Устройство для мониторинга тепловых потоков

 

Изобретение относится к технике тепловых измерений и может быть использовано в теплометрических системах и системах управления и мониторинга тепловых процессов в окружающей среде. Повышение надежности эксплуатации и упрощение конструкции устройства достигается за счет того, что оно содержит вертушку с лопастями, способными менять угол атаки по отношению к потоку, встроенную в газоводозаборную трубу, и устройство, преобразующее скорость вращения вертушки в тепловые единицы измерения. При этом ось вертушки соединена со счетчиком ее оборотов. Лопасти вертушки выполнены из сплава с обратимым эффектом памяти формы. Геометрию лопасти вертушки подбирают такой, которая приводит к линейной зависимости скорости вращения вертушки от количества тепла, переносимого потоком. Газоводозаборная труба снабжена механизмом ее ориентации вдоль потока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике тепловых измерений и может быть использовано в теплометрических системах и системах управления и мониторинга тепловых процессов в окружающей среде.

Большая часть устройств, известных в этой области, включает в себя электронные схемы, требующие при работе подвод энергии от внешних источников питания, что трудно совместимо с длительным действием прибора в автономном режиме.

Известны механические счетчики режима тепловых потоков, способные работать без подвода электрической энергии авт. св. 609068, кл. G 01 К 17/14, 1978 г.; авт. св. 1174788, кл. G 01 К 17/14, 1985 г.; авт. св. 1190214, кл. G 01 К 17/14, 1985 г.

Известно также устройство по авт. св. 1476331, содержащее термобаллон, расположенный в водогазозаборной трубе, в которой перемещается теплоноситель. Термобаллон выполнен в виде сильфона, один конец которого может двигаться в продольном направлении, а другой припаян к цилиндрической части ротора, установленного в трубе на подшипниковых опорах. Ротор имеет поворотные лопасти, способные менять угол атаки по отношению к набегающему потоку и соединенные с помощью рычагов с подвижной частью сильфона. Угол атаки изменяется за счет воздействия на лопасти перемещающегося свободного конца термобаллона при сжатии или расширении заполняющей его термочувствительной жидкости, реагирующей на изменение температуры носителя. В результате скорость вращения ротора оказывается функцией двух переменных: температуры носителя и скорости его движения через заданное сечение, что позволяет при помощи соответствующего счетного устройства перевести число оборотов ротора в количество теплоты переносимой, проходящим потоком.

Недостатком этого устройства является сложность конструкции и ненадежность из-за наличия сильфонного узла и подшипниковых опор, находящихся в среде теплоносителя. Кроме того, как правило, сильфон заполняется толуолом, опасным для экологии окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является устройство по патенту РФ 2072452, которое содержит вертушку и связанный с ней посредством магнитной муфты счетный механизм. Вертушка размещена в корпусе, через который проходит поток теплоносителя. Ось потока расположена перпендикулярно оси вращения вертушки и симметрично ее лопастей так, что при свободном перемещении теплоносителя вертушка остается неподвижной. На пути потока установлен рассекатель с возможностью изменения угла установки его относительно оси потока с помощью термочувствительной биметаллической пластины. При нулевом угле разделения поток сохраняет симметричное положение по отношению к лопастям вертушки, поэтому она сохраняет неподвижность. При изменении угла установки в ту или иную сторону от нулевого положения поток становится асимметричным по отношению к лопастям вертушки, вследствие чего она начинает вращаться. Скорость ее вращения будет зависеть от величины отклонения угла установки от нулевого значения. А этот параметр, в свою очередь, зависит от изгиба биметаллической пластины, реагирующей на температуру теплоносителя. Таким образом, скорость вращения вертушки находится в функциональной зависимости от температуры потока. В то же время, в некотором интервале значений угла установки скорость вращения будет зависеть и от объемного расхода теплоносителя, что в совокупности с угловой зависимостью дает произведение расхода теплоносителя (объем) на его температуру - т.е. расход тепловой энергии или количество теплоты, регистрируемое счетным механизмом.

Недостатком этого устройства является сложность конструкции из-за большого числа передаточных звеньев, в том числе магнитной муфты, имеющей ограниченную возможность передавать крутящий момент в широком диапазоне, а также ненадежность вследствие применения биметалла, имеющего невысокие силовые характеристики.

Задача, на решение которой направлено данное техническое решение заключается в том, чтобы создать прибор, пригодный для изучения явлений массопереноса, связанных с тепловыми процессами, способный фиксировать одновременно несколько параметров, в том числе температуру и скорость перемещения теплоносителя. Во многих случаях аппаратура, предназначенная для этих целей, должна работать длительное время в непрерывном режиме, что требует от нее высокой надежности и автономности.

Указанный технический результат достигается тем, что, как и известное устройство, предлагаемое устройство для мониторинга тепловых потоков содержит вертушку с лопастями, способными менять угол атаки по отношению к потоку, преобразователь скорости вращения вертушки в тепловые единицы измерения, при этом ось вертушки соединена со счетчиком ее оборотов.

В отличие от известного устройства в предлагаемой конструкции лопасти вертушки выполнены из сплава с обратимым эффектом памяти формы, при этом геометрию лопасти вертушки подбирают такой, которая приводит к линейной зависимости вращения вертушки от количества тепла, переносимого потоком.

В случае газообразного носителя газоводозаборная труба имеет механизм ее ориентации вдоль потока.

Реализация поставленной задачи основана на функциональных возможностях сплавов с обратимым эффектом памяти формы. В данном случае используется эффект обратимой памяти формы, когда образец циклически меняет свою геометрию в отсутствии внешних механических воздействий, за счет ориентации внутренних напряжений, инициирующих направленный рост или сокращение кристаллов новой фазы при соответствующем изменении температуры образца.

На чертеже показано схематичное изображение устройства. Конструкция состоит из вертушки 1, соединенной с осью 2, с преобразователем скорости вращения 3 и шкалой 4. Корпусом является водо- или газозаборная труба 5. Лопасти вертушки изготовлены из сплава с обратимым эффектом памяти формы.

Преобразователь скорости вращения представляет собой типичную зубчатую передачу, а шкала счетчика проградуирована в соответствующих единицах тепла.

Устройство работает следующим образом. В диапазоне температур, соответствующем их колебанию в данном носителе, в лопастях вертушки 1 протекает обратимое термоупругое мартенситное превращение (аллотропное превращение первого рода). При этом мартенситные кристаллы, являющиеся локальными участками обратимой деформации, растут и сокращаются направленно в соответствии с ориентацией полей упругих внутренних напряжений, что приводит к суммарной макроскопической обратимой деформации лопасти с изменением ее геометрической формы. Величина макроскопической деформации при этом пропорциональна абсолютному изменению температуры.

В результате обратимого изменения формы лопасти 1 в соответствии с изменением температуры потока имеет место функциональная зависимость скорости вращения вертушки от динамического теплового состояния проходящего потока. Таким образом, также как и в прототипе скорость вращения вертушки оказывается зависящей как от температуры, так и от скорости потока теплоносителя, что позволяет, используя механический счетчик 3, перевести количество оборотов вертушки в суммарное количество теплоты, переносимое потоком, проходящим по трубе 5. Количество теплоты при этом фиксируется на шкале 4.

Обратимый эффект памяти формы может быть реализован в сплавах на основе никелида титана после предварительной деформации металла, превосходящей определенную критическую величину [1]. Величина предварительной деформации определяет также ширину области двухфазности (мартенсит/аустенит) сплава, в температурных пределах которой материал способен изменять свою форму. Это позволяет подбирать для изготовления лопастей металл, работающий в температурном интервале существования теплоносителя. При этом траектория изменения формы лопасти может быть сколь угодно сложной, вплоть до имеющей вид немонотонной функции деформации от температур [2], что дает возможность, учитывая газогидродинамические особенности теплоносителя, подбирать такой вид изменения геометрии лопасти, который приводит к линейной зависимости скорости вращения вертушки от количества тепла, переносимого потоком.

Преимущество изобретения состоит в том, что применение металла с эффектом памяти формы в качестве лопасти с меняющейся геометрией профиля обеспечивает простоту и надежность конструкции, а также высокую степень автономности, что позволяет вести длительные наблюдения за характером тепловых потоков.

Устройство предназначено для мониторинга окружающей среды и измерения характеристик тепловых потоков в системах водоснабжения, отопления и вентиляции.

Следовательно, заявляемое устройство соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Устройство для мониторинга тепловых потоков, содержащее вертушку с лопастями, способными менять угол атаки по отношению к потоку, встроенную в газоводозаборную трубу, и устройство, преобразующее скорость вращения вертушки в тепловые единицы измерения, при этом ось вертушки соединена со счетчиком ее оборотов, отличающееся тем, что лопасти вертушки выполнены из сплава с обратимым эффектом памяти формы, при этом геометрию лопасти вертушки подбирают такой, которая приводит к линейной зависимости скорости вращения вертушки от количества тепла, переносимого потоком.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газоводозаборная труба снабжена механизмом ее ориентации вдоль потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1