Устройство для определения теплофизических свойств различных изделий,например,компактных теплообменников

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЛЬСТВУ

Союз Соввтскик

Социапнстмч ескина

Рвспублнк (61) Дополнительное к авт. саид-ву(22) Заявлено 201279 (21) 2856729/18-25 ()М КЛ.

G 01 N 25/00 с присоединением заявки МГосударственный комитет

СССР ио делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 1 .10.81, Бюллетень N9 38

Дата опубликования описания 1.5.10.81 (53) УДК 5Ç6.6 (088.8) T .Ã. Грнщенко, В.Г. Ламаскнн, Л.В. Лакуна, О.Л. Геращенко, н В.Г. Федоров f

Институт технической теплофизики" .AH Украинской ССР: (72) Авторы .изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙВ НАПРИМЕР

КОМПАКТНЫХ TEIIJIOOSMEHHHKOB

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения коэффициентов теплоотдачи и качества изготовления компактных теплообменников, применяемых в установках кондиционирования воздуха, авиацион ных охладителях, системах воздушного охлаждения электронных приборов.

Известно устройство для изучения теплоотдачи при движении воздуха в трубе, содержащее опытную трубу, расположенную параллельно оси барабана с двойными стенками, систему термопар и два нагревателя, основной и компенсационный . В нижней час« . ти полости, образованной опытной трубой и внутренней стенкой барабана установлен основной электрический нагреватель, а сама полость наполовину заполнена жидкостью. Компенсационный нагреватель установлен на внешней поверхности барабана и служит для подвода тепла к жидкости, наполовину заполняющей полость между двойными стенками барабана. О равенстве тем ператур в обеих полостях судят по равенству давлений в них. Разность давлений измеряют с помощью дифференциального манометра. При включенном основном нагревателе образующийся пар конденсируется.на поверхности трубы, внутри которой движется холодный воздУх. Парообразование в полости между двойными стенками осуществляется с помощью компенсационного нагревателя. С помощью дифференциального манометра контролируют ра1О венство давлений в обеих полостях устройства и, поддерживая одинаковые давления в полостях, обеспечивают адиабатичность внутренней стенки барабана. Это позволяет определять ко личество тепла, подведенное к воздуху, по мощности основного нагревателя. Разность температур определяют с помощью термопар, установленных на внутренней поверхности опытной трубы и на входе и выходе исследуемого

2О участка. Коэффициент теплоотдачи определяют как отношение плотности теплового потока к разности температур (1).

Недостатками данного устройства являются низкая точность определения коэффициентов теплоотдачи из-за трудности обеспечения адиабатичности внутренней стенки барабана и его торцов, необходимость в температурных

30 измерениях, а также большие затраты

873081 времени на подготовку и проведение экспериментов.

Наиболее близким к предложенному ,является устройство для исследования тепловых характеристик пластинчатых теплопередающих поверхностей, содержащее соединенную с компактным.тепаообменником систему годачи газа с установленными в ней расходомером, приемниками статического давления и термопарами для измерения температуры газа на вй>де, систему термопар для измерения температуры поверхности теплообмена и температуры газа на выходе нз компактного теплообменника, причем компактный теплообменник установлен в разъемном корпусе, подсое- f5 диненном к системе термостатирования, н систему измерения. Подвод тепла осу" ществляется паром, омывающим исследуе.мый образец. Величину плотности теплового потока определяют энтальпийным щ методом по измеренным величинам расхода движущейся среды, статическому давлению и температурам газа на входе и выходе компактного теплообменника.

Необходимую для расчета коэффициента теплоотдачи разность температур определяют по показаниям системы термопар, установленных на поверхности раздела фаз, на входе и выходе исследуемого образца (2).

Недостатками этого устройства яв- Зр ляются низкая точность определения коэффициента теплоотдачи (Ф = 16%), обусловленная большой погрешностью в определении плотности теплового потока энтальпийным методом из-за 35 неучтенных теплопритоков и малой разности температур, а также громоздкость эксПериментальной установки, вызванная. необходимостью в получении греющего пара, большие затраты вре- 4р мени на,монтаж компактного теплообменника в измерительную ячейку (24 ч), подготовку устройства к работе (4 ч), проведение ° эксперимента и обработку результатов опытов (1 ч).

Белью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введен дополнительный компактный теплообменник с автономной системой подвода и контроля параметров теплоносителя, образующий индивидуальную измерительную ячейку, кроме того, в каждую иэ измерительных ячеек введены тепломеры с одинаковой чувствительностью и задан- 55 ными равными термическими сопротивлениями, смонтированные на термостатируежих блоках, подключенных параллельно к системе термостатирования, причем в одной из измерительных ячеек 4р тепломеры контактируют непосредственно .с поверхностями компактного теплообменника, а в другой — между поверхностями компактного теплообменни ка и поверхностями тепломеров введе- gg ны съемные вкладыши с заданными равными термическими сопротивлениями и поверхностями контакта, совпадающими по размерам с поверхностями контакта тепломеров и компактных теплообменников.

На чертеже изображено устройство, оригинальная часть (беэ показа расходомеров, приемников статического давления и вторичной аппаратуры) .

Оригинальная часть предложенного устройства содержит две измерительные ячейки, разделенные теплоизоляционной пластиной 1. Каждая из измерительных ячеек содержит тепломеры 2, соединенные последовательно по электрическому сигналу и смонтированные на поверхностях термостатирующих блоков 3, которые выполнены в виде проточных теплообменников и служат для термбстатирования поверхностей тепломеров 2. В одной измерительной ячейке компактный теплообменник 4 установлен непосредственно между тепломерами 2. Во второй измеритель-. ной ячейке между тепломерами 2 и компактным теплообменником 4 помещены съемные вкладыши с заданными равными между собой термическими сопротивлениями. Компактные теплообменники 4 снабжены переходниками 5 для подключения их к системе подачи теплоносителя (жидкости или газа).

Для обеспечения стабильности во времени контактных сопротивлений между соответствующими поверхностями к крайним термостатирующим блоком приложено постоянно действующее усилие Р

Для определения коэффициентов тецлоотдачи компактногб теплообменника 4 требуются два одинаковых исследуемых образца. В одной.из измерительных ячеек компактный теплообменник 4 устанавливают непосредственно между тепломерами 2 . Второй компактный теплообменник монтируют в другой измерительной ячейке так, что он контактирует с тепломерами 2 через съемные вкладыши б. Исследуемые компактные теплообменники соединяют с системой подачи теплоносителя 5,, после чего собранный пакет нагружают постоянно действующим усилием Р . Термостатирующие блоки 3 подключают с помощью штуцеров к термостатам и включают систему термостатирования. Через исследуемые компактные теплообменннки 4 пропус- . кают гаэ (жидкость) с контролируемыми параметрами. Тепломеры 2 подключают к вторичной аппаратуре. Коэффициент теплоотдачи вычисляют по величине отношения плотностей теплового потока, проходящего через соответствующие тепломеры, и величине расхода газа по нижеприведенной формуле (4).

Есл температуры контактов тепломеров с термостатирующими блоками

873081

1О или (4Ф 1В (tk„- м) i

„6 (СР

1 r

f5 (2= р к2 н) ср

Из анализа формулы (6) следует, 65 что при равенстве коэффициентов теподинаковы, и температуры газа на входе в обе измерительные ячейки равны, то при условии равенства расходов газа, плотности, теплового потока, проходящего через тепломеры, мо.гут быть представлены следующими уравнениями

,=(,-a„)(ll<-,) ";

q -(о-47(1 т ВкГ" (где q u q — плотности теплового

2 потока, проходящего через тепломеры 2; — температура контактов тепломеров 2 с термостатирующими блоками 3, одинаковая во всех измерительных ячейкаху

Ь и — средняя по длине ис1 следуемого образца ком- . пактного теплообменника температура движущейся среды (газа); 30 д - коэффициент теплоотдачи;

Вт - термическое сопротивле-, . ние тепломеров 2 (одинаковое для всех тепломеров)у 35

R(((l(. — термическое сопротивление вкладышей 6;

О„ и Gg - расход газа (G = 62);

СР— теплоемкость гаэау т — площадь тепловосприни 40 мающей поверхности тепломерау

tll - температура газа на входе в исследуемые компактные теплообменника; 45

1К1и Ска- температура газа на выходе из исследуемых июнтактных теплообменников

Если принять за среднюю темпера- 50 туру газа по длине исследуемого компактного теплообменника среднее арифметическое между t> и t«, то значение температурного напора может быть рассчитано по формуле: 55 ((; )-(— -т — 1 ®

Слащует заметить, что среднее арифметическое значение температуры напора всегда больше среднего логарифмического и при д t

Решив систему уравнений (1 - 3) относительно коэффициента теплоотдачи (, получаем расчетную формулу вида ,i(Яьк -R - т )" (+) Из анализа формулы (4) следует, что, зная величины R и КВ„, которые являются константами устройства, и измерив плотности теплового потока

q и q, а также расход газа 6 (можно определить коэффициент теплоотдачи

d. б еeз s иHзsмMеeр еeнHиHя тTеeмMпllеeр аaтTу р,,,.тT.е. в .известном устройстве заменить все температурные измерения теплометрическими.

Предложенное устройство может быть использовано также для контроля качества изготовления компактных, теплообменников, для оценки целесообразности проведения тех или иных конструктивных изменений компактных теплообменных поверхностей с целью интенсификации теплообмена и для исследования влияния измерения режимов движения теплоносителя на величину коэффициента теплоотдачи °

Например; для сравнения теплообменных характеристик исследуемого образца компактной теплообменной поверхности с известной конструкцией в измерительные ячейки помещают исследуемый и известный (эталонный) образцы компактных теплообменников, причем съемные вкладыши в этом случае изъяты. Обеспечивая равенство расхода движущегося. теплоносителя через оба образца компактных теплообменников, равенство температур газа на входе в образцы и поддерживая одинаковыми температуры контакта тепломеров 2 с термостатирующими блоками 3, производят измерения плотностей теплового потока g< и g u расхода G.

В этом случае для плотностей теплового потока, проходящего через соответствующие тепломеры, справедливы следующие уравнения

q, а(-%„)(1(cLs iRr) () (= Цо-e )(1 („ Rò,)- ", где йs — коэффициент теплоотдачи эталонного образца;

d.> — коэффициент теплоотдачи исследуемого образца.

Из си темы уравнений (5), (2), (3), получается. соотношение дпя велиRHHhl („(,(((l*p нФв (— tt а("xij-Éþ(Рт) . (ы г „г.

Rcp G(-p

873081 лоотдачи (,„ = d.g для обоих образцов контактных теплообменников, через тепломеры проходят одинаковые тепловь.а потоки q = q . Если AM) cL@ то ц q„, и наоборот, если*„((, то qa(В предложенном устройстве удается снизить относительную погрешность определения коэффициента теплоотдачи до 6%, т.е. повысить точность измерений по сравнению с известным в

2 5 раза. Увеличение точности измерений достигается за счет отказа от измерений малых разностей температур, а также за счет того, что при вычислении коэффициента теплоотдачи по расчетной формуле (4) в числитель и знаменатель отношения ц„/ q подставляют величины одного порядка, измеренные одним и тем же вторичным прибором. Данное устройство имеет на порядок меньшую металлоемкость эа счет уменьшения габаритов и отсутствия системы получения и под. вода пара и позволяет сократить время подготовки, проведения и обработки результатов эксперимента более чем в 20 раэ. Это достигается эа счет сокращения времени установки образца с 24 ч до 20 мин, времени выхода устройства на режим с 4 ч до 30 мин, затрат времени на измерения и обработку результатов с 1 ч до 20 мин.

Использование устройства в научноисследовательской практике позволяет ускорить внедрение новых видов компактных теплообменников.

Формула изобретения

Устройство для определения теплофизических свойств различных иэделий, например компактных теплообменников, содержащее соединенную с компактным теплообменником систему, подачи теплоносителя с установлен ными в ней расходомером, датчиками температуры и приемниками статического давления, причем компактный теплообменник установлен в разъемном корпусе, подсоединенном к системе термостатирования, и систему измерения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в устройство введен дополнительный компактный теплообменник ,с автономной системой подвхода и контроля параметров теплоносителя, образующий индивидуальную измерительную ячейку, кроме того, в каждую из измерительных ячеек введены тепломеры с одинаковой чувствительностью и заданными равными термическими сопротивлениями, смонтированные на термостатируемых блоках, подключенныХ параллельно к системе термостатироЩ вания, причем в одной из измерительных ячеек тепломеры контактируют непосредственно с поверхностями компактного теплообменника, а в другоймежду поверхностями компактного тепе лообменника и поверхностями тепломеров введены съемные вкладыши с заданными равными термическими сопротивлениями и поверхностями контакта, совпадающими по размерам с поверхносЗ® тями контакта тепломеров и компактных теплообменников.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Петухов В.С. Опытное изученйе процессов теплоотдачи„ М., Госэнергоиздат, 1952, с. 190-194.

2. Барабанов Ю.Ф.Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик пластинчатых тепло40 передающих поверхностей.Теплообменные аппараты газотурбинных двигателей.

Вып. 1 ЦИАМ, Труды Р 646, 1975, с. 73-96 (прототип).

873081

Составитель В. Гусева

Редактор П. Коссей Техред Ж.Кастелевич Коррекжер Й. Деижик

Заказ 9020/67

В

Е

Ы

ЪС

Тираж 910 Подпианее

ВНИИПИ Государственного комитета СС6Р по .делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент., г. Ужгород, ул. ПРояжзжаа,, 4