УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
DEVICE FOR MEASUREMENT OF HEAT FLUX

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения теплового потока.
Известен электродный котел (Патент РФ №2279605 С1, 10.07.2006, БИ №19), включающий теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы с электродами, теплообменник с трубопроводами и расширительную емкость с манометром, соединенную патрубком с нижней частью электродного котла. Измерение теплового потока производится измерительным прибором (амперметром) при стационарной теплоотдаче в условиях баланса генерируемой и потребляемой мощности. Для повышения точности измерений производится компенсация падения давления в системе посредством компрессора.
Недостатком данного электродного котла является значительная погрешность, т.к. генерируемая мощность дополнительно расходуется на нагрев вытесняемой части воды из расширительной емкости, где ее температура не контролируется, а стенки расширительной емкости не имеют теплоизоляции. Дополнительным источником погрешности является неконтролируемое поступление энергии в виде сжатого воздуха на компенсацию падения давления в системе при изменяющейся тепловой нагрузке. Также измерение теплового потока электродным котлом является процедурой длительной.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности результата измерения, быстродействия и информативности, снижение энергопотребления.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения теплового потока, включающее теплоизолированный корпус с крышкой, изоляторы, электроды, теплообменник, соединенный трубопроводом с крышкой и нижней частью корпуса, расширительную и нагревательную емкости, содержит измерительно-вычислительный блок, соединенный с электродами и датчиком давления, установленным в теплоизолированном корпусе, причем теплоизолированный корпус является расширительной емкостью, в которой расположена нагревательная емкость с возможностью перетока жидкости.
На чертеже изображена принципиальная схема устройства для измерения теплового потока.
Устройство содержит теплоизолированный корпус 1 с крышкой 2, изоляторы 3, электроды 4, теплообменник 5, соединенный трубопроводом 6 с крышкой 2 и нижней частью корпуса 1, расширительную 8 и нагревательную 9 емкости, измерительно-вычислительный блок 10, соединенный с электродами 4 и датчиком давления 11, установленным в теплоизолированном корпусе 1, причем теплоизолированный корпус 1 является расширительной емкостью 8, в которой расположена нагревательная емкость 9 с возможностью перетока жидкости. Вентиль 12 в днище корпуса 1 и вентиль 13 в теплообменнике 5 служат для заполнения системы водой и удаления воздуха. Для генерации теплового потока устройство содержит источник питания 14. Моделирование тепловой нагрузки теплообменника 5 осуществляют с помощью вентилятора 15 с электродвигателем 16.
0
Устройство для измерения теплового потока работает следующим образом. Перед началом работы с помощью вентиля 12 систему, состоящую из элементов 1, 5, 6 и 7, заполняют водой, причем вентиль 13 оставляют в открытом состоянии. После полного вытеснения воздуха водой вентили 12 и 13 закрывают. С помощью источника питания 14 на электроды 4 подают рабочее переменное напряжение 220 (380) В, в результате чего происходит нагрев воды в нагревательной емкости 9. При нагреве воды до температуры кипения происходит парообразование, в результате чего паровая фаза вытесняет воду из нагревательной емкости 9 в расширительную емкость 8 корпуса 1. Для осуществления перетока жидкости между стенками нагревательной емкости 9 и основанием расширительной емкости 8 корпуса 1 имеется зазор. Электрическая мощность (тепловой поток), развиваемая электродами 4 парогенератора, должна быть больше, чем тепловая нагрузка на теплообменнике 5. В этом случае рабочие поверхности теплообменника 5 имеют одинаковую температуру, близкую к температуре насыщенного пара, то есть изотермичны. Отсутствие принудительной нагрузки на теплообменнике 5 предлагаемого устройства приводит к установлению баланса генерируемой и рассеиваемой мощности (теплового потока) в условиях стационарной теплоотдачи при постоянной разности температур между достаточно большим объемом охлаждаемой среды (замеры можно проводить на открытом воздухе, вне помещения) и нагретым до исследуемой рабочей температуры устройством. Состояние баланса характеризуется фиксированными параметрами состояния термодинамической системы: давление р, температура насыщенного пара  и объема насыщенного пара .
0
0
Посредством измерительно-вычислительного блока 10 по показанию ваттметра W производится измерение и регистрация значения теплового потока q=P, рассеиваемого устройством.
1
1
1
1
0
1
Для измерения теплового потока при изменении характера движения охлаждающей среды, происходящего при моделировании тепловой нагрузки посредством вентилятора 15, необходимо включить электродвигатель 16, выдержать устройство до момента достижения им баланса рассеиваемой и генерируемой мощности и произвести измерение и регистрацию полученных значений q=P по ваттметру измерительно-вычислительного блока 10. Полученное значение теплового потока q корректируется поправкой на величину потери давления в системе Δp вследствие изменения объема парового пространства и вытеснения воды из расширительной емкости 8 в нагревательную часть 9 корпуса 1. Значение этой поправки определяется произведением площади поперечного сечения нагревательной части корпуса на разницу уровней границы раздела фаз (на чертеже отмечены как h и h).
,
1
где ΔV - изменение объема паровой фазы.
Таким образом, корректированное значение величины теплового потока:
Измерение значений тепловых потоков при других тепловых нагрузках производится аналогично.
Таким образом по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет производить измерение теплового потока при различных режимах нагружения и в интервалах исследуемых характеристик без поднастройки, что повышает быстродействие и снижает энергозатраты. При этом точность измерения повышается вследствие минимизации неучтенных потерь энергии и корректировки измеренных значений на величину поправки от разницы параметров состояния без нагрузки и при нагружении.