Датчик теплового потока

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ (u)830156

=Ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-sy р )м. кл. (22) Заявлено 241029 (21) 2824051/18-10 с присоединением заявки ¹

С 01 К 17/08

Государственный комитет

СССР ло делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 1505я1. Ьюллетеиь N9 18

Дата опубликования описания 1505.81 (53) УДК 5 36 . 62 9 (088. 8) Г-,-, Е.A. Максимов и М.В. Страдомский / /.= г",.

/ / ., /

Институт технической теплофизики АН Украинско ССР".

l (72) Авторы изобретения (7! ) Заявитель (54) ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения высокоинтенсивных лучистых тепловых потоков в лазерной технике, каналах

МГД-генераторов, камерах сгорания высокофорсиронанных энергетических установок при их эксплуатации, наладке, регулировании теплового режима и для научно-исследовательских работ.

Известны одноэлементные устрой.ства для измерения плотности интенсивных радиационных тепловых потоков с кондуктивным отводом тепла и водяным охлаждением, состоящие из теплометрического элемента н ниде медного или стального цилиндрического блока, в теле которого на различных уровнях по высоте установлены две термопары. Радиационный теплоной поток воспринимается торцовой поверхностью цилиндрического теплометрического элемента, противоположный конец которого охлаждается водой f1).

Такие устройства удовлетворительно используются при измерении плотности тепловых потоков в диапазоне (0,5-1) ° 10ь Вт/м и температурах облучаемой поверхности 800-900 К, дальнейшее увеличение диапазона плотности тепловых потоков, измеряемых таким датчиком, практически невозможно из-за малой эффективности охлаждения измерительного блока.

Это связано с тем, что с увеличением плотности теплового потока выше указанного предела для сохранения конвективного режима охлаждения теплометрического элемента жидкостью необходимо резко увеличивать

1авление хладагента нплоть до критических значений, при этом нозможl5 но вскипание охлаждающей жидкости, что немедленно. приводит к разрушению датчика.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результа20 ту к изобретению является датчик теплового потока, содержащий теплометрический элемент, выполненный в виде многослойной пластины, состоящей из тепловоспринимающей поверхности, эталонного элемента и основания, образующих дифференциальную термопару, измерительную термопару (2j.

Конвективное жидкостное охланСце30 ние и отвод тепла от эталонного

830156

40 элемента может обеспечить измерение датчиком теплового потока не выше 6 10 Вт/м при температуре стенки до 1000 K. Это вызвано тем, что при более высоких плотностях теплового потока отвод тепла от эталонного элемента требует развитой поверхности теплообмена либо увеличения давления охладителя до критических значений, что приводит к сложности и громоздкости конструкции датчика и практической его нецелесообразности.

Цель изобретения — расщирение пределов измерения потоков с большой плотностью и высокой температурой. 15

Цель достигается тем, что в датчике теплового потока теплометрический элемент, состоящий из последовательно расположенных друг за друroM пластин, выполняющих функции 20 тепловоспринимающей поверхности, эталонного элемента и основания, выполнен из спеченного пористого материала с проницаемой структурой, при этом основание теплометрического элемента сообщено с трубопроводом подачи теплоносителя, а на его боковую поверхность нанесена непроницаемая пленка.

Проницаемые пористые структуры йли материалы — это твердые тела, содержащие в достаточно большом количестве пустоты, характерный размер которых мал сравнительно с характерным размером тела.

Теплометрический элемент датчика может быть изготовлен из проницаемых материалов, полученных методом прессования или прокатки с последующим спеканием из порошков с различной формой частиц.

Наиболее распространенные проницаемые структуры изготавливаются из частиц неправильной формы (дендритные) и сферической формы, волокон, а также-из мелкоячеистых 45 сеток. Для теплометрических элементов датчика теплового потока наиболее приемлимы проницаемые материалы, изготовленные из волокон никеля, константана, хромеля, алюмеля и gp других чистых металлов и сплавов.

Выполнение теплометрического элемента проницаемым обеспечивает в негл противоток тепловой энергии и теплоносителя, и при этом существенно увеличивается интенсивность теплообме55 на, что позволяет снимать в пределах теплометрического элемента практически всю падающую на его тепловоспринимающую поверхность энергию.

Для обеспечения постоянства расхода 60 теплоносителя вдоль теплометрического элемента его боковая поверхность должна быть непроницаема для теплоносителя. Поскольку величина плотнояти теплового потока мо-. 65 жет претерпевать значительные изменения во времени, необходимо изменять количество теплоносителя, пода ваемого к теплометрическому элементу, чтобы перепад температур на нем имел достаточно большую величину для удобства его измерения.

На чертеже представлена схема датчика теплового потока.

Тепловоспринимающая поверхность

1 теплометрического элемента выполнена из спеченного пористого материала с проницаемой структурой и нанесена на эталонный элемент 2, также выполненный из проницаемых структур, но отличающихся от первого своими термометрическими характеристиками. Эталонный элемент 2 соединяется с проницаемым основанием

3 из того же материала, что и тепловоспринимающая поверхность, при этом его толщина должна быть такой, что теплоноситель на выходе из него имеет температуру, близкую к температуре проницаемого скелета. Внутри теплометрического элемента уложены электрод 4 из того же материала, что и тепловоспринимающая поверхность, и электрод 5, из материала эталонного элемента и изоляции, составляющие термопару. Электрод 6 из того же материала, что и электрод 4, выведен от основания

3 и с электродом 5 образует вторую термопару. Боковая наружная поверхность теплометрического элемента покрыта непроницаемой пленкой 7. Для подачи теплоносителя к пористому основанию используется трубопровод 8, а его расход регулируется регулятором 9 расхода теплоносителя, установленным на трубке.

Устройство устанавливается в стенке исследуемого объекта заподлицо с era внутренней поверхностью.

Лучистый тепловой поток, падающий на тепловоспринимающую поверхность

1, проходит через эталонный элемент 2 и снимается движущимся навстречу ему через пористый массив потоком теплоносителя, который от регулятора 9 по трубопроводу 8 подается к проницаемому основанию 3.

3а счет черезвычайно развитой поверхности теплообмена проницаемого эталонного элемента (для волокновых пористых материалов с диаметром волокон 0,1 мм и пористостью 40-70% удельная поверхность составляет

5,5 10 — 7,5" 10 сгл-") и интенсивного конвективного теплообме- на между скелетом проницаемой структуры и теплоносителем, где в указанном материале коэффициенты теплообмена достигают значений порядка 2 106 - 3 10ь Вт/м, температура теплоносителя на выходе из теплометрического элемента практически

830156 равна температуре тепловоспринимающей поверхности. В зависимости от массового расхода теплоносителя через теплометрический элемент можно обеспечить теплосъем в устройстве падающих на тепловоспринимающую поверхность тепловых потоков до 10 " — 10 Вт/м при температуре тепловоспринимающей поверхности устройства 700-800 С и тем самым обеспечить измерение высокоинтенсивных лучистых тепловых потоков в указанных пределах. При прохождении тепловой энергии через эталонный элемент на его гранях возникает температурный перепад, в связи с этим в местах, где размещены спаи 15 термопар 4-5 и 5-6, температуры имеют различные значения, в то же время измеряется массовый расход теплоносителя от регулятора расхода.

По определенным перепаду температур gQ на эталонном элементе, температуре на тепловоспринимающей поверх1 ности и массовому расходу теплоносителя через элемент вычисляется тепловой поток по формуле 25 а я = G ср(й - t„)+Ay gxlxz(+)

Р-е =Лг 8 + Лм (< e} (2) где ) — коэффициенты теплог м проводности соответст- () венно теплоносителя и проницаемого скелета;

8 — пористость металла, С вЂ” теплоемкость газа при

P постоянном давлении, 35

G — массовая скорость тепГ лоносителя, отнесенная к полному сечению теплометрического элемента (без Учета пористос-4О

ТИ),, ()„

С + С2 0 f. (3) !

По измеренным температурам t и на гранях эталонного элемента вычисляются константы С и С .

Конструкция предлагаемого датчика теплового потока позволяет существенно увеличить пределы измерения плотности лучистых тепловых потоков (до 107 — 10 > Вт/м ) при одновременном повышении надежности его работы. Это существенно повышает надежность систем автоматического регулирования высокоинтенсивных энергетических установок.

Формула изобретения

Датчик теплового потока, содержащий теплометрический элемент, выполненный в виде многослойной пластины, состоящей из тепловоспринимающей поверхности, эталонного элемента, основания, образующих дифференциальную термопару, измерительную термопару, о т л и ч а ю— щ и йся тем,,что, с целью расширения пределов измерения потоков с большой плотностью,и высокой температурой, теплометрический элемент выполнен из спеченного пористого материала с проницаемой структурой, при этом основание теплометрического элемента сообщено с трубопроводом подачи теплоносителя, а на его боковую поверхность нанесена непроницаемая пленка.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Геращенко О.A. и др. Тепловые и температурные измерения. К., "Наукова думка", 1965, с. 212.

2. Авторское свидетельство СССР в 198731, кл.8 01 К 17/08, 1965 (прототип), 830156

Составитель Н. Горшкова

Редактор Л. Копецкая Техреду. Бабинец КорректорГ. Решетник

Заказ 3787/85 Тираж 907 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4