Способ определения коэффициента теплопередачи материалов и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к теплофизике и могут быть использованы для измерения величины коэффициента теплопередачи различных материалов. Предложен способ определения коэффициента теплопередачи материалов, заключающийся в измерении температуры поверхности исследуемого образца, согласно которому в выемку теплоизолированного корпуса поочередно устанавливают два градуированных образца из того же материала, что и теплоизолированный корпус, причем толщина первого градуированного образца совпадает с толщиной стенок и днища теплоизолированного корпуса, толщина второго градуированного образца в два равна меньше толщины первого градуированного образца; далее воздействуют тепловым потоком на образцы, одновременно электровентилятором проводят охлаждение в климатической камере, определяют разность температур и расход электроэнергии; на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материала теплоизолированного корпуса, после этого помещают в выемку теплоизолированного корпуса образец из различных исследуемых материалов, воздействуют на образец тепловым потоком, одновременно проводят охлаждение в климатической камере; определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материалов исследуемого образца. Также предложено устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов, содержащее теплоизолированный корпус, внутри которого размещены электронагреватель, термопары, датчик терморегулятора и электровентилятор, при этом выход электронагревателя служит для подключения к электросчетчику. Устройство также содержит климатическую камеру, внутри которой размещен теплоизолированный корпус с одинаковой толщиной боковых стен и днища, к внутренней стороне климатической камеры прикреплены электровентилятор и термостат, а теплоизолированный корпус в верхней части выполнен с выступами для размещения исследуемого образца. Технический результат - увеличение точности определения коэффициента теплопередачи материалов. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретения относятся к теплофизике и могут быть использованы для измерения величины коэффициента теплопередачи различных материалов.

Известен способ определения коэффициента теплопередачи (SU 1081504, G01N 25/18, опубл. 13. 09. 82), сущность которого заключается в том, что деталь помещают в расплавленный металл и при температуре кристаллизации продувают охлаждающей средой, фиксируя время продувки, затем вынимают, измеряют толщину образовавшейся корки металла и вычисляют коэффициент теплопередачи.

Недостатком способа является высокая трудоемкость и высокая погрешность определения коэффициента теплопередачи.

Наиболее близким по технической сущности в качестве прототипа был выбран способ измерения нестационарного теплового потока (SU №958880, G01K 17/08, опубл. 15. 09. 82), заключающийся в измерении величины теплового потока, проходящего через термочувствительный элемент датчика теплового потока, измерении температуры лицевой поверхности термочувствительного элемента и вычислении величины нестационарного теплового потока, в дополнительном измерении температуры обратной поверхности термочувствительного элемента, а величину нестационарного теплового потока определяют по формуле.

Недостатком способа является то, что при измерении существенно нестационарных тепловых потоков информация от основного термочувствительного элемента и вспомогательных устройств имеет случайную погрешность за счет наличия высокочастотной составляющей в суммарном сигнале.

Известно устройство для измерения нестационарного теплового потока, (SU №958880, G01K 17/08, опубл. 15. 09. 1982), содержащее датчик теплового потока с термочувствительным элементом, подключенным через усилитель к входу сумматора и закрепленным на его лицевой поверхности термоэлектрическим преобразователем.

Недостатком данного устройства является низкая точность определения величины теплового потока и коэффициента теплопередачи теплоизолированных ограждений, облицованных материалами с большим коэффициентом теплопроводности.

Известно устройство для определения коэффициента теплопередачи теплоизолированной поверхности (RU №2137098, G01K 17/08, опубл. 10. 09. 1999), принятое в качестве прототипа, содержащее теплоизолированный корпус, внутри которого размещены теплоэлектронагреватель, микроэлектровентилятор, чувствительный элемент терморегулятора, при этом выход теплоэлектронагревателя служит для подключения к электросчетчику, а электродвигатель, вентилятор и терморегулятор закреплены на внешней стороне теплоизолированного корпуса.

Недостатком такого устройства является то, что коэффициент теплопередачи определяется не по всей теплоизолированный поверхности и, кроме того, коэффициент теплопередачи определяется с высокой погрешностью.

Технический результат заключатся в увеличении точности определения коэффициента теплопередачи материалов.

Технический результат достигается тем, что в способе определения коэффициента теплопередачи материалов, заключающемся в измерении температуры поверхности исследуемого образца, в выемку теплоизолированного корпуса поочередно устанавливают два градуированных образца из того же материала, что и теплоизолированный корпус, причем толщина первого градуированного образца совпадает с толщиной стенок и днища теплоизолированного корпуса, толщина второго градуированного образца в два раза меньше толщины первого градуированного образца, далее воздействуют тепловым потоком на образцы, одновременно электровентилятором проводят охлаждение в климатической камере, определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материала теплоизолированного корпуса, после этого помещают в выемку теплоизолированного корпуса образец из различных исследуемых материалов, воздействуют на образец тепловым потоком, одновременно проводят охлаждение в климатической камере, определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материалов исследуемого образца по формуле:

где W - расход электроэнергии за расчетной период измерений, кВт⋅ч;

К0 - средний коэффициент теплопередачи теплоизолированного корпуса без исследуемого образца материала, Вт/м2⋅К;

ΣF=F0+Fи.о - общая средняя площадь теплоизолированного корпуса, м2;

F0 - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса, м2;

Fи.о - площадь иследуемого образца, м2;

Fcp - среднегеометрическое значение площади теплоизолированного корпуса, м2;

τ - время расчетного периода, час;

tн - средняя температура в климатической камере, °С;

tвн - средняя температура внутри теплоизолированного корпуса, °С;

Технический результат достигается тем, что устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов, содержащее теплоизолированный корпус, внутри которого размещены электронагреватель, термопары, датчик терморегулятора и электровентилятор, при этом выход электронагревателя служит для подключения к электросчетчику, содержит климатическую камеру, внутри которой размещен теплоизолированной корпус с одинаковой толщиной боковых стен и днища, к внутренней стороне климатической камеры прикреплены электровентилятор и термостат, а теплоизолированный корпус в верхней части выполнен с выступами для размещения исследуемого образца.

На фиг. 1 представлено устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов.

На фиг. 2 представлено устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов с градуированным образцом толщиной δ.

На фиг. 3 представлено устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов с градуированным образцом толщиной 2δ.

На фиг. 4 представлено устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов с исследуемым образцом.

Устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов содержит климатическую камеру 1, к внутренней стороне которой прикреплен электровентилятор 2, термопары 3, внутри климатической камеры 1 располагается теплоизолированный корпус 4, включающий днище 5, боковые стены 6, в верхней части который выполнен с выступами для размещения исследуемого образца 7, внутри теплоизолированного корпуса 4 размещены электронагреватель 8, выход которого подключен к счетчику электроэнергии 9, и датчик терморегулятора 10, термостат 11 прикреплен к климатической камере 7. Электронагреватель 8, например, электрическая лампа 25 Вт, устанавливается таким образом, чтобы он равномерно нагревал внутреннюю часть теплоизолированного корпуса 4. Выходы термопар 3 могут быть подключены к входу ЭВМ.

Из полученных измерений получаем систему из двух уравнений для уточненного определения коэффициента теплопередачи материала теплоизолированного корпуса:

где - коэффициент теплопередачи К0 боковых стен и днища теплоизолированного корпуса, Вт/м2⋅К; - коэффициент теплопередачи для первого градуированного образца толщиной 2δ мм, Вт/м2⋅К; - коэффициент теплопередачи, полученный для второго градуированного образца толщиной δ мм, Вт/м2⋅К; W - расход электроэнергии за расчетной период измерений, кВт⋅ч; τ - время расчетного периода, час; Fcp - среднегеометрическое значение площади теплоизолированного корпуса, м2; tн - средняя температура в климатической камере, °С; tвн - средняя температура внутри теплоизолированного корпуса, °С; λ - коэффициент теплопроводности материала теплоизолированного корпуса и исследуемого образца Вт/м⋅К; К0днбс - коэффициенты теплопередачи материала теплоизолированного корпуса, Вт/м2⋅К; F0=4Fбс+Fдh - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса; Fи.о - площадь иследуемого образца, м2; α1=α2 - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2⋅К.

Средний коэффициент теплопередачи теплоизолированного корпуса Кср рассчитывается по выражению:

где Кбс, Кдн,, Ки.о - коэффициенты теплопередачи соответственно боковых стен, днища теплоизолированного корпуса и иследуемого образца, Вт/м2⋅К;

Fбс, Fдн,, Fи.о - площадь соответственно боковых стен, днища теплоизолированного корпуса и иследуемого образца, м2.

Так как днище и боковые стены теплоизолированного корпуса изготовлены из одного материала и, считая, что их коэффициенты теплопередачи равны Кдн0, формула (2) приводится к виду

здесь - средний коэффициент теплопередачи теплоизолированного корпуса без исследуемого образца; F0=4Fбс+Fдн - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса.

Способ определения коэффициента теплопередачи материалов осуществляют следующим образом.

Климатическую камеру 7 подключают к источнику питания. В выемку 7 теплоизолированного корпуса 4 поочередно устанавливают два градуированных образца 12 из того же материала, что и теплоизолированный корпус 4, причем толщина первого градуированного образца 12 совпадает с толщиной стенок 6 и днища 5 теплоизолированного корпуса 4, толщина, второго градуированного образца в два раза меньше, чем толщина первого градуированного образца, затем воздействуют тепловым потоком на образцы электронагревателем 8, одновременно электровентилятором 2 проводят охлаждение в климатической камере 1, определяют разность температур термопарами 3 и расход электроэнергии по счетчику электроэнергии 9, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материала теплоизолированного корпуса 4, после этого помещают в выемку 7 теплоизолированного корпуса 4 образец из различных исследуемых материалов 12, воздействуют на образец 12 тепловым потоком, одновременно проводят охлаждение в климатической камере 1, определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материалов исследуемого образца 12. Определение коэффициента теплопередачи К0 теплоизолированного корпуса 4 проводится с помощью двух градуированных образцов разной толщины из одного материала с боковыми стенами 6 и днищем 5, при этом толщина первого градуированного образца равна толщине боковых стен и днища теплоизолированного корпуса 4, а толщина другого градуированного образца уменьшена два раза, при этом коэффициент теплопередачи К0 боковых стен и днища теплоизолированного корпуса 4 определяется по формуле:

где F0 - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса, м2;

Fи.о - площадь иследуемого образца, м2;

λ - коэффициент теплопроводности материала теплоизолированного корпуса и исследуемого образца Вт/м⋅К; α12 - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2⋅К.

- коэффициент теплопередачи для первого градуированного образца толщиной 2δ мм, Вт/м2⋅К;

- коэффициент теплопередачи, полученный для второго градуированного образца толщиной δ мм, Вт/м2⋅К;

Расчет коэффициента теплопередачи Ки.о материала исследуемого образца введется через коэффициент теплопередачи К0 боковых стен и днища теплоизолированного корпуса по формуле:

где W - расход электроэнергии за расчетной период измерений, кВт⋅ч;

К0 - средний коэффициент теплопередачи теплоизолированного корпуса без исследуемого образца, Вт/м2⋅К;

ΣF=F0+Fи.о - общая средняя площадь теплоизолированного корпуса, м2;

F0 - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса, м2;

Fи.о - площадь иследуемого образца, м2;

Fср - среднегеометрическое значение площади теплоизолированного корпуса, м2;

τ - время расчетного периода, час;

tн - средняя температура в климатической камере, °С;

tвн - средняя температура внутри теплоизолированного корпуса, °С;

По сравнению с прототипом данный способ определения коэффициента теплопередачи материалов с помощью данного устройства позволяет повысить точность определения коэффициента теплопередачи материалов, погрешность измерения коэффициента теплопередачи материалов составляет 3%.

1. Способ определения коэффициента теплопередачи материалов, заключающийся в измерении температуры поверхности исследуемого образца, отличающийся тем, что в выемку теплоизолированного корпуса поочередно устанавливают два градуированных образца из того же материала, что и теплоизолированный корпус, причем толщина первого градуированного образца совпадает с толщиной стенок и днища теплоизолированного корпуса, толщина второго градуированного образца в два равна меньше толщины первого градуированного образца, далее воздействуют тепловым потоком на образцы, одновременно электровентилятором проводят охлаждение в климатической камере, определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материала теплоизолированного корпуса, после этого помещают в выемку теплоизолированного корпуса образец из различных исследуемых материалов, воздействуют на образец тепловым потоком, одновременно проводят охлаждение в климатической камере, определяют разность температур и расход электроэнергии, на основании данных вычисляют коэффициент теплопередачи материалов исследуемого образца по формуле:

где W - расход электроэнергии за расчетной период измерений, кВт⋅ч;

К0 - средний коэффициент теплопередачи теплоизолированного корпуса без исследуемого образца материала, Вт/м2⋅К;

ΣF=F0+Fи.о - общая средняя площадь теплоизолированного корпуса, м2;

F0 - суммарная площадь боковых стен и днища теплоизолированного корпуса, м2;

Fи.о - площадь иследуемого образца, м2;

Fcp - среднегеометрическое значение площади теплоизолированного корпуса, м2;

τ - время расчетного периода, час;

tн - средняя температура в климатической камере, °С;

tвн - средняя температура внутри теплоизолированного корпуса, °С.

2. Устройство для определения коэффициента теплопередачи материалов, содержащее теплоизолированный корпус, внутри которого размещены электронагреватель, термопары, датчик терморегулятора и электровентилятор, при этом выход электронагревателя служит для подключения к электросчетчику, отличающееся тем, что содержит климатическую камеру, внутри которой размещен теплоизолированный корпус с одинаковой толщиной боковых стен и днища, к внутренней стороне климатической камеры прикреплены электровентилятор и термостат, а теплоизолированный корпус в верхней части выполнен с выступами для размещения исследуемого образца.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике активного неразрушающего теплового контроля и может быть использовано в аппаратуре дистанционного зондирования земли. Согласно заявленному способу осуществляют съемку исследуемого района в светлое время суток в видимом и инфракрасном диапазонах и в темное время суток в инфракрасном диапазоне.

Изобретение относится к области измерительной техники. Заявлена система (200) диагностики трубопровода, которая включает в себя капсулу (206) датчика, измерительную (228) цепь и контроллер (222).

Изобретение относится к области теплофизических измерений и предназначено для кондуктометрии - измерения теплопроводности твердых тел путем их компарирования с мерой теплопроводности. Заявляемый способ может быть использован в государственной поверочной схеме средств измерений теплопроводности твердых тел.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и предназначено для измерения теплопроводности твердых тел. Технический результат: повышение точности измерения теплопроводности твердых тел.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости материалов, например образцов горных пород. Заявлен способ определения теплопроводности и температуропроводности материалов, в котором используется режим постоянного нагрева, позволяющий исследовать образцы в виде цилиндров с длиной, равной или превышающей диаметр образца.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям. Область применения - определение теплофизических характеристик (ТФХ) материалов и изделий неразрушающим (безобразцовым) методом путем экспериментально-расчетного способа.

Изобретение относится к области исследования и анализа теплофизических свойств материалов и может быть использовано при определении коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер. Предложенный способ определения коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер методом замера фактических теплопотерь в стационарных условиях заключается в использовании установки, состоящей из участка трубопровода с нанесенным теплоизоляционным покрытием на основе полых микросфер, подключенного к нагревательному элементу, измерении температуры теплоносителя на входе участка tвх, на выходе участка tвых, температуры поверхности участка трубопровода τ, расходе воды через испытуемый участок Gвд, определении фактических тепловых потерь Q, коэффициента теплоотдачи αтеп и коэффициента теплопроводности λтеп по расчетным формулам.

Изобретение относится к области теплофизического приборостроения и предназначено для совокупного измерения теплопроводности двух разнородных твердых материалов. Согласно заявленному способу изготавливают цилиндрическую матрицу заданного профиля и объема с равномерно распределенными в ней одинаковыми сквозными отверстиями, в которых поочередно размещают образцы из исследуемых материалов.

Изобретение относится к методам исследования теплофизических свойств жидких металлов. Заявлен способ определения температуропроводности и теплопроводности металлических расплавов импульсным методом, при котором измерения проводят с использованием ячейки и держателя для ячейки, содержащей тигель в виде двух концентрических цилиндров различного диаметра и вставку с крышкой, позволяющей создать между дном тигля и вставкой плоский слой расплава внутри ячейки, который сохраняет плоскопараллельность при изменении температуры.

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к созданию установок для экспериментального определения тепловых характеристик порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций, используемых для тепловой защиты строительных объектов, объектов военной, космической и криогенной техники, а также в других отраслях народного хозяйства.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению количества тепла по сечению излучающей поверхности в сочетании с измерением коэффициента теплопередачи, и может быть использовано для оценки плотности теплового потока или контроля инфракрасного излучения от разогретых объектов, например, при пожаре или различных технологических процессах.
Наверх