Способ измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока

 

" г с итн„-,;.» ., ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<1>746210

»

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 260678 (21) 2635627/18-10 (51)М. Кл.2

G 01 К 17/02 с присоединением заявки ¹

l (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 070780. Бюллетень ¹ 25

Дата опубликования описания 070780 (53) УДК 536.53 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В ° Г. Карпенко, О.A. Геращенко, Ф.Ф. Леженин и В.И.Бержатый

Институт технической теплофизики AH украинской CCP (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИОННОИ И КОНВЕКТИВНОЙ

СОСТАВЛЯЮЩИХ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к тепловым измерениям и может найти применение в исследовательской и про.изводственной практике для анализа радиационно-конвективной обстановки процессов сложного теплообмена.

Известен способ измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока с помощью двух 0 тепломеров, имеющих различные поглощательные способности тепловоспринимающих элементов (1J.

При измерениях пренебрегают термическими сопротивлениями тепломеров,и полагают,что конвективные составляющие тепловых потоков для обоих датчиков одинаковы. Используя показания тепломеров и заранее определенные значения их поглощательных способнос- 20 тей, по известным соотношениям находят составляющие тепловых потоков.

Однако вследствие того, что коэффициенты поглощения тепломеров отличаются, будут различными и темпера- 2з туры их тепловоспринимающих поверхностей, поэтому допущение о равенстве конвективных составляющих не всегда реализуется с достаточной степенью приближения, что приводит 30 к погрешностям при определении составляющих теплового потока. Искажения результатов измерений особенно велики, когда температуры поверхностей тепломеров отличаются на величину, соизмеримую с температурным перепадом между поверхностью теплообмена и омывающей средой. В таких условиях конвективные составляющие для тепломеров с различными коэффициентами черноты могут отличаться не только по величине, но и по знаку.

Известен способ раздельного измерения составляющих теплового потока, основанный на использовании диатермической газовой завесы и заключающийся в двух последовательных измерениях суммарного теплопоглощения в одном и том же месте поверхности теплообмена, причем один замер осуществляют с диатермической газовой завесой у тепловоспринимающей поверхности тепломера,а второй — с отключенной завесой. Обдув тепломера в режиме с диатермической завесой организуют таким образом, чтобы температура газов завесы была близкой к температуре тепловоспринимающей поверхности датчика. При этом пола746210

l гают, что конвективная составляющая теплового потока становится равной нулю, либо относительно мала и может быть учтена, а радиационная составляющая остается такой же, как и в режиме без завесы (2).

Недостатки способа измерения заключаются в том, что применение гавовой завесы неизбежно вызывает изменение рабочей характеристики собственно тепломера и приводит к искажениям параметров среды, особенно при исследовании теплообмена в условиях ограниченного объема.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения радиацион-, ной и конвективной составляющих теплового потока, заключающийся в одно-. временном измерении суммарных тепло- восприятйй с помощью двух тепломеров с различными поглощательными способ ностями лучевоспринимающих поверхностей.В этом способе измерения разделение потоков на лучистую и конвекционную составляющие осуществляют по известным соотношениям с учетом предварительно измеренных значений чувствительности, коэффициентов чер-. ноты и термических сопротивлений тейломеров (3).

Недостатком способа является необходимость использования большого числа экспериментально измеряемых параметров, что значительно снижает точность измерения.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно измеряют суммарный тепловой поток, нагревая лучевоспринимающую поверхность одного из тепломеров до равенства их показаний, и по замеренной мощности подогрева, поглощательным способностям и показаниям тепломеров определяют составляющие теплового .потока.

Уравнения теплового баланса для суммарных тепловых потоков плотностью q и ц, воспринимаемых тепломерамй с коэффициентами поглощения лучевоспринимающих поверхностей а и а в режиме беэ дополнительного подогрева имеют вид „=с „+а q где q u q — конвективные состав4 Х ляющие тепловых потоков к тепломерам с — плотность падающего на лучевоспринимающие поверхности тепломеров излучения, причем а,ч,=я„,и Nqa«q„ -ñîîòâåTñTâåííî радиационйые состав-. ляющие тепловых потоков. Ввиду неравенства температур лучевоспринимающих поверхностей q < ф q

Для режима равных тепловосприятий уравнения теплового баланса примут вид

5 где P — плотность дополнительно подводимой ко второму тепломе10 ру энергии, выделяемой в его резистивном нагревательном элеМенте для обеспечения ре- . жима равных тепловосприятий.

Для тепломеров с равными термическими сопротивлениями вследствие равенства суммарных тепловых потоков с „ =с1" и конвективных составляГ ющих ц„„= 1» справедливо соотношение

4 ) и гЯ.п+р (5)

20 С учетом (1) и (3) выражения для радиационных (4) и конвективных составляющих (5) потоков для первого и второго тепломеров имеют вид лР, . p

25 +A< D " (й) л л я. алр, Q 9

"к а„-а "«) " . а„-а, о"х ()

Учитывая, что показания одного из тепломеров (первого) остаются

30 неизменными в обоих режимах теплопоглощения, при определении составляющих теплового потока предложенным способом в большинстве случаев можно ограничиться измерениями толь35 ко в режиме равных тепловосприятий.

При этом практически более удобно поглощательную способность одного из тепломеров выбрать одинаковой с поглощательной способностью поверхнос40 ти исследуемого объекта, а поглощательную способность второго — по возможности более низкой, чтобы различие в коэффициентах поглощения было максимально. Однако в этом случае, когда приходится иметь дело с исследованием сложного теплообмена объекта с высокой отражательной способностью, например с металлическими поверхностями, целесообразно воспользоваться измерениями в обоих

50 режимах обогрева, чтобы различия в коэффициентах поглощения между дополнительно обогреваемым и необогреваемым тепломерами было наибольшим, а погрешность измерения наименьшей.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока.

Устройство для осуществления cnod0 соба состоит из двух идентичных по чувствительности и термическим сопротивлениям термоэлектрических тепломеров 1 и 2, смонтированных в высокотеплопроводном корпусе 3. Чув 5 ствительными элементами в тепломе746210 рах служат батарейные термоэлектри ческие датчики теплового потока 4, представляющие собой вспомогательные стенки в виде плотного слоя и большого числа последовательно соединенных и ориентированных поперек 5 тепломеров дифференциальных термопар °

Приемные поверхности тепломеров образуют эаформованные на датчиках заподлицо с поверхностью корпуса плоские нагревательные элементы.

Последние выполнены в. виде изолированных теплопроводных подложек 5 с равномерно распределенными пленочными резисторами 6 в форме меандра.

Лучевоспринимающая поверхность тепломера 1 тщательно зачернена, а поверхность тепломера 2 покрыта фольгой или краской с высокой отражательной способностью.

В качестве вторичных приборов, предназначенных для снятия показа- 20 ний тепломеров и осуществления контролируемого дополнительного обогрева, используется стандартная электроизмерительная аппаратура (регулируеьый источник тока, нуль-галь- 25 ванометр, потенциометр, ваттметр) . устройстВо закрепляют на испытуемом участке поверхности исследуемого объекта, экспонируют в натурных условиях сложного теплооб- 3Р мена и в установившемся тепловом состоянии снимают показания датчиков, соответствующие суммарным тепловым потокам к тепломерам в режиме равных тепловосприятий, достигаемом 35 путем дополнительного подвода энергии к тепломеру с меньшим коэффициентом поглощения, а также в режиме с отключенным дополнительным подогревом. Электрические сигналы датчиков, соответствующие суммарным тепловым потокам к тепломерам, измеряют компенсационным методом. Операция уравнивания подводимых к тепломерам, тепловых потоков осуществляется путем контролируемого с помощью ваттметра подвода энергии к резистивному нагревательному элементу 6 от регулируемого источника тока. Контроль равенства поглощаемых потоков достигается либо по показаниям тепломе- -5О ров, либо с помощью нуль-гальванометра, измеряющего разностный сигнал между включенными встречно датчиками тепломеров i и 2.

Сравнительные испытания предложенного способа с известным показали, что точность измерения составляющих теплового потока в условиях свободной конвекции с излучением в

3-4 раза выше. Кроме того, благодаря полностью строгой операции разделения составляющих теплообмена, достига-. емой в режиме равных тепловосприятий, данный способ с успехом может

/ быть использован в любых условиях слджного теплообмена, например . при испытаниях объектов новой техники. в обстановке больших скоростей теплоносителя, когда известные ранее способы непременимы, либо дают слишком большие погрешности.

Формула изобретения

Способ измерения радиационной и конвективной составляющих теплового потока, заключающийся в одновременном измерении суммарных тепловосприятий с помощью двух тепломеров с различными поглощательными способностями лучевоспринимающих поверхностей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно измеряют суммарный тепловой поток, нагревая лучевоспринимающую поверхность одного из тепломеров до равенства их показаний, и по замеренной мощности подогрева, поглощательным способностям и показаниям тепломеров определяют составляющие теплового потока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Кого В.С. Исследование теплообмена в рабочем пространстве мартеновской печи.- Сталь, 1953, РЗ.

2. Геращенко О.A. и др. Новые приборы для исследования свойств теплового излучения, Материалы Ш Всесо" юзного Совещания по лучистому теплообмену, Краснодар, 1975, с.107-116.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 251872, кл. G 01 К 17/00, 1968 (прототип) .

Составитель В. Голубев

Редактор Н. Шильникова Техред A. Щепанская Корректор Н. Стец

Закаэ 4094/13 Тираж 713 Подписное

ЦНИИПИ Государственного кимитета СССР по делам иэобретений и открытий

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

Филиал ППП. Патент, r. Ужгород, ул. Проектная,4,