Сетчатый комбинированный термоприемник и способ измерения температурного поля газового потока в каналах
Владельцы патента RU 2597956:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры движущихся газовых сред на выходе из реакторов и теплообменных аппаратов с различной структурой теплообменных поверхностей. Предложен сетчатый комбинированный термоприемник, содержащий преобразователь температуры в виде сетки из нитей со специальным покрытием, а также тепловизионную камеру, имеющую в своем составе монитор. Преобразователь температуры содержит, по крайней мере, одну термопару, представляющую собой вплетенный в ячейку сетки нитевидный элемент, диаметр и цилиндрический спай которого совпадает с диаметром нитей сетки. Расстояние между нитями сетки составляет 50-1000 мкм, а толщина нитей сетки составляет 2-100 мкм. В качестве специального покрытия нитей сетки и термопары используется зечернение. Степень черноты поверхности нитей сетки и термопары ε составляет порядка 1. Для осуществления способа измерения температурного поля газового потока в каналах в качестве преобразователя температуры используют сетку из нитей со специальным покрытием, которую размещают перпендикулярно потоку измеряемой среды. Температуру определяют по температурному полю сетки, формируемому при прогреве или охлаждении нитей сетки. Преобразователь температуры размещают непосредственно на выходном срезе канала, или внутри канала, или перед каналом. Технический результат - повышение разрешающей способности и точности измерения температурного поля газового потока в каналах. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения полей температуры движущихся газовых сред на выходе из реакторов и теплообменных аппаратов с различной структурой теплообменных поверхностей. Также изобретение может быть использовано для визуализации пространственных и канальных течений в стационарных и нестационарных режимах и комбинированного (совмещение контактного и бесконтактного методов) определения температур поверхностей твердых тел.
Известно устройство для измерения температурного поля газового потока на выходе камеры сгорания (патент РФ №2382995, 2008 г., G01K 13/02), содержащее преобразователь температуры, тепловизионную камеру, при этом преобразователь температуры представляет собой решетку из высокотемпературных стержней.
В данном изобретении при измерении температурного поля газового потока на выходе камеры сгорания преобразователь температуры в виде решетки из высокотемпературных стержней размещают перпендикулярно потоку измеряемой среды.
Недостатки данного решения:
1) стержни дают меньшую точность измерения и вносят изменения в структуру газового потока;
2) сложность изготовления решетки из высокотемпературных стержней;
3) невозможность размещения решетки в каналах малого сечения.
Известен способ тепловизионной диагностики процессов теплоотдачи (патент РФ №2255315, 2004 г., G01K 13/02), при котором преобразователь температуры в виде сетки из нитей помещают в газовый поток, омывающий исследуемое твердое тело.
В данном изобретении при тепловизионной диагностике процессов теплоотдачи используют устройство, содержащее преобразователь температуры в виде сетки из нитей, тепловизионную камеру, имеющую в своем составе монитор. Преобразователь температуры выполнен по условиям патента РФ №2230300.
При прогреве (охлаждении) нитей сетки на сетке формируется температурное поле, идентичное температурному полю газового потока, омывающего исследуемое твердое тело. Тепловое излучение от нитей, интенсивность которого соответствует температуре газового потока, и, одновременно, тепловое излучение с поверхности твердого тела с помощью тепловизионной камеры преобразуется в визуальный образ в виде цветового поля, отображаемого на мониторе инфракрасной камеры. Этот визуальный образ преобразуется в числовые значения температуры путем сопоставления цветов со шкалой "цвет-температура". Тем самым производится одномоментное измерение температурного поля газового потока и твердого тела в большом числе точек.
Недостатки данного решения:
1) ограниченные возможности применения устройства за счет термоиндикаторных покрытий, рассчитанных на определенный температурный диапазон;
2) сложность нанесения термоиндикаторных покрытий и малая точность определения истинных температур на крупноячеистых сетках;
3) сложность подбора материала сетки и газового потока с точки зрения теплопроводности (узкий диапазон);
4) сложность и пространственная неопределенность размещения среза сетки вблизи твердой поверхности в тонких ламинарных и турбулентных пограничных слоях газового потока.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является устройство для измерения температурного поля газового потока (патент РФ №2230300, 2002 г., G01K 13/02), содержащее преобразователь температуры в виде сетки из нитей, тепловизионную камеру, имеющую в своем составе монитор.
При измерении температурного поля газового потока преобразователь температуры в виде сетки из нитей помещают вдоль газового потока.
При прогреве (охлаждении) нитей сетки формируется температурное поле, идентичное температурному полю газового потока. Тепловое излучение от нитей, интенсивность которого соответствует температуре потока, с помощью тепловизионной камеры преобразуется в визуальный образ в виде цветового поля, отображаемого на мониторе тепловизионной камеры. При этом толщина нитей сетки составляет 10…50 мкм, а расстояние между нитями сетки составляет 100…200 толщин нитей, кроме того, сетка выполнена с термоиндикаторным покрытием.
Данное изобретение имеет следующие недостатки:
1) сложность нанесения термоиндикаторных покрытий;
2) сложность подбора материала сетки и газового потока с точки зрения теплопроводности (узкий диапазон);
3) низкая разрешающая способность.
Задачей заявляемого изобретения является создание универсального сетчатого комбинированного термоприемника, упрощение способа изготовления преобразователя температуры в виде сетки из нитей, а также повышение разрешающей способности и точности измерения температурного поля газового потока в каналах.
Поставленная задача решается тем, что в сетчатом комбинированном термоприемнике, содержащем преобразователь температуры в виде сетки из нитей со специальным покрытием, тепловизионную камеру, имеющую в своем составе монитор, согласно изобретению преобразователь температуры содержит, по крайней мере, одну термопару, представляющую собой вплетенный в ячейку сетки нитевидный элемент, диаметр и цилиндрический спай которого совпадает с диаметром нитей сетки, расстояние между нитями сетки составляет 50-1000 мкм, толщина нитей сетки составляет 2-100 мкм, ячейки сетки равномерные и имеют форму прямоугольника, в качестве специального покрытия нитей сетки и термопары используется зечернение, при этом степень черноты поверхности нитей сетки и термопары ε составляет порядка 1. Для осуществления способа измерения температурного поля газового потока в каналах в качестве преобразователя температуры используют сетку из нитей со специальным покрытием, которую размещают перпендикулярно потоку измеряемой среды, при этом температуру определяют по температурному полю сетки, формируемому при прогреве или охлаждении нитей сетки, согласно изобретению сетку из нитей размещают непосредственно на выходном срезе канала, или внутри канала, или перед каналом, а температуру определяют из соотношения показаний термопары и температурного поля прилегающей к ней локальной области сетки, формируемого при прогреве или охлаждении нитей сетки, при этом нити сетки и термопару зачерняют.
Высокая точность измерения температуры потока обеспечивается за счет совмещения в данном устройстве контактного и бесконтактного методов определения температуры потока. С помощью термопары, являющейся неотъемлемым структурным элементом сетчатого термоприемника, фиксируется температура в локальной области газового потока. По излучению локальной области сетки одновременно фиксируется радиационное излучение от королька этой термопары и прилегающих структурных элементов сетки. При этом степень черноты поверхности термопары и сетки могут совпадать. Соотношение показаний термопары и излучения от прилегающей к ней локальной области сетки определяет температуру локального нагрева/охлаждения сетки газовым потоком, что потом используется для уточнения степени черноты сетки по показаниям термопары. Количество и месторасположение термопар зависит от поставленной задачи.
Использование нитей с фиксированной степенью черноты поверхности обеспечивает высокое пространственное разрешение, что, в свою очередь, повышает точность измерения. Использование нитей с фиксированной (известной на основе сравнения с показаниями термопары) степенью черноты поверхности позволяет использовать данное устройство при исследовании различных газов или смесей газов. Зачернение сетки достаточно простая процедура (например, обычная обработка огнем). Степень черноты поверхности сетки и термопарных проводов могут быть одинаковые. Для визуализации места расположения спая изменяется степень черноты в локальной области спая термопары. Например: вся сетка термоприемника подлежит равномерному зачернению (степень черноты постоянна для всех элементов сетки, включая вплетенную в нее термопару), затем для визуализации спая локально снимается зачерненное покрытие с локальной области спая термопары. На термограмме это позволит визуализировать расположение спая термопары.
Высокая разрешающая способность достигается за счет малого расстоянием между нитями сетки, которое составляет 50-100 мкм.
Толщина и материал нитей сетки зависят от температуры изучаемого газового потока (важна температура плавления материала сетки), разрешающей способности тепловизора (важен диапазон воспринимаемых матрицей длин волн теплового излучения).
Перпендикулярное размещение сетки относительно потока позволяет оценить неравномерность температурных полей на выходе из многоканальных реакторов, что имеет принципиальное значение при разработке современных теплообменных устройств со сложной внутренней пространственной ориентацией газовых каналов (ядерные и химические реакторы канального типа с газовыми теплоносителями).
Размещение сетки внутри канала в непосредственной близости от выходного среза (когда δ≈0, где δ - расстояние между срезом канала и сеткой) устраняет помехи измерения, связанные с эффектом расширения потока на выходе из канала. Данный случай применим для каналов большого диаметра (больше 10 мм). Выходные срезы канала и канальных сборок могут быть с дефектами (сколы, неровности и др.). В этом случае плотное прилегание (когда δ=0) невозможно, и в измерения будут внесены искажения за счет утечек газа вблизи стенок через сколы, неровности торцевых поверхностей каналов. Устранение этих искажений и увеличение достоверности измерений достигается за счет размещения сетки на небольшом расстоянии от среза как внутри, так и на выходе из канала. В ряде случаев в каналах разместить сетку не удается из-за малого размера каналов, например в случае мини- и микроканалов, каналов, поперечные размеры которых становятся соизмеримыми с нитевидными элементами сетчатого термоприемника. Течение в канальных теплообменниках с малым диаметром каналов происходит с большими скоростями. Поэтому при малых, но контролируемых δ≅0, выходящие из каналов струи газа будут на значительном расстоянии сохранять поперечный профиль скоростей и температур. Количественное влияние расширения струй при выходе из каналов круглого сечения на температуру и поперечные профили скорости для различных диаметров можно определить из литературы.
Таким образом, для больших по диаметру каналов термоприемник целесообразно вдвигать вовнутрь канала, а для малых по диаметру (мини- и микроканалов) - наоборот, целесообразно его немного отодвинуть от выходных срезов.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства. На фиг. 2 - преобразователь температуры в виде сетки из нитей.
Сетчатый комбинированный термоприемник содержит преобразователь температуры 2 в виде сетки из нитей (где 6 - выводы термопары, 7 - спай термопары), размещенный в газовом потоке 5, выходящем из канала или сборки каналов 1, тепловизионную камеру 3, имеющую в своем составе монитор 4.
Устройство работает следующим образом.
Преобразователь температуры 2 в виде сетки из нитей помещается в газовый поток 5, выходящий из канала или сборки каналов 1. С помощью термопары 7 фиксируется температура в локальной области газового потока 5. Одновременно, при прогреве (охлаждении) нитей сетки на сетке формируется температурное поле, идентичное температурному полю газового потока, с помощью тепловизионной камеры 3 преобразуется в визуальный образ в виде цветового поля, отображаемого на мониторе 4 инфракрасной камеры. Этот визуальный образ обрабатывается с помощью специальной программы в числовые значения температуры. Производится одномоментное измерение температурного поля газового потока в большом числе точек. Соотношение показаний термопары и излучения от прилегающей к ней локальной области сетки определяет температуру локального нагрева/охлаждения сетки газовым потоком, что потом используется для уточнения степени черноты сетки по показаниям термопары.
Способ осуществляется следующим образом.
Преобразователь температуры 2 в виде сетки из нитей помещают в газовый поток 5, выходящий из газового канала или сборки каналов 1, перпендикулярно потоку измеряемой среды непосредственно на выходном срезе канала, либо внутри канала, либо перед каналом. С помощью термопары 7 фиксируют температуру в локальной области газового потока 5, выходящего из канала или сборки каналов 1. Одновременно, при прогреве (охлаждении) нитей сетки 2 на сетке формируется температурное поле, идентичное температурному полю газового потока, с помощью тепловизионной камеры 3 преобразуется в визуальный образ в виде цветового поля, отображаемого на мониторе 4 инфракрасной камеры. Этот визуальный образ обрабатывается с помощью специальной программы в числовые значения температуры. Производится одномоментное измерение температурного поля газового потока в большом числе точек. Соотношение показаний термопары и излучения от прилегающей к ней локальной области сетки определяет температуру локального нагрева/охлаждения сетки газовым потоком, что потом используется для уточнения степени черноты сетки по показаниям термопары.
Пример. Данное изобретение было опробовано в лабораторных условиях при исследовании вынужденной конвекции в канале при ламинарном режиме течения, когда профиль скоростей и температур внутри нагреваемой или охлаждаемой трубки является параболичным. Условия: материал сетки - латунь, количество термопар - одна, толщина нитей - 80 мкм, расстояние между нитями - 200 мкм, степень черноты ε=0,99, сетка размещена непосредственно на срезе канала, измеряемый газ - воздух.
В процессе исследований установлено хорошее качественное и количественное совпадение теоретических значений температур потока при ламинарном течении в трубе (Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. Москва, 1967 г.) и данных предлагаемого термографического метода определения температуры газового потока в канальных теплообменниках.
Проведенные исследования показали целесообразность применения данного изобретения на практике при тепловизионной диагностике и определении эффективности теплообмена в реакторных установках со сложной внутренней геометрией теплообменных поверхностей и выходных каналов.
1. Сетчатый комбинированный термоприемник, содержащий преобразователь температуры в виде сетки из нитей со специальным покрытием, тепловизионную камеру, имеющую в своем составе монитор, отличающийся тем, что преобразователь температуры содержит, по крайней мере, одну термопару, представляющую собой вплетенный в ячейку сетки нитевидный элемент, диаметр и цилиндрический спай которого совпадает с диаметром нитей сетки, расстояние между нитями составляет 50-1000 мкм, толщина нитей составляет 2-100 мкм, ячейки сетки равномерные и имеют форму прямоугольника, в качестве специального покрытия нитей сетки и термопары используется зачернение, при этом степень черноты поверхности нитей сетки и термопары ε составляет порядка 1.
2. Способ измерения температурного поля газового потока в каналах, при котором в качестве преобразователя температуры используют сетку из нитей со специальным покрытием, которую размещают перпендикулярно потоку измеряемой среды, при этом температуру определяют по температурному полю сетки, формируемому при прогреве или охлаждении нитей сетки, отличающийся тем, что в преобразователь температуры добавляют, по крайней мере, одну термопару, представляющую собой вплетенный в ячейку сетки нитевидный элемент, преобразователь температуры размещают непосредственно на выходном срезе канала, или внутри канала, или перед каналом, при этом в качестве специального покрытия нитей сетки и термопары используют зачернение.
