Способ экспериментального определения коэффициента теплоотдачи поверхности и устройство для его реализации
METHOD OF EXPERIMENTAL DETERMINATION OF SURFACE HEAT-TRANSFER COEFFICIENT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технологии измерения тепловых потоков между твердой поверхностью и текучей средой и может быть использовано в теплофизическом эксперименте при исследовании теплоотдачи.
Известен способ определения коэффициента теплоотдачи конвективно охлаждаемой детали (патент № 2220409, МПК G01M 15/00, заявл. 2001.11.21, опубл. 2003.12.27), в котором деталь помещают в расплав кристаллического вещества и при температуре кристаллизации последнего продувают охлаждающей средой и измеряют температуру детали. При продувке непосредственно в расплаве измеряют температуру наружной поверхности стенки детали, фиксируют время проведения измерения от момента начала продувки и для вычисления коэффициента теплоотдачи используют алгебраическое уравнение, которое является решением системы уравнений математической модели процесса затвердевания равновесного расплава на охлаждаемой стенке, а именно граничного условия третьего рода на охлаждаемой (внутренней) поверхности стенки, теплового баланса на границе затвердевания расплава (условие Стефана) и граничного условия четвертого рода на наружной поверхности стенки детали. Недостатком такого способа является то, что точность определения коэффициента теплоотдачи в значительной мере зависит от достоверности входящих в расчетную формулу теплофизических параметров кристаллического вещества, которые изменяются скачкообразно при фазовом переходе (кристаллизации). Измерение температуры стенки детали при этом возможно лишь с помощью контактных измерителей температуры, что приводит к искажению температурного поля, а коэффициенты теплоотдачи определяются только в зонах установки измерителей температуры.
Из известных способов измерения теплового потока и устройств для его реализации наиболее близким по назначению и сущности к заявляемому является способ определения коэффициента теплоотдачи тела, обтекаемого потоком охлаждающей среды (Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник / Под общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1982), основанный на теории регулярного теплового режима. В этом способе тело, выполненное из изолятора, оснащают металлическими тепловыми вставками простой геометрической формы, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью и оснащенные измерителями температуры (термопарами). Тело, изолированное от потока жидкости или газа, перегревают по отношению к температуре потока. Далее тело приводят в контакт с потоком и измеряют темп его охлаждения. Коэффициент теплоотдачи определяют методом регулярного режима, основанным на равенстве изменения энтальпии нагретого тела и теплоты, рассеиваемой в обтекаемую телом среду посредством теплоотдачи. К недостаткам способа относится необходимость изолировать тело от потока жидкости и газа при создании перегрева тела относительно потока. При реализации способа для создания перегрева необходимо отдельное устройство (например, термошкаф). За время установки (монтажа) нагретого тела в поток жидкости или газа возможно появление неравномерности температурного поля тела и вставок, что влияет на неопределенность измерения коэффициента теплоотдачи. Кроме того, установка вставок в исследуемой детали искажает ее температурное поле, что наряду с наличием теплообмена между вставками и телом приводит к увеличению неопределенности при измерении коэффициентов теплоотдачи.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении неопределенности измерения коэффициента теплоотдачи, снижении трудоемкости проведения опытов.
Технический результат достигается тем, что в способе экспериментального определения коэффициента теплоотдачи теплообменной поверхности, выполненной из неэлектропроводного материала, включающем предварительный нагрев поверхности, затем в потоке охлаждающей среды фиксирование изменения во времени температуры поверхности и определение коэффициента теплоотдачи на границе поверхность - охлаждающая среда по методу регулярного теплового режима, новым является то, что теплообменную поверхность нагревают, пропуская электрический ток, достаточный для создания разности температуры между теплообменной поверхностью и потоком охлаждающей среды, через электропроводный слой, которым покрывают вышеупомянутую теплообменную поверхность, а фиксируют изменение температуры теплообменной поверхности по времени в потоке охлаждающей среды, пропуская через вышеупомянутый электропроводный слой ток малой величины, достаточный для работы его в режиме термометра сопротивления.
Технический результат достигается тем, что в теплообменной поверхности для реализации способа, выполненной из неэлектропроводного материала, содержащей нагреваемые элементы, по изменению температуры которых в потоке охлаждающей среды определяют коэффициент теплоотдачи, новым является то, что нагреваемые элементы представляют собой, по меньшей мере, один электропроводный участок тонкой фольги из металла с высоким температурным коэффициентом сопротивления, нанесенный на теплообменную поверхность и подключенный к источнику питания с возможностью регулирования величины тока, которая в режиме нагрева имеет значение, достаточное для создания разности температуры между теплообменной поверхностью и потоком охлаждающей среды, а в режиме измерения температуры - значение, при котором электропроводный участок работает в режиме термометра сопротивления.
В каждом электропроводном участке методом травления выполнены зигзагообразные дорожки, подключенные к источнику питания.
На противоположной стороне теплообменной поверхности выполнены симметричные электропроводные участки, при этом вышеупомянутые электропроводные участки с обеих сторон теплообменной поверхности соединены между собой последовательно при помощи сквозных клипс.
На фиг. 1 представлена теплообменная поверхность с электропроводным слоем.
На фиг. 2 - теплообменная поверхность с участками, покрытыми электропроводным слоем.
На фиг. 3 - схема подключения участков электропроводного слоя к источнику питания.
Позиции на фигурах: 1 - теплообменная поверхность (пластина); 2 - участки электропроводного слоя (тонкая металлическая фольга в форме зигзагообразных дорожек); 3 - разъемы на периферийной, не участвующей в обдуве охлаждающей средой части теплообменной поверхности; 4 - выводы на периферийную часть пластины; 5 - сквозные прорези в пластине между соседними участками электропроводного слоя.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что для экспериментального определения коэффициента теплоотдачи на границе текучая среда - твердая поверхность выполняется предварительный нагрев теплообменной поверхности 1 (фиг. 1), выполненной из неэлектропроводного материала, при пропускании тока большой величины через электропроводный слой 2 - тонкую металлическую фольгу (фиг. 1) с высоким температурным коэффициентом сопротивления, наклеенную на эту поверхность. Затем в потоке охлаждающей среды измеряется темп охлаждения теплообменной поверхности 1, для чего через фольгу 2 пропускается ток минимальной величины, достаточной для измерения ее электрического сопротивления, по величине которого и по известному значению температурного коэффициента сопротивления материала фольги определяется температура поверхности. Коэффициент теплоотдачи определяется по темпу охлаждения теплообменной поверхности 1 методом регулярного режима.
В основе метода регулярного режима, используемого для измерения коэффициента теплоотдачи на границе стенка - охлаждающая среда, лежит равенство изменения энтальпии нагретой поверхности и теплоты, рассеиваемой посредством теплоотдачи в обтекаемую пластину среду:
dθ/dτ=-θFα/Wρc,
f
f
где θ=t-t - разность температур пластины и потока; t - температура стенки; t - температура потока; F - площадь контактной поверхности; W - объем нагретой теплообменной поверхности; ρ и c - плотность материала теплообменной поверхности и ее теплоемкость; τ - время.
j
i
K
Устройство для реализации заявляемого способа экспериментального определения коэффициента теплоотдачи поверхности содержит теплообменную поверхность 1 (фиг. 2), выполненную из неэлектропроводного материала с низким коэффициентом теплопроводности, на поверхность которой нанесен электропроводный слой 2 (тонкая медная фольга). Чтобы обеспечить достаточно большое сопротивление участка медной фольги 2, используемого в качестве термометра сопротивления при измерении темпа охлаждения теплообменной поверхности 1, в фольге 2 методом травления сформированы зигзагообразные дорожки. Допускается разбиение теплообменной поверхности 1 на несколько участков (фиг. 2), что позволяет измерять средние значения коэффициента теплоотдачи на каждом из участков. В этом случае дорожки каждого участка соединены последовательно, и каждый участок имеет заканчивающиеся разъемами 3 выводы 4 на периферийную (не участвующую в обдуве охлаждающей средой) часть теплообменной поверхности 1 (за границы ее рабочего участка). Для снижения перетекания тепла между соседними участками теплообменной поверхности 1 они могут быть разделены сквозными прорезями 5, которые заклеены тонкой пленкой. Аналогичные прорези отделяют участки теплообменной поверхности 1 от ее периферийной части. Нерабочая поверхность теплообменной поверхности 1 тщательно теплоизолируется. Возможен вариант изготовления теплообменной поверхности 1, в которой на ее обеих сторонах симметрично выполнены одинаковые дорожки из медной фольги 2 (одинаковые участки с дорожками из медной фольги). В этом варианте дорожки каждого участка с обеих сторон теплообменной поверхности 1 соединены последовательно при помощи специальных сквозных клипс. Организуется симметричное обтекание теплообменной поверхности 1, при этом коэффициент теплоотдачи определяется по результатам изменения электрического сопротивления дорожек фольги 2 с обеих сторон теплообменной поверхности 1. При таком выполнении теплообменной поверхности 1 неучтенные тепловые утечки существенно ниже. Принципиальная схема подключения дорожек теплообменной поверхности 1 к источнику питания, обеспечивающая ее нагрев и измерение температуры, представлена на фиг. 3. Дорожки каждого участка теплообменной поверхности 1 на фигуре изображены в виде резисторов R. Нагрев выполняется при замкнутом положении ключа K. После окончания процесса нагрева ключ K размыкается, а подводимая от источника питания мощность снижается до величины, при которой дорожка каждого участка R теплообменной поверхности 1 работает в режиме термометра сопротивления. Контроль за величиной тока на режиме измерения выполняется по измеренному падению напряжения на прецизионном резисторе R.
Заявляемый способ и устройство для его реализации позволяет снизить неопределенность измерения коэффициента теплоотдачи за счет использования одних и тех же элементов для нагрева теплообменной поверхности и измерения ее температуры, а также исключения препарирования детали контактными датчиками температуры или калориметрическими вставками и снижения неучтенных утечек тепла при реализации симметричного обтекания исследуемой поверхности с двух сторон. Кроме того, заявляемое устройство позволяет снизить трудоемкость проведения опытов, т.к. нагрев осуществляется без переустановки объекта.