Способ определения локального коэффициента теплоотдачи

 

17815бЗ А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 01 К 17/20

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4646399/10 (22) 26,12.88 (46) 15,12.92. Бюл, ¹ 46 .(71) Институт кибернетики им; В.М,Глушкова (72) B.Т.Кондратов и Н.В,Сиренко . (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 147009, кл. G 01 К 17/00, 1961.

Авторское свидетельство СССР

¹ 155975, кл. G 01 К 7/16, 1962. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ (57) .Использование: исследование конвективного теплообмена между нагретым объИзобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при оценке конвективного теплообмена между объектом, излучающим тепло, и охлаждающей средой, например, в автомобилестроении, металлургии, авиационной промышленности, в энергетике и т:д.

Известны способы определения коэффициента теплоотдачи, основанные на использовании закона Ньютона-Рихмана, согласно которому а: — Q/S(t< — т2)(Вт/(м К), где Q — тепловой поток на стенке исследуемого объекта, t> — температура поверхности объекта;

t2 — температура. охлаждающей среды, S — площадь поверхности теплоотдачи, Известным способам присуща недостаточная точность определения коэффициента теплоотдачи, обусловленная погрешностями измерения теплового потоектом и охлаждающей средой. Сущность изобретения . нагревают датчик теплового потока (ДТП), установленный в непосредственной близости от объекта контроля, токовыми импульсами с периодом следования, равным(3-20)х, где г — тепловая постоянная времени датчика. В момент ti равенства температуры noaeðõíoñòè ДТП температуре по- верхности объекта измеряют тепловой поток, температуру окружающей среды и температуру поверхности ДТП: По измеренным значениям определяют величину локального коэффициента теплоотдачи. 3 ил.,1 табл.

j ка, температуры поверхности объекта и температуры охлаждающей среды, а также необходимостью учета площади поверхности теплоотдачи. Отмеченные недостаткй ограничивают широкое использование известных способов определения коэффициента теплоотдачи.

Известен способ определения локаль- (}9 ного коэффициента теплоотдачи ai, вклю- в чающий нагревание датчика. теплового: (Я потока, установленного в непосредствен-; О ной близости от объекта, и измерение теп- р лового потока Qt, температуры То окружающей среды и температуры Тн по- верхности датчика теплового потока в мо-; мент т равенства ее температуре Ти поверхности обьекта, с последующим опре- делением а, по измеренным значениям.

Недостатком известного способа является низкая точность в условиях нестационарного теплообмена, обусловленная влиянием погрешности измерения Ты, 1781563

Цель изобретения — повышение точности определения а в условиях нестационарного теплообмена.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе нагрев датчика тепло- 5 вого потока осуществляют до температуры

Tki (0,01 — 0,1)Тц токовыми импульсами с периодом следования, равным (3-20) т, где

t-- тепловая постоянная времени датчика, а величину е1 определяют по формуле: 10 где К вЂ” значение коэффициента пропорци-,""

1 ональности, соответствующее значению

ЛТ2(= (То) — Тш) при ЛT1i — (Tkl Тн!) = 0 и полученное в процессе калибровки датчика.:

На фиг, 1 изображена структурная схема датчика теплового потока . устройства, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 — схема устройства для определения локального коэффициента теплоотдачи; на . фиг. 3 — изменение температуры датчика теплово о потока.

Датчик. l теплового потока (cM. фиг, 1), включает в себя датчик 2 температуры, преобразователь 3 тепловой мощности в элект, рический сигнал и нагреватель 4. Причем нагреватель 4 установлен с одной стороны

30 поверхности преобразователя 3 тепловой мощности, а датчик 2 температуры — с другой стороны. С выхода датчика 2. снимается тормоЭДС, а с выхода преобразователя 3— сигнал, действующее значение которого пропорционально тепловой мощности О, Температура нагревателя 4 регулируется путем изменения тока входного сигнала, В качестве датчика" используется термопара. Для преобразования тепловой мощности в электрический сигнал используется химический источник тока (XNT), нагруженный на образцовый резистор R<. В качестве блока 4 используется электрический нагреватель, питаемый от управляемо45 го источника.

Температура Тн нагревателя 4 измеряется с помощью датчика 2 (термопары}, размещенного на поверхности подогреваемого преобразователя 3 тепловой мощности, Сам датчик 1 теплового потока располагают на уровне исследуемого объекта . Причем для исключения теплообмена между ними устанавливают теплоизолятор. Охлаждающий поток (или среда) с температурой То

55 создается с помощь1о управляемого охладителя. В качестве охлаждающей среды может быть использовано вещество, находящееся в жидком или газообразном состоянии, на-. пример вода или жидкий азот и т.д. Если в качестве охлаждающей среды используется, например, вода, то исследуемый объект, датчиктеплового потока,теплоизолятор,охладитель и датчик температуры изолируют бт воздействия охлаждающей среды путем, например, помещения в замкнутое пространство.

На фиг. 2 приведена структурная схема одного из вариантов практической реализации предложенного способа определения коэффициента теплоотдачи, где 1 — датчик теплового потока, состоящий из датчика 2 температуры Тн нагрева, преобразователя 3 тепловой мощности в электрический сигнал и нагревателя 4, 5 — исследуемый обьект, 6датчик температуры Т исследуемого обьекта, 7 — датчик температуры Tg охлаждающей среды, 8 — охладитель, 9 — блок управления охладителем, 10 — первый изме.ритель температуры Т, 11 — второй измеритель температуры Т, 12 — первый дифференциальный измеритель температуры, 13- второй дифференциальный измеритель температуры, 14 — милливольтметр действующих значений, 15 — управляемый источник тока, 16 — генератор модулирующего сигнала, 17 — кнопка, 18 — калькулятор, 19 — теплоизолятор, 20 — камера или трубопровод, Сущность изобретения заключается в следующем.

Изменяют температуру Тн теплового потока с поверхности датчика 1 по пилообразному закону путем нагрева датчика 1 периодическими токовыми импульсами, поступающими на нагреватель 4 с периодом следования (3-20) т, где г — тепловая постоянная времени датчика 1 теплового потока.

Нагрев проводят до температуры

Tki + (0,01 — 0,1)Т .

Измеряют температуры Тц, Тьч и Т„; поверхностей исследуемого объекта. охлаждающей среды и датчика теплового потока, соответственно, а затем определя1от разности температур

ЛТ1! = Tki — Т.! (1}

A T2i = Toi — Тн! (2)

В моменты времени Ть1, ti и1i+s (см, фиг, 3) равенства первой разности(1) температур значений + Л Т, О и -Ь Т соответственно, измеряют значение 0 теплового йотока, пропорциональное выходному сигналу датчика 1 теплового потока, значения температур Т ; и То;. Изменения температуры

1781563 нагрева выбирают из условия Л Т = (0,01— а в целом, — от тепловой постоянной време0,1)Т, где Тк — температура поверхности исследуемого объекта, Другими словами Л

Т не превышает (1-10)% от Т, Интервалы ни т, Допустим, что в -й момент времени измеренное значение теплового потока равно

+ ЛТ на фиг. 3 отмечены пунктирными лини- 5

Qi, а значения температур поверхности исследуемого объекта и охлаждающей среды равны, соответственно Тц и Tol.

По значению Л Ti второй разности (2) температур, соответствующей моменту вреями, параллельными оси времени.

Необходимо отметить, что длительность периода (цикла) изменения температуры поверхности датчика 1 зависит от 10 мени равенства нулю. первой разности темтеплопроводности элементов конструкции ператур (1); т,е. при Л Тц = О, выбирают датчика 1 теплового потока, в частности, соответствующее дискретйое значение конапример, преобразователя тепловой мощэффициента пропорциональности Ki. Допустим, что значению Л Т (при Ти = T>i) ности, от площади излучающей поверхности и от температуры охлаждающей среды, 15 .соответствует значение Кь выбранное из таблицы и значений ЛТ и Кк

ЛТгп

ЛТ2 ЛТ21 ЛТ22 ЛТ23

Л Т21

К К1 К2 КЗ

Кп дифференциальных измерителей темпера; полученных при градуировке характеристики датчика 1 теплового потока и аппроксимации ее и ступеньками (дискретами) кривой. . Об истинном, значении коэффициента теплоотдачи судят по выражению тур 12 и 13, Сигнал Е датчика 7 поступает на вход

20 первого измерителя температуры 10 и на прямой вход второго дифференциального измерителя тем перату ры 13. Сигнал Е> с выхода и реабразователя 3 тепловой мощности поступает на вход милливольтметра 13

25 действующих значений.

Источник тока 15, генератор 16 и блок

9 управления охладителем 8 имеют ручное управление.

При определении коэффициента теплоотдачи с помощью блока управления 9 уста30 навливают такой режим работы охладителя

8, который обеспечивает получение температурц охлаждающей среды равной, например, Т,.

С помощью генератора 16 модулирую35 щего сигнала задают определенное значение периода модулирующего сигнала и его амплитуду, обеспечивающие изменение температуры нагрева нагревателя 4 в и редеод модулирующего сигнала выбирают с учетом постоянной времени т установления переходных тепловых процессов (Т(30-20) т).

Значение Л Т устанавливают в пределах (0,01-0,1) ° Т, с учетом следующих обстоятельств: Ва-первых, случайная составляющая погрешности измерения с вероятностью 0,997-0,9999 должна находиться в интервале (3-4) д, где 0 — сред50 няя квадратическая погрешность измерения температуры: во-вторых, инерционность нагревателя не обеспечивает мгновенное изменение температуры после

55 (3) где Qi — значение теплового потока в t -й момент времени

Ki — дискретное значение коэффициента пропорциональности, соответствующее значению ЛТл;

AT

Тц, Тн и T i — значения температур поверхностей исследуемого объекта. датчйка теплового потока и охлаждающей среды в

1;-й момент времени.

Датчики 6,2 и 7 (фиг, 2) формируют электрические сигналы ЕTK, Е и Е о, пропорциональные температурам поверхностей исследуемого обьекта 5, первичного преобразователя 1 и охлаждающей среды. Для этого датчики 6 и 7 установлейы, соответственно, на исследуемом объекте 5 и охладителе 8.

Преобразователь 3 тепловой мощности формирует сигнал Е . пропорциональный тепловому потоку Q;.

Сигнал Е>< датчика 6 поступает на вход второго измерителя температуры 11 и на прямой вход первого дифференциального измерителя температуры 12, Сигнал Е датчика 2 поступает на обьединенные инверсные входы первого::и второго

40 лах + Л Т. Необходимо отметить, что пери1781563 изменения управляющего воздействия, Поэтому, с учетом инерционности нагревателя, интервал Л Т выбирается заведомо большим, чем по первому условию;

) С помощьюуправляемого источника тока выбирают такое значение питания i> нагревателя 4, которое обеспечивает на рев его до температуры Т» =Тк, Под воздействием модулирующего сигнала генератора

16 достигается пилообразный закон изменения температуры нагревателя относительно температуры исследуемого объекта (см. фиг, 3}.

Дпя устранения" влияния температуры исследуемого объекта 5 на нагреватель 4 может быть использован теплоизолятор 19, помещенный между блоками 5 и 1. В ряде случаев необходимость в этом отпадает. Например, в случае маломощного источника тока 15 используют дополнительную тепловую мощность исследуемого объекта 5. В других случаях теппоизолятор 19 не используют из-за трудности его установки и обеспечения надежной теплоизоляции.

После установки заданного значения тока питания нагревателя 4 и амплйтуды его изменения (Л!) включают кнопку 17., В результате температура поверхности датчика

- теплового потока 1 будет изменяться по пилообразному закону, как показано на фиг. 3.

С помощью. первого дифференциального измерителя температуры 12 измеряют значение первой разности температур (1).

Допустим, что в результате измерений получил и

N =(Етк — Етн)51(1 + у1) + ЛN>, (5) где ЛМ1 - аддитивная составляющая погреш ноСти"изувер е н и) я, (Етк — ETI()S ут = мультипликативная составляющая погрешностй измерения;

S> — крутизна преобразования, .

Eòê — Етн — разность сигналов датчиков

6 и 2, поступаемая на дифференциальный измеритель температуры 12, С помощью второго дифференциального измерителя температуры 13 измеряют значение второй разности температур (2):

Й2 = (Ето Етн)32(,1 + ) 2) + Л N2, (6) где ЛЧ2 — аддитивная составляющая погрешности измерения; (Ето — Етн)52 ф — мул ьтипликативная составляющая погрешности измерения, Sz — крутизна преобразования, Мз = Ч Яз(1 4 )з) + ЖЧз (7) ;де Vi — действующее значение выходного

2G сигнала преобразователя;

Яз — крутизна преобразования;:

Л Мз — аддитивная составляющая по-. грешностй измерения;

Ч;Яз у-„— мультипликативная составляющая погрешности измерения, Одновременно, с помощью измерителей 11 и 10 температур уточняют значения температур Тц и Tpi .

30 N4 = ЕткS4(1 + 74) + Л%, (8) N5 = Ето >5(1 + )Ъ) + Л ч5, (9) где Етк и Ете — выходные сигналы датчиков б

35 и 7 соответственно;

S4 и S5 — крутизна преобразования сигналов в код блоков 11 и 10;

Л N4 и Лк5 — аддитивные погрешности измерения температуры с помощью изме40 рителей 11 и 10 соответственно, Етк34 у4 И Ет< S5 у5 — МуЛЬтИПЛИКатИВНЫЕ составляющие погрешности измерения, В т1-й момент времени, соответствующий равенству нулю первой разности температур, т.е. ЛТ1 .= О, на выходе первого дифференциального измерителя температур 12 формируется короткий импульс. Этот импульс псступает на управляющие входы выходных регистров блоков 10, 11 и 13, В результате обеспечивается запоминание измерейных значений N4, N5 и N2 температур Тц и Tot и второй разности температур

ЛТ2. Сброс показаний осущестеляется вручную, путем нажатия на кнопки сброс (не показаны,л . По показанию второго дифференциального измерителя температуры 13, соответствующему значению Й2 второй разности (2) температур, в момент времени равенства

ЕТО Етн разность сигналов датчиков

7 и 2, поступаемая на второй дифференциальный измеритель температуры 13.

Поскольку управление током питания

5 источника тока 15 осуществляется от генератора 16 модулирующего сигнала, то измерение тока питания от значениям ЛТ блока

12 не проводится. В момент времени t равенства нулю первой разности температур, 10 т,е. при Л Гц = О, определяемом по показаниям цифрового отсчетного устройства блока 12, c помощью милливольтметра 14 измеряют действующее значение.V выходного сигнала преобразователя 3 тепловой

15 мощности", 1781563

10 нулю первой разности температур, выбирают дискретное значение Щ коэффициента пропорциональности К по табличным данным, полученным при тарировке датчика 1 теплового потока,:

С помощью калькулятора 18 определяют значение коэффициента теплоотдачи согласно выражению пилообразному закону путем поочередного изменения тока питания нагревателя в заданных пределах, Это уменьшает время выхода на установленный режим измерений, 5 . Полученные результаты определения коэффициента теплоотдачи (при Т1 = const в течение времени измерений) могут быть обРаботаны согласно выражения

Na

И„= йц

1 2 аналогичного вы ражения (3).

8:отличие от известных, предложенный где и — число измерений, способ определения локального коэффици- 15 с целью мейьшения в 1/и аз сл чайной ента теплоотдачи отличается повышенной. составляющей погрешности измерения, 1 очностью измерения..- то достигается за: Ри нестационарнои темп-РатУРе Тк цесчет исключения аддитивной составляю- .лесообраэно опРеделЯть зависимости (т ) щей погрешности измерения температур и в евгение всего вРемени измеРейиЯ (наблю, уменьшения мул ьтипликативной состав- 20 дениЯ) коэффициента теплоотдачи исследУляющей путем учета ее при выборе дис- . емого объекта, а затем осУществлЯть кретнь х з ачений коэффициента. Усреднение РезУльтатов за определенный пропорциональности К;, При определейии интеРвал ВРемени Учить(вающийнестацио- . частного от деления обеспечивается суще- .наРнос ь (или пеРиодичность измеРениЯ) ственное уменьшение влияния мультипли- 25 темпеРа УРы к. кативной составляющей погрешности -.. Ф о р м ул а и з о б р е т е н и я определения разности температур. полное . Способ определения . локального коее и.,лючение достигается только прй эна- эффиц "ента еплоотдачи включающий нченияхДТ2,сОответствующихсерединеди- . гРевание Датчика те ового пото а, скретных интервалов температур при 30 Установленного в непосрецственной блиэоступенчатой аппроксимации градуировоч- сти от об е та, и измерение теплового потоной характеристики. Кроме того, повыше-: . ка С ;, температуры То окружающей среды и ие точности определения коэффициейта температуры Тьч поверхности датч а теп- теплоотдачи достигается за счет исключе- . лового потока в момент ti равенства ее тем. ния погреш ости от нелинейности градуи- 35 пеРатУРе Тц повеРхности объекта, о1 л ич аровочной характеристики датчика путем ю щ и с я тем, что, с целью повышения ю щ и й:с я тем, что, с целью повышения выбора дискретных значений коэффицие - .". то"ности в Условиях нестационарного тептов пропорциональности К по дискретным лообмена, нагРев датчика теплового потока значениям разности температур дТ . соот- . осУЩест ю До темпеРатуРь1 Тц —. (0,01011Т . ветствующих моментам времени равенства .10 О. ) ц токовыми импУльсами с пеРиодом нулю первой разности температур, т.е. При вая постоянная времени датчика, а величиДТ1i = О, В предложенйом способе повышенйе:нУ о альйо о кОэффицие та теплоо дачи точности достигается также за:счет высо- определяют по коточного определения значения темгге- 45 ратуры Ты. Это достигается за счет . а; =К1

G) высокоточного определения момента вре- (Тк1 т" ) (oI т 4 мени 1; измерения.

Повышение быстродействия определе- где К1 — значение коэффициента пропория козффи иента теплоотдачи а; достига- 50 Чиональности, соответствующее значению ется за счет измерения температуры Тн теплового потока с поверхности датчика по о Уче ное в процессе калибРовкидатчика.

1781563

1781563

1781563

Составитель В,Кондратов

Редактор В,Трубченко Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор И,Шмакова

Заказ 42б9 Тираж Подписное

ВНИИПИ I îñóäàðcòâåèíîãî комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул,Гагарина, 101