УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к теплотехнике и может найти преимущественное применение при экспериментальных исследованиях и моделировании тепловых процессов, протекающих при проведении масштабных испытаний химических источников тока (ХИТ), размещаемых в фортификационных сооружениях объектов Ракетных войск стратегического назначения (РВСН).
Сущность: устройство содержит теплоизолированную герметичную емкость, через которую прокачивается теплоноситель, с возможностью размещения в ней химического источника тока. В процессе заряда или разряда ХИТ выделяет тепло, которое передается теплоносителю. При этом расход теплоносителя, поступающего в емкость, измеряется на входе, а температура на входе и выходе емкости. Зная расход теплоносителя, и разность температур на входе и выходе емкости, можно определить мощность тепловыделения химического источника тока. Для повышения точности измерений в дно емкости встроены вертикальные опоры, на которых устанавливается ХИТ, благодаря этому теплоноситель свободно омывает все стенки ХИТ, включая нижнюю.
Технический результат: повышение надежности конструкции, повышение точности измерения мощности тепловыделения химического источника тока за счет съема тепла со всей площади поверхности ХИТ.
Известно устройство аналогичного назначения, смотри патент на полезную модель №104383 H01L 35/28. Устройство содержит теплопроводник, который своей одной плоскостью находится в тепловом контакте с первыми датчиками температуры и большими гранями m тепловых концентраторов, выполненных в виде призм и имеющих в сечении форму равнобокой трапеции, а противоположные им малые грани - в тепловом контакте со вторыми m датчиками температуры и плоскостями m термоэлементов, противоположные плоскости которых находятся в тепловом контакте с плоскостью теплообменника, по которому прокачивается технологический теплоноситель. Для уменьшения теплового сопротивления контакт обеспечивается слоем теплопроводного вещества, а для исключения обратного перетекания тепла пространство между теплопроводником и теплообменником заполнено теплоизолирующим веществом. Другая плоскость теплопроводника находится в тепловом контакте с теплопроводной плитой аккумуляторной батареи. Выходы датчиков температуры присоединены ко входам m элементов сравнения. Выходы элементов сравнения присоединены к первым входам коммутатора, первый выход коммутатора присоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход АЦП присоединен к шине данных электронно-вычислительной машины (ЭВМ), ко входу цифроаналогового преобразователя (ЦАП), к управляющим входам АЦП, ЦАП и коммутатора, m аналоговых выходов которого присоединены ко входам усилителей мощности, в нагрузку которых включены m соответствующих термоэлетрических элементов (ТЭ).
Недостатки указанного аналога состоят в том, что устройство имеет неудовлетворительную точность измерения мощности теплового потока, ввиду учета тепла, выделяемого только с вертикальной площади поверхности ХИТ.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является патент на изобретение №2472258 H01M 10/50, G01K 17/00 принятый за прототип. Устройство содержит тепловой концентратор, два датчика температуры, один из которых находится в тепловом контакте с поверхностью термоэлемента, противоположная поверхность которого находится в тепловом контакте с плоскостью теплообменника, второй датчик температуры, находящийся в тепловом контакте с аккумулятором, причем выходы датчиков присоединены ко входу блока сравнения, выход блока сравнения присоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя, его выход к шине данных электронной вычислительной машины, выходы которой подключены ко входу цифроаналогового преобразователя и к управляющим входам аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, выход цифроаналогового преобразователя присоединен ко входу усилителя мощности, в нагрузку которого включен термоэлемент.
Недостатками указанного прототипа является:
Недостатки указанного аналога состоят в том, что устройство имеет неудовлетворительную точность измерения мощности теплового потока, ввиду учета тепла, выделяемого только с вертикальной площади поверхности ХИТ, сложные электронные элементы в своем составе, понижающие надежность устройства.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель это упрощение и повышение надежности конструкции, повышение точности измерения тепловыделений химических источников тока за счет снятия тепла со всей площади поверхности ХИТ, что позволит корректно смоделировать тепловые процессы, протекающие при проведении масштабных испытаний ХИТ, размещаемых в фортификационных сооружениях объектов РВСН.
Заявляемая полезная модель, отличается тем, что содержит емкость с вертикальными опорами, встроенными в дно с возможностью размещения на них химического источника тока, входную группу, состоящую из встроенных обратного клапана, датчика расхода и датчика измерения температуры теплоносителя, выходную группу, состоящую из встроенных обратного клапана и датчика измерения температуры теплоносителя, соединенную с емкостью неразъемными петлями с вмонтированными в ее корпус зарядным и нагрузочным устройствами, содержащими токовыводы, с возможностью их соединения с клеммами химического источника тока.
Физическая осуществимость устройства основана на измерении расхода теплоносителя, начальной и конечной температуры теплоносителя на входе и выходе из емкости с последующим расчетом мощности тепловыделения ХИТ.
Для измерения теплового потока, отводимого от ХИТ в окружающую среду, он помещен в теплоизолированную емкость, таким образом, что между стенками емкости и ХИТ имеется свободное пространство, заполненное теплоносителем, воспринимающим выделяющуюся при циклировании теплоту со всей площади поверхности ХИТ.
Для определения мощности тепловыделения ХИТ используем уравнение баланса энергии, представленное в виде:
a
T
K
где Q - теплота, отдаваемая ХИТ, Дж; Q - теплота, воспринимаемая теплоносителем в емкости; Q - теплота, воспринимаемая стенками емкости.
K
T
Устройство емкости позволяет пренебречь теплотой Q ввиду ее малости по сравнению с Q, поэтому принимаем
Теплоту Q можно представить в виде
T
T
где m - масса теплоносителя в емкости кг; c- теплоемкость теплоносителя.
3
T
4,176*10 Дж/(кг*K); Δt - подогрев теплоносителя в емкости, °С.
Мощность теплового потока W, отдаваемого ХИТ в емкость, рассчитывается по формуле
T
T
T
здесь m=L ρ, где L - расход теплоносителя, ρ - удельный вес теплоносителя.
Чтобы выразить мощность тепловыделений в Вт, существует хорошо известная формула:
Здесь:
W - отводимые избытки тепла (мощность теплового потока) Вт;
вых
t - температура теплоносителя на выходе из емкости °С;
вх
t - температура теплоносителя на входе емкости °С;
ρ - удельный вес теплоносителя кг/м3;
С - теплоемкость теплоносителя Дж/кг град;
T
3
L - расход теплоносителя. м/сек.
C
Таким образом, для того чтобы вычислить мощность теплового потока, необходимо измерить расход теплоносителя, его температуру на входе и выходе емкости, время нагрева t, в процессах заряда и разряда ХИТ.
Устройство работает следующим образом. В процессе заряда или разряда, химический источник тока 1, помещенный в емкость 2 на опоры 3, выделяет тепло, которое передается теплоносителю 4, поступающего в емкость через обратный клапан 5, при этом температура теплоносителя непрерывно измеряется на входе датчиком 7, и на выходе через обратный клапан 6 датчиком температуры 8. Также на входе в емкость измеряется расход теплоносителя датчик расхода 9. На емкость 3 устанавливается герметичная крышка 10, емкость и крышка соединены неразъемными петлями, закрепленными на корпусах болтовым соединением, в корпус крышки встроены зарядное устройство 11 и нагрузочное устройство 12 с токовыводами 13, которые соединяются с выводами химического источника тока 14. В зависимости от режима, заряд или разряд, в цепь ХИТ подключается зарядное устройство или нагрузочное устройство. В процессе циклирования измеряются расход теплоносителя, температура на входе и выходе, напряжение на клеммах ХИТ и сила тока. На основании полученных данных вычисляется мощность тепловыделения ХИТ в зависимости от изменения силы тока и напряжения.
Заявляемое устройство в отличии от прототипа, позволяет повысить надежность конструкции за счет ее упрощения с применением только аналоговых элементов, что позволит проводить испытания в полевых условиях, а также повысить точность измерений мощности тепловыделения химического источника тока за счет учета тепла, выделяемого со всей площади поверхности ХИТ, что позволит корректно смоделировать тепловые процессы, протекающие при проведении масштабных испытаний химических источников тока, размещаемых в фортификационных сооружениях объектов РВСН.