Способ определения коэффициента теплоотдачи и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к теплофизическим измерениям, а именно к измерениям коэффициента теплоотдачи при конвективном теплообмене. В способе о величине коэффициента теплоотдачи судят в соответствии с выведенной аналитической зависимостью по изменению величины сопротивления прополочного термосопротивления,обусловленного одновременным действием джоулевого тепловыделения и теплообмена с боковой поверхности, по отношению к его величине в изотермичном состоянии при температуре, равной температуре концов неизотермичной проволоки. Устройство для осуществления способа включает в себя измерительную схему, каркас 1 с окном 2 для прохода потока теплоносителя, в котором размещены последовательно соединенные проволочки, образующие первое термосопротивление 3. На сторонах держателя установлены витки второго термосопротивления 4 - дат4- чика температуры концов проволочек термосопротивления 3. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил. (Я

0® О1) (1) G 01 К 17/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4487565/1О (22) 28.09.88 (46) 30.04.91. Бюл. У 16 (71) Специальное конструкторское бюро "Теллур" с опытным производством Института физики АН АэССР (72) А.И.Грядунов (53) 536.46 (088.8) (56) Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М-Л.: Энергия, 1964.

Авторское свидетельство СССР

1 147004,. кл. G 01 К 17/20, 1961, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕПЛООТДАЧИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕ НИЯ (57) Изобретение относится к теплофизическим измерениям, а именно к измерениям коэффициента теппоотдачи при конвективном теплообмене. В способе о величине коэффициента теплоотдачи судят в r.ooòâå Tñòíèè с выведеннойй аналнтичес кой зависимостью по изменению вел"чины сопротивления проволочнorо термосопротнвления, обус— ловленного одновременным деиствнем джоулевого тепловыделения и теплообмена с боковой поверхности, по отн щению к его величине в изотермичном состоянии при температуре, равной температуре концов неизотермичной проволоки. Ус троне тво для ос уществления способа включает в себя измерительную схему, каркас 1 с oKHQM 2 для прохода потока теплоносителя, в котором размещены последовательно соединенные проволочки, образующие первое термосопротивление 3. На сторонах держатепя установлены витки второго термос<1противления 4 — ooa чика температуры концов проволочек термосопротивления 3. 2 с. и 1 з,п, ф-лы, 2 ил.

16 5854

Изобретение относится к теплофизическим измерениям, а именно к измерениям коэффициента теплоотдачи при конвективном теплообмене.

Цель изобретения — повышение точности и уменьшение постоянной времени измерений.

На фиг.1 изображена общая схема предлагаемого устройства: первое термосопротивление, размещенное в окне держателя, и второе дополнительное термосопротивление, витки которого установлены на противоположных сторонах каркаса, а также измерительная схема; на фиг.2 — участок каркаса, на котором установлены элементы. первого термосопротивления и витки второго термосопротивления (увеличено).

В состав устройства входят: каркас 1 в виде рамки с окном 2, на которой закреплено своими концами л«рвое проволочное термосолротивление 3, датчик температуры концов термосопротивления 3, выполненный также в виде второго проволочного термосопротивления 4, держатель 5 каркаса, резистивный мост 6> эталонные сопротивления 7 и 8, прецизионное переменное сопротивление 9, гальванометр 10, кнопка 11, амперметр 1". и вольтметр 13.

Конструктивное выполнение. каркасарамки зависит от конкретного термопреобразователя. В основном, окно для прохода потока теплоносителя ло размерам и форме совпадает с проходным сечением радиаторной системы термопреобразователя, в этом случае общее увеличение гидравлического сопротивления воздушного тракта лри измерениях (6 минимально.

На поверхность каркаса нанесен тонкий электроизолирующий слой, например, путем электрохимического анодирования, На параллельных противоположных сторонах каркаса установлены с выбранным шагом концы послелоллтельно соединенных проволочек, образующих первое термосопротивление 3, а сами проволочки размещены в окне

2 каркаса 1. В промежутки между к нцами проволок термосопротивленин 3 на, каждой стороне каркаса 1 намотаны витки с другим шагом проволок вгорсго термосопротивления 4 (фиг. 2), лри этом первое и второе термосолроти»ления изготавливаются иэ одной и тсй ж проволоки таким образом, чтобы лри намотке <олротинления К = R (<1 (Равенства значений R u R npu изготовлении из одинаковой проволоки нетрудно добиться с погрешностью, менее О, 17., Вследствие одинаковости параметроз используемой проволоки в обоих термосолротивлениях во всем температурном диапазоне выполняется равен(s) . (Р с тво R (T) = R (Т) . Каркас 1 снабжен держ-.òåëåì 5 для помещения чувствительного элемента в исследуемую часть потока.

В состав устройства входит также резистивный мост 6, в одно иэ плеч которого встроено второе термосопротивление 4, в других плечах моста 6 установлены эталонные сопротивления

1 и 8 раг лой величины т.е. R =R (о (2> т э 1 а также лрецизионное переменное сопротивление 9, например магазин сопротивлений типа P-33, позволяющий устанавливать сопротивление R в диапазоне 0-10 Ом с точностью+О,1 Ом, РР в диаг наль моста встроены гальваноме гр 10 и кнопка 11.

В цели питания первого солротивления 3 ус . ановлены также прецизионные амлерме rp 12 и высокоомный вольтметр 13.

Суть предлагаемого способа определения коэффициента теплоотдачи .водится к следующему.

20

30

При прохождении электрического тока через проволоку, концы которой име.от одинаковые температуры, а боковая поверхность находится в теллообмеле с внешней средой с коэффициентом теллоотдачи OC в проволоке устанавливается стационарное неиэотермичное вдоль длины температурное поле. В свою очередь, вследствие зависимости удельного сопротивления от температуры это определяет изме" ление сопротивления проволоки в неизэтермичном состоянии R относительлс, изатермичного состояния при температуре, равной Т < (R (Т1)).

Величина изменения сопротивления вмес55 т с температурой концов проволоки

I устанавливающиеся лрн данной интенсивнос ти те лл ообме на, и являются теми параметрами, экспериментальное нахождение которых, в свою очередь, 1645854 однозначно определяет и определяемое значение р, Рассмотрим дифференциальное уравнение стационарной теплопроводности в проволоке с известным температурным коэффициентом сопротивления / через которую проходит электрический ток, а иа боковой поверхности совершается теплообмен, определяемый коэффициентом

d2Т(х) gP

------ — -- (Т(х) -Т ) +

dx с 2

+ ---, P(T ) (1+/(T(xj-Т )) = P, (1) Решение уравнения (1) при граничных условия X

Т(х)1 Т и Т(х), =- Т

1М х=Е имеет вид

1 х

Т(х) = -- + (Т вЂ” --) (------ +

Кг К 1(

-и е

+ ----- ) е +1 сЕ (2) где

0 РТ

Qs (х Р к =---p

I 0(Ò ) — (1 — ЯT ) (3} ду

1 / 1 х

Р(т, ) (4)

Я $2

В свою очередь это обусловливает изменение сопротивления проволоки по сравнению с ее сопротивлением в изо— термичнои состоянии (R (T )) при температуре Т, которое становится равным R

R = R(T )(1 -PT +

> е

J T(x)dx.

1 (5)

О Е

Так как — Т(х)dx = T — средCP ияя по длине температура проволоки, то иэ (5) следует, что

R„= К(т )(1-P(T,-Т, )). (5) Таким образом, вследствие пропускания тоха и осуществления теплообмена проволока, на концах которой поддерживаются одинаковые температуры

Т1, становится неизотермичной и pac— пределение температуры вдоль ее длины описывается уравнением (2).

Очевидно, при одной и той же силе тока, пропускаемого через проволоку, Тер и величина R зависит от интенсивности теплообмена, т.е ° по отношению величин R u R (Т,), где Т 1 — температура концов неизотермичной проволоки, можно судить о коэффициенте теплоотдачи, Используя уравнение (2), можно получить

; (. 1

1

T(x)dx = -- + -- (Т

К К)

Kll

15; ) СЬ

К 2 (6)

Применяя, например, средства ЭВМ, можно, исходя иэ уравнений (5) и (6) и используя результаты экспериМ ме. талы:ых измерений Т, Т,, R (T ), R, а также данные по геометрическим

А и теплофизическим характеристикам проволоки, п(лучить определенную информацию о ееличине б(, . Учитывая, 25 однако, сложность аналитического вида выражения (6), для получения явной зависимости (. о г экспериментально измеряемых параметров была проведена совокупи<. ть математических 3p преобразований, о .зовывакщихся в первук очередь на применении разложения в ряд Тейлора по степеням параметра

IdR.(T,) " д I>P(T )

35 (7)

Оценим величину параметра у:

2 10 им 2 10 ик = 4,3 ° 10 К

-К

Т, = 300 К, Р (300 К1 1,7 1000м м.

40 Значения допускаемой величины силы тока I 0> через проволоку зависят от диаметра d и интенсивности теплообмена оо. При d = 0,02 ии экспериментально выявлено, что при эна45 R(- HHRx 11(4, определяющих интенсивность конвективного теплообиена,обусловленного потоком воздуха и находящихся в интервале 10-200 Вт.м -К наблюдается следующее электрическое с оотве тс твие:

I 4в„(A) = КО((Вт м " K ) „

-4 где К = 1-15 10

-1 т. е. например, при 30 Вт и - К

Трььа и 5 10 А.

Учитывая указанные данные, нетрудно получить оценку величины параметра у:

1645854

10 (8) (ч) "

8 1-2 у 2 (10) 20

Показано, что

CP(0) = Т,-Т, (О) = О (О) = 1

У(О) = ——

45 (1S) (18) откуда по написать: (П

R» (-------- 11

К(1,) 1 7 ° 10 ° 25- 1(Г у (4 4 3.10 -2 — --- — — - у)

30 9,86-8 ° 10

W (3-10 ) «5,5. 10

-3 1I

Таким образом, вполне справедливым является пренебрежение третьим членом в разложениях в ряды Тейлора по степеням у.

Показано, что выражение (5) можно привести к виду

К(Т, ) °

- (— - — — 1) =q(y) (17(у)

2 где Т Т,+,y2

Ц7 (у)

1 у2

Для металлов с большой точностью справедлив закон Видемана-Франца 25

3 = —, Т,, (12) где е — заряд электрона, е = 1, 6 х

%10 Кл, К вЂ” постоянная Больцмана, К = 1,38.10,",ж К

Подставляя (12) в (11), получим выражение для коэффициента В:

В = - IR (Т ) — -- °

2 = 1 К Т, 35

Применяя разложение соотношения (8) в ряд Тейлора по степеням у, можно получить: — (— — — — — 1) = q(3) +(o) +

1 В»

Р, К(Т, )

+ (Ч) (О) y(o) (o) y (О) )у. (14) 50

С учетом (14) и (15) получаем:

1 R» (Т ) 1 В (1) = (Т -Т )(1 — ) (16)

Ис поль з уя выражения (7) и (1 3) и ралее решая соотношения Относитель- 55 но, получаем:

К2 „(3(Т,)

К = —, — — --.— (— — -) (17). е2 Г1R (1, ) Ь(>

Таким образом, осуществлено получение расчетной формулы для определения t6. Здесь = S оьм

Используя значения К и е, можно получить

К2 1 382 - 461 38

4 —; = 4 -r — ° 1О е2 1,62

2 9756 ° 10 3 ° 10

-8 К Кг е май

Чж2

Вследствие того, что значения К и е постоянны, то из этих соображений и взят с погрешностью не более

1Х коэффициент 3 ° 10 8, который применяется, когда все величины, входящие в формулу, измеряются в системе СИ.

Для измерения коэффициента теплоотдачи в предлагаемом техническом решении осуществляют нагрев проволочного термосопротивления путем пропускания через него тока и измеряют

R при одинаковых температурах его

l%t

КОНЦОВ.

При использовании одной проволочки приходится сталкиваться со сложной задачей измерения малых сопротивлений, что сопряжено обычно со значительными погрешностями. Если использовать п проволочек одинаковых длины и диаметра, электрически последовательно соединенных между собой, (т.е. сплошную проволоку, и раз проходящую в окне держателя между его сторонами), температуры концов которых поддерживаются на одном и том же уровне путем установки с электрической изоляции на сторонах изотермического держателя, то общее сопротивление проволоки несложно довести до значений в сотни

Ом и существенно поднять общую точность измерений.

При последовательном соединении п проволочек одинаковой длины 1,, через которые пропускают ток, а концы поддерживают при температурах Т4, имеем:

<) й

R = nR = nR (1- (3Т + р Р;

+ —; Т(х) dx), li о аналогии с (13) можно

1645854

Kli

th ---)

2 х(1

Kl i (19) При этом

oP1 (т T+)+I R (T ) (i) 5 !

)(Pl i — P IR (Т ) т,-т, + — у у

I2R (т,) 12R (т,)

2 () где у -/3 -- —— р P1 i (ф„РI

К) i . 11 z

Âä (21) 15 (20)

25 (23) К

2п

-в Т4 В(Т,) г 1р(=3 10 n ---------- (-----) p» м 1 J

s„,R (ò,) ьр (24) Таким образом, ко отдачи определяют в со6е по формуле: эффицие нт те плопредлагаемом спо40

Д Тю

М,= 3 1О и .Ов

1(т,) 2 Г х (----- ) Вт ° м - К

bP = ((т,) -P np (25) и R=-R.(т ) а,„=

) к(т)(т, т)

Р (Т,) — температурный коэффициент сопротивления материала проволоки при — l температуре, близкой к Т, К

R (Т )R — сопротивления проволо1 ки, соответственно иэотермичной при температуре Т1 и неиЭотермичной вследствие пропус кания тока и ос ущес твления теплоотвода при температурах концов, равных Т, Ом; (24)

45 (26)

Так как, при 1 t = const ! (1! п

Й К

К (Т )

I то, решая полученное соотношение относительно ф, получаем для c .ëó÷àÿ п проволок одинаковой длины:

Т и т - соответственно темперас туры внешней среды и концов проволоки, К;

Ятв — теплообменная поверхность проволоки, M z, ОБ где 1 — длина, м, P - периметр сечения, м, n — число последовательно соединенных проволок одинаковой длины, общая длина которых составляет 1, Проведение измерений с помощью предлагаемого устройства согласно предлагаемому способу осуществляют следующим образом.

Предварительно осуществляют установление градуировочных зависимостей R (Т) и R (Т) в заданном температурном интервале, Размещают каркас 1 в потоке теплоносителя таким образом, чтобы на— правление вектора скорости потока теплоносителя с плоскостью окна 2

xnðêàñ а 1 с оставляло углы, близкие к прямому и производят с помощью моста 6 измерение величины R (Т ), И) при помощи кото",ой нз основании ранее установленной градуировочной кривой

К (Т) определяют температуру внеш(2) ней среды Тс . Затем подключают первое т рмосопротивление 3 к источнику питания и осуществляют измерение

R по закону Ома.

U е где U и 1 — соответственно показания вольтметра (В) и амперметра (А).

Балансируя мост 6 при помощи переменного сопротивления 9, удостоверяются с помощью гальванометра 10 и кнопки в отсутствии тока через диагональ моста 6. В этом случае имеем:

R (Тi) Rien

<й

R „R,", О) (2)

Из равенства R и Р -„, следует: . (г)

R (T ) = Rnyp т.е. величина R « (Т!) определяется с весьма высокой точностью. Одновременно, с помощью этого измерения определяется на основании градуировочной кривой R((Т) значение Т, Так как К (Т ) = R (Т,!), то все вели(tl Ю!

64585

l2 чины, необходимые для определения, оказываются измеренными, Предлагаемое устройство имеет постоянную времени, не превышающую 24 с, и поэтому может использоваться для определения 04 при изменяющейся интенсивности теплообмена, Если в процессе измерений изменяется температура потока, то целесообразно испольэовать отдельный датчик внешней температуры, Погрешность экспериментального изменения ф определяется погрешностью измерения Т, Т ., R(Т<) и R„ °

Остальные параметры, входящие в расчетную формулу, эксперименгально не измеряются н образуют постоянную установки.

Находя полный дифференциал формуль| (24) и разделив его на выражение, определяющее М, нетрудно получить, принимая д К = ЬМ, и учитывая (24)

Ь (т ) Ат Ат, h,U AZ — = — «==a= + --- + --- + --+--.

ЕС К(т,) Т, .Т, И Z

Экспериментально легко может быть реализована абсолютная погрешность измерения температур, равная 0,1 К, следовательно относительная погрешАТ АТф ность измерения — — и — — может быть

T< Tc принята равной менее О, 1Х.

Измерение R компенсационным спот собом может быть осуществлено с абсолютной погрешностью О,1 Ом, что при значениях К» 1 кОм приводит к относительным погрешностям (О, 17..

Измерение U u l в соответствии с паспортными данными известных ламповых приборов может быть осуществлено с погрешностью 1 — 1„5X.

Таким образом, погрешность предлагаемого способа и устройства для экспериментального определения коэффициента теплоотдачи находится в пределах 2-5Х.

Для изготовления первого и второго термосопротивлений был использован медный провод диаметром 0,02мм, покрытый лаковой изоляцией (провод

ПЭВ-1-0,020 ГОСТ 7262-78). Держатель был выполнен в форме прямоугольника с размерами окна 40 к75 м, на сторонах держателя, изготовленных из дюралюминиевого сплава Д16Т в виде прутков диаметром 2 мм, бьло намотано с шагом а0,053 мм по !400 витков провода °

Концы проволок первого термосопротивления располагались на держателе второго в зазоре между витками проволок термосопротивления с шагом

0,045-0,05; длина каждой отдельной проволоки — 40 мм. На каждые 0,05 мм приходилось 3 проволочки; общее количество проволочек 147 При изготовлении сопротивления первого и второго термосопротивлений были подобраны равн1чми 1000 Ом.

Были также изготовлены эталонные сопротивления R . и R . Для этого

И ж эт на трубки высотой 250 мм и диаметром

40 мм, изготовленные из сплава АМГ и с последующим электроизоляционным

20 покрытием, были намотаны витки константанового про"ода диаметром

0,25 мм, покрытого лаковой изоляцией. Общее количество витков 7972, сопротивление К = К = 1000 Ом, 25 перегрев эталонных сопротивлений при работе не превышал 2-4 К.

Измерение тока через первое термосопротивление. и падение напряжения на нем производилось с помощью лам30 повсго вольтамперметра В7-27 А/1, в качестве нуль-индикатора использовался гальванометр И 17/1. Измере- ния ОС,, проведенные при различных скоростях воздушного потока, позволили сделать вывод о соответствии полученных результатоВ другим методам оценки величины 0 .

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют достаточ40 но быстро и точно измерять коэффициент теплоотдачи в различных теплотехнических системах, Устройство с помощью схемотехнических средств И микропроце<.с оров может быть автомати45 зировано и доведено до уровня прибора для научных исследований.

Формул а изобретения

50 1. Способ определения коэффициента теплоотдачи, включающий размещение в потоке теплочосителя с известной температурой проволочного терморезистора, нагрев последнего путем

55 пропускания через него электрического тока и измерение величины сопротивления проволочного термореэис— тора в нагретом состоячии, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью

164

Составитель Е.Рязанцев

Техред Л.Олийнык Корректор Т.Палий

Редактор С.Лисина

Заказ 1346 Тираж 385 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,101 повышения точности и уменьшения постоянной времени измерения, дополнительно измеряют температуру концов проволочного терморезистора, измерение величины сопротивления которого в нагретом состоянии проводят при равенстве температур его концов, по измеренным величинам определяют коэффицие нт те ил оотда чи, 2. Устройство для определения коэффицие нта те плоогдачи, содержащее проволочный терморезистор, подключенный к источнику тока нагрена и регистратору сопротивления, о т л ич а юще е с я тем, что, с целью повышения точности и уменьшения пос— тоянной времени измерения, введены датчики температуры концов пр< водочного терморезистора, который выполнен в виде ряда последовательно соединенных отрезков однородного проводника одинаковой длины, закрепленных на введенном жестком каркасе из Bbl сокотеплопроводного материала, причем концы отрезков однородного проводника электроизолированы в местах

5854 14 крепления к каркасу, на противоположных сторонах которого размещены датчики температуры концов проволочного терморезистора.

3. Устройство по п,2, о т л и— ч д ю щ е е с я тем, что датчики температуры концов проволочного терморезистора включены последовательно и выполнены в виде дополнительного проволочного термореэистора, равные отрезки которого навиты на противолл ожные стороны каркаса в области

:«;«крепления концов отрезков проводников проволочного терморезистора, причем оба проволочных терморезистора выполнены в виде равной длины отре.«ков одной и той же проволоки,про-волочный терморезистор закреплен на

20 каркасе через электроизолирующие прокладки, а дополнительный проволочный терморезистор включен в плечо измерительного резистивного моста, два других плеча которого образуют равные эталонные сопротивления, а в четвертое плечо включен прецизионный магазин сопротивлений.