4, выбирается при конструировании устройства таким, чтобы в процессе измерения при максимальных значениях перепада температур в слое среды, заполняющей полость, соблюда60 лось условие Крауссольда (G .Р . (- 1000), а боковые поверхностй йолости теплоизолированы.

В некоторых случаях в качестве среды, заполняющей полость, можно использовать рабочую среду (жидкость

1059494 или гаэ), теплообмен с которой исследуется ° При этом целесообразно применять вторую модификацию устройства (фиг. 2), в которой вместо одного из штуцеров в теплометрическом блоке. выполнено отверстие 9, через которое полость заполняется рабочей средой.

Если теплопроводность рабочей среды изменяется за время проведения исследований, тб для контроля этого изменения в комплект с предлагаемым устройством вводят индикатор теплопроводности движущейся среды (фиг. 3), работающий по принципу ., теплометрического моста, собранный из таких we элементов, что и предлагаемое устройство (фиг. 2), и отличающийся от мего тем, что вместо защитной пленки или фольги на поверхностях тепломеров 1 и 2 смонтирована дополнительная температуровыравнивающая пластина 10.

Применение индикатора теплопроводности (фиг, 3), размещаемого в непосредственной близости от заявляемого устройства, .позволяет получать информацию о локальных в пространстве и времени значениях коэффициента теплопроводности рабочей среды, теплообмен с которой исследуется.

Применительно к задачам исследо- З0 вания конвективно-радиационного теплообмена целесообразно испольэовать третью модификацию устройства (Фиг. 4), в которую, в отличие от первой и второй (Фиг. 1 и 2), допол. — 35 нительно введен тепломер 11, смонтированный в едином теплометрическом блоке тепломерами 1 и 2, установленный на общей с ними температуровыравнивающей пластине 4 и выполненный 40 с такими же как у имеющихся тепломеров 1 и 2 чувствительностью к термическим сопротивлением, но отличающийся от них тем, что его защитная пленка имеет другие значения коэффи- 45 циентов теплового излучения и поглощения, контрастные по сравнению с этими характеристиками для покрытий тепломеров 1 и 2.

Если для запОлнеиия Плоской Полссти используют преимущественно газовую среду, то для уменьшения теплообмена излучением и обеспечения преимущественно кондуктивного теплопереноса между тепловым коллектором 5 и температуровыравнивающей пластиной 4 полость выполняют секционированной металлической фольгой 12 (Фиг . 5), расположенной параллельно температуровыравнивающей пластине 4 и поверхности теплового коллектора 5фО разделяющей полость на щели, для которых соблюдено условие G„P> С 1000.

В этом случае поверхности теплового коллектора 5, температуровыравниваю-, щей пластины 4 и фольги 12 выполнены с малыми значениями коэФфициентов теплового излучения и поглощения.

Такое решение обеспечивает преимущественный теплообмен теплопроводностью в плоской полости. ,Пля определения параметров конвективного теплообмена с помощью предлагаемого устройства необходимо выбрать и обеспечить требуемое значение величины R; установить устройство на поверхности исследуемого объекта; а также измерить термоэ.д.с. и рассчитать по Формулам искомые величины.

Исходя из априорной информации о возможном диапазоне изменения коэффициентов теплоотдачи в исследуемом процессе теплообмена между поверхностью объекта и движущейся средой, о теплофиэических характеристиках среды и о предполагаемых режимах ее движения, выбирают требуемое значение величины аР, используя для этого обобщенную номограмму (фиг.б), удовлетворяющую требованиям, аналогичным вышеизложенным при описании прототипа. По выбранному значению величины hй, используя предварительно полученные градуировочные зависимости Я-« . (Л Т) и Р /ьР =f2(33 Т), определяют требуемое значейие коэффициента теплопроводности заполняющей полость среды Л . По значению Ë определяют вещество, которым необходимо заполнить полость для получения требуемого значения величины ЬЙ .

Заполняют полость выбранным веществом через штуцеры, которые после заполнения герметиэируют.

Если в качестве заполняющего вещества используется жидкость, то ее перед использованием необходимо деарировать, а при заполнении полости следить, чтобы иэ нее.были полностью удалены газовые пузыри..

Так как действительные значения теплопроводности вещества могут отличаться от справочных данных, то обычно перед установкой на исследуемый объект проверяют значения величин R>/ЬR и дЯ, размещая устройства между двумя изотермическими поверхностями с различной температурой.

При определении величин

R,уьа=(КЕ„уЕ -»- и

@Й = Р,, (КЕ /Е22- 1) используют значения величий К и R., определенные ра1) нее в градуировочных опытах.

После заполнения полости требуемым веществом устройство устанавливают эаподлицо с поверхностью исследуемого объекта в заранее подготовленное гйездо. Если установка устройства по каким-либо причинам затруднена, то его можно смонтировать непосредственно на поверхности исследуемого объекта, Но перед ним и после него по направлению движения

1059494

7

4 среды устанавливают специальные клинья, выполненные из высококачественного материала и служащие для уменьшения искажения гидродинамики набегающего потока среды и теплового потока.

Установив устройство на исследуемом объекте, подключают токосъемные провода тепломеров 1 и 2 и датчи ка 3 температуры к вторичной аппаратуре и измеряют термо-э.д.с., генерируемые первичными преобразователями, и определяют искомый коэффициент теплоотдачи.

При исследовании локального конвективного теплообмена кроме коэффициента теплоотдачи необходимо определять температуру среды Т, соответствующую измеренному значению коэффициента теплоотдачи и невозмуценный наличием устройства тепловой поток ),„ на поверхности исследуемо.го Объекта.

Устройство позволяет также определять плотность теплового потока на поверхности исследуемого объекта, невозмущенного наличием устройства, если дополнительно измерить температуру. поверхности объекта Т в точке, находящейся в одинаковых гидродинамических условиях с .устройством, при условии одинаковой температурной предыстории набегающего потока, по простой зависимости с),„=с),+d(T> — Т„) в которую входят только измеряемые непосредственно во время эксперимента величины. Таким образом, использование предлагаемого устройства в теплотехническом эксперименте при исследовании конвективного теплообмена позволяет довольно просто учитывать искажения плотности теплового потока, вносимые устройством при размещении его на поверхности раздела фаэ исследуемого объекта. на фиг. 7 приведена градуировочная характеристика одного из устройства для температурного интервала

30-40 С, полость которого заполнена. воздухом, трансформаторным маслом, глицерином и водой, из анализа которой следует, что в зависимости от исследуемого процесса, варьируя заполняющей полость средой,.можно получить оптимальные значения величины йй, благодаря чему расширяется область применения предлагаемого устройства.

Если теплопроводность рабочей среды известна и удовлетворяет По своей величине значению теплопроводности среды, необходимой для обеспечения требуемого значения ведичины j,R, то в этом случае может быть использована вторая модификация устройства (фиг . 2) применение которой упрощает подготовку эксперимента, так .как устранена необходимость компенсировать изменение давления и объемное расширение, заполняющего полость. вещества под действием темпе ратурных условий работы устройствЗ и изменения термодинамических пара5 метров движущейся рабочей среды.

Методика подготовки и проведения измерений со второй модификацией устройства аналогична описанной.

Если теплопроводность среды изменяется во времени при проведении исследований (например путем изменения состава или давления набегающей среды), то в комплект с предлагае-... мым устройствам вводят дополнительно индикатор теплопроводности движущейся среды (фиг . 3) . В этом случае его размещают в непосредственной близости от устройства на поверхности исследуемого объекта. При этом штуцер 8 устройства (фиг. 2) и штуцер 8 индикатора теплопроводности движущейся среды (фиг. 3) подсоединяют к единой соосной системе, с помощью которой периодически обновляют сре° ду в полостях устройства (фиг. 2) и индикатора (фиг ° 3) .

Измерение коэффициента теплопро- .. водности проводят при установившемся тепловом режиме в полости. Иско мый коэффициент теплопроводности.

ЗО движущейся среды находят по формуле М Т1

"се=" та -1 =Л В вЂ” "- 1 2 (2 2

35 где RT и R 2 — термические сопротивлеййя тепломеров 1 и 2 (фиг ° 3), образующие мостовую теплометрическую

-схему ц. и q, — тепловые потоки, 1 2 прошедшие через тепломеры 1 и 2

4О (фиг. 3) и измеренные ими;

Лpp — теплопроводность средыу

Ъ вЂ” толщина зазора в полости индикатора (фиг. 3);.

A и  — постоянные приборы, получен45 ные в градуировочных экспериментах со стандартными образцами.

Применение индикатора теплопроводности движущейся среды (фиг. 3) установленного в непосредственной

50 близости от основного устройства (фиг. 2), позволяет получать информацию о локальных в пространстве и времени значениях коэффициента теплопроводности среды, теплообмен с которой исследуется, эа счет чего повысить точность определения значений коэффициента теплоотдачи и обработки результатов в критериальной, фоРмь N4= (Р, Р„; 6г 1, так как г . - . (1 в чйсло М„= входит значение коэффициента теплопроводности средне

Для исследования конвективно-радиационного теплообмена применяют третью модификацию устройства (фиг.4), в которую дополнительно введен

1059494

/ тепломер 11, с коэффициентом теплового излучения поверхности, омываемой движущейся средой, з Ф6„ Ê2 и коэффициентом поглощения теплового излучения og g 41 = ю2

Подготовка к работе этой модификации устройства аналогична .описанной ранее для первой и второй моди. фикаций.

Рабочие формулы для определения искомых величин им мот следующий вид: для определения локального коэффициента теплоотдачи для определения величины плотности теплового потока падающего излучения, %-Ч

1+Й(аС+Е g(T+T>/(7 +T>)j)+

4 3

6-Е

3 бт

3 >

1 3 для определения температуры движущейся среды, соответствующей адиабатной температуре стенки

=г с) -0/ j 67„oL

Е„ где ), — плотность теплового потоЭ ка, измеренная тепломе- . ром ll; — постоянная Стефана-Больц3 мана.

Величина плотности теплового потока на поверхности исследуемого объекта q, неискаженная наличием на ней предлагаемого устройства, в этом случае может быть рассчитана, no зависимости (5) или Я), если известны коэффициенты а„ и Ez для

5 поверхности, а также измерена температура T в точке при условии, что она находится в одинаковых гидродинамических условиях с устройством, а тепловая предыстория набегающего

)0,ïîTîêà в зоне установки устройства и в точке замера температуры Т„ один ак о в а =ы(т -т ) -R„6T„(s) или „=ы т„-т /ay+(„-ö,/g -6(g т -р т ) /ь/ !

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства достигается путем обеспечения возможсности изменять величину аР более чем на два порядка, что позволяет .устанавливать практически любое значение величины разности температур (T -Т ) между поверхностями тепло1 2 меров, омываемых движущейся средой, легко корректировать ошибки, возникающие при задании оС„, „, и соответственно более корректно определять искомые величины.

Кроме того, предлагаемое устрой-, ство более универсально и может бытЬ использовано для исслед/бвания процессов конвективного теплообмена .без фазовых превращений практически при любых интенсивностях.

1059494

Вт АМ

17

1ЛУ

ВНИИПИ Заказ 9822/49 Тираж 873 Подписное

Филиал ППП "Патент", г,ужгород,ул.Проектная, 4