Устройство для исследования процессов теплообмена

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Карбалевич Нина Александровна Лопатов Геннадий Яковлевич Мазаник Александр Васильевич Федотов Александр Кириллович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Устройство для исследования процессов теплообмена, содержащее измерительную ячейку, источник питания, термопару, отличающееся тем, что дополнительно содержит двухкоординатный стол, блок управления перемещением стола, радиационный пирометр,блок связи с ПЭВМ, ПЭВМ. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления перемещением стола выполнен с возможностью управления процессом сканирования по заданной программе. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок связи с ПЭВМ выполнен с возможностью управления измерениями температуры по заданной программе и отображения пространственных и временных зависимостей температуры в виде графиков и таблиц на экране монитора ПЭВМ.(56) 1. Девочкина Л.Н., Корочкина Е.Е. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине Теплотехника Лабораторная работа 5. - Иваново, 2005.(найдено 30.03.11). Найдено в Интернет. /////2 12729. 2. Крутов В.И. Лабораторный практикум по термодинамике и теплопередаче. - 1988,С. 139-147, 153-159 (найдено 30.03.11). Найдено в Интернет. ///.003396159. 3. Солодов А.П., Цветков Ф.Ф., Елисеев А.В., Осипова В.А. Практикум по теплопередаче Учебное пособие для вузов. - М. Энергоатомиздат, 1986. - С. 153-156. 78042011.12.30 Предлагаемое техническое решение относится к ряду лабораторных установок для физического практикума и может использоваться в учебных заведениях при проведении лабораторных работ по курсу теплофизики. Известны устройства для исследования процессов теплообмена и определения коэффициентов теплоотдачи 1-3, использующие отдельные составляющие элементы того же функционального назначения, что и в предлагаемом устройстве. Недостатками данных устройств являются невысокая точность измерения коэффициентов теплообмена, отсутствие наглядности эксперимента, невозможность исследования материалов с неизвестными радиационными свойствами. В устройстве 1 исследуется свободная конвекция воздуха около горизонтальной трубы. Стальная труба обогревается электрическим током, проходящим по ней. Установление необходимого теплового режима осуществляется с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа). Контроль величины тока производится с помощью амперметра. Температура поверхности опытной трубки измеряется четырьмя хромелькопелевыми термопарами, рабочие спаи которых расположены в различных точках этой поверхности, а холодный спай (один на все термопары) находится в сосуде Дьюара с тающим льдом. Все термопары через переключатель соединены с цифровым милливольтметром, который измеряет термоЭДС термопар. Температура опытной трубки определяется по среднему значению ЭДС всех термопар. Тепловой поток, излучаемый опытной трубкой, определяется по закону Стефана-Больцмана, а приведенный коэффициент излучения системы стальная трубка - окружающие тела берется из таблиц. Экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи сравнивается с расчетным, полученным из критериального уравнения. Недостатками этого устройства являются необходимость использования нескольких термопар для определения среднего по поверхности значения температуры, необходимость применения сосуда Дьюара для стабилизации температуры холодных спаев, использование миллиамперметра с переключателями для последовательного опроса термопар применение ЛАТРа для нагревания трубы, вследствие чего устройство является громоздким, а точность измерения коэффициента теплообмена - невысокой. В устройстве 2 кроме теплоотдачи горизонтального и вертикального цилиндров при свободной конвекции исследуется также теплоотдача горизонтальной пластины в условиях вынужденной конвекции. Коэффициенты теплообмена определяются из критериальных соотношений. Нагревание труб осуществляется электрическим током, подводимым через трансформатор от внешней сети. Температура стенки труб измеряется с помощью 12 хромель-копелевых термопар, соединенных через переключатель с милливольтметром. Температура поверхности пластины измеряется восемью хромель-копелевыми термопарами. Исследуемая пластина изготовлена из текстолита и обтянута тонкой фольгой из стали, выполняющей роль электрического нагревателя. Недостатком данного устройства является использование большого количества контактных датчиков температуры, приводящее к искажению температурного поля пограничного слоя и исследуемой поверхности трансформатора для нагрева образцов, что усложняет экспериментальную установку, делает ее громоздкой и небезопасной в эксплуатации миллиамперметра с переключателем для измерения термоЭДС термопар, что приводит к невысокой точности измерений. Радиационные тепловые потоки либо не учитываются, либо рассчитываются по закону Стефана-Больцмана при условии, если известен коэффициент излучения поверхности. Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство 3, в котором исследуются процессы теплообмена при свободной и вынужденной конвекции. 78042011.12.30 Основным элементом устройства являются две плоские пластины из нержавеющей стали. Пластины нагреваются электрическим током, регулируемым автотрансформатором. Сила тока регистрируется амперметром. Температура поверхности пластины измеряется в 12 точках по длине пластины с помощью хромель-алюмелевых термопар, подключенных к цифровому вольтметру через переключатель термопар. С помощью регулятора напряжения устанавливается определенная величина силы тока через пластины. По достижении установившегося теплового режима определяются сила тока, термоЭДС термопар или значения температуры в различных точках поверхности, температура окружающего воздуха. Значение плотности теплового потока вычисляется по измеренным значениям силы тока и сопротивления. Плотность теплового потока, участвующего в конвективном теплообмене, определяют как разность полной плотности потока и радиационной составляющей. Местный коэффициент теплоотдачи определяется из соотношения где- полная плотность теплового потока- радиационная составляющая плотности теплового потока- конвективная составляющая плотности потока- температурный напор. Плотность теплового потока, обусловленную тепловым излучением поверхности, рассчитывают по уравнению 44 прт,где пр - приведенная излучательная способность стали т - средняя абсолютная температура поверхности пластины,- абсолютная температура окружающих тел. По полученным значениям местных коэффициентов теплоотдачи строят графики зависимости,,. Сравнивается полученное критериальное соотношение с известными уравнениями для ламинарного и турбулентного режимов,соответствующих условиям эксперимента. Недостатками данного устройства являются следующие. Использование нескольких термопар - контактных датчиков - приводит к искажению поля температур как на исследуемой поверхности, так и в пограничном слое, что приводит к снижению точности эксперимента. Вторым недостатком является отсутствие наглядности эксперимента,поскольку для измерения термоЭДС применяется милливольтметр. Для расчета радиационного теплового потока необходимое значение коэффициента излучения определяется из таблиц, но это значение может не соответствовать истинному, поскольку поверхность данного металлического образца может быть недостаточно хорошо обработана, на ней может содержаться пленка окисла и т.п. Кроме того, в данном устройстве не может быть исследован теплообмен среды с поверхностями образцов, изготовленных из неизвестных материалов. Задачей предлагаемого устройства является создание автоматизированной лабораторной установки, обеспечивающей повышение точности измерений, наглядности эксперимента и расширение функциональных возможностей. Поставленная задача решается тем, что устройство для исследования процессов теплообмена, содержащее измерительную ячейку, источник питания, термопару, дополнительно содержит двухкоординатный стол, блок управления перемещением стола,радиационный пирометр, блок связи с ПЭВМ, ПЭВМ, и блок управления перемещением стола выполнен с возможностью управления процессом сканирования по заданной программе, а блок связи с ПЭВМ выполнен с возможностью управления измерениями температуры по заданной программе и отображения пространственных и временных зависимостей температуры в виде графиков и таблиц на экране монитора ПЭВМ. 3 78042011.12.30 Измерительная ячейка представляет собой симметричную систему из двух пластин,между которыми расположен плоский нагревательный элемент. С помощью источника питания создается тепловой поток, проходящий через пластины. Его величину можно рассчитать, зная величину силы тока и напряжение, подаваемое на нагревательный элемент. Измерительная ячейка крепится на двухкоординатном столе, который подключен к блоку управления перемещением стола. Управление процессом сканирования можно осуществлять непосредственно через блок управления (механически задавая необходимые параметры) либо с помощью компьютерной программы. Для управления измерением температуры с помощью пирометра и термопары используется блок связи с ПЭВМ. Результаты измерений отображаются на экране монитора ПЭВМ. Экспериментальная установка предназначена для выполнения нескольких лабораторных работ 1. Изучение радиационных свойств поверхностей. 2. Исследование процессов теплообмена поверхностей с воздухом. 3. Исследование теплофизических процессов. Для проведения измерений образцы размещаются в измерительной ячейке, закрепленной на двухкоординатном столе. Используемый в лабораторных работах двухкоординатный стол на линейных шаговых двигателях позволяет осуществлять двухмерное сканирование по координатам х и у поля размером 196196 мм 2. Минимально возможное перемещение по обеим координатам составляет 200 нм. Точность измерения радиационной температуры поверхностей образцов инфракрасным пирометром - 0,1 С. Точность измерения температуры поверхностей образцов хромель-алюмелевой термопарой - 0,1 С. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-7. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для исследования процессов теплообмена. На фиг. 2 изображено окно пользовательской программы для работы с двухкоординатным столом и пирометром (окно после загрузки программы). На фиг. 3 приведено окно пользовательской программы меню Настройки. На фиг. 4 отображено окно в процессе работы программы, представляющей результаты измерения двухмерного поля температур в зависимости от времени. На фиг. 5 представлены результаты измерений распределения температуры. На фиг. 6 отображено окно программы записи температуры, измеренной пирометром и термопарой. На фиг. 7 приведено окно файла, содержащего таблицу результатов измерения температур. Устройство для исследования процессов теплообмена (фиг. 1) включает следующие составные элементы 1. Измерительная ячейка. 2. Источник питания. 3. Термопара. 4. Двухкоординатный стол. 5. Блок управления перемещением стола. 6. Радиационный пирометр. 7. Блок связи с ПЭВМ. 8. ПЭВМ. Разработанная пользовательская программа позволяет одновременно управлять процессом сканирования и считывать данные с пирометра. В главном окне (фиг. 2) программы пользователем задаются размер области сканирования, шаг сканирования, а также исследуемый материал, из которого изготовлен образец (коэффициент излучения которого программе известен), или коэффициент излучения поверхности. Программа позволяет дополнительно изменять скорость сканирования, направление змейки сканирования, длительность задержки в каждой точке, включать/выключать режим дополнительного измерения температуры термопарой (фиг. 3). 4 78042011.12.30 Результаты измерения отображаются на экране монитора (фиг. 4) и могут быть, по желанию пользователя, записаны в файл в виде совокупности значений (, , ) (как показано на фиг. 5). Для проведения измерений временной зависимости температуры в некоторой точке двухкоординатный стол останавливается и запускается программа. При этом открывается окно, показанное на фиг. 6. Измерение температуры производится с помощью пирометра и эталонной термопары. Проведя необходимые измерения, процесс регистрации данных останавливают, а полученные экспериментальные данные пересылают в файл, имя и путь которого указывает пользователь. Сводная таблица измеряемых температур выглядит так, как показано на фиг. 7. Сохраненные результаты могут быть экспортированы для дальнейшей обработки и расчетов. 1. Изучение радиационных свойств поверхностей осуществляется следующим образом. Используя образцы, изготовленные из разных материалов, в стационарном режиме процесса теплообмена измеряют пирометром и термопарой радиационную и термодинамическую температуру поверхностей. Используя закон Стефана-Больцмана, рассчитывают величину коэффициента излучения поверхностей исследуемых тел 44,( 44 ) ,(44 ) ,44 где- так называемая радиационная температура данного тела (температура абсолютно черного тела при)- истинная температура поверхности тела (температура, измеренная термопарой)- температура поверхности окружающих тел. Полученные значения сравниваются с табличными, и объясняется отклонение расчетных значений от табличных. Сравниваются излучательные способности металлов и неметаллов. Изменяя расстояние между излучающей поверхностью и объективом пирометра, исследуют зависимость интенсивности излучения от расстояния до излучающей поверхности. Исследуется радиационный теплообмен двух параллельных поверхностей и способы уменьшения радиационных потоков в случае применения одного (двух) металлического экрана. 2. Исследование процессов теплообмена поверхностей с воздухом осуществляется в режиме свободной и вынужденной конвекции. Исследование свободной конвекции около горизонтальной пластины Процесс теплообмена изучается при использовании пластин, изготовленных из разных материалов и находящихся в свободном потоке воздуха. Пластины представляют собой симметричную систему, в центре которой размещен плоский электрический нагревательный элемент. Его нагрев осуществляется с помощью источника постоянной мощности. Потребляемая мощность определяется по величине электрического тока и напряжения,подаваемого на нагреватель. Температуру поверхностей измеряют пирометром, задав ранее измеренный коэффициент излучения. По достижении установившегося теплового режима определяются сила тока, значения температуры в различных точках поверхности,температура окружающего воздуха. Плотность теплового потока, участвующего в конвективном теплообмене, определяют как разность полной плотности потока и радиационной составляющей плотности потока. Коэффициент теплообмена определяется из соотношенияк где- полная плотность теплового потока- радиационная составляющая плотности теплового потока- конвективная составляющая плотности потока- температурный напор. 5 пр (п )4( )4 ,где пр - приведенная излучательная способность поверхности исследуемого материала п средняя абсолютная температура поверхности пластины- абсолютная температура окружающих тел. Полученные результаты представляют в виде графика зависимости среднего коэффициента теплообмена от температурного напора, а также в безразмерном виде - зависимостис . Определяют коэффициентыи п и сравнивают полученную зависимость с критериальным уравнением, соответствующим условиям эксперимента. Исследование теплообмена при вынужденной конвекции В работе изучается теплоотдача при вынужденном продольном обтекании пластины потоком воздуха. На поверхности пластины реализуется условие. Температура поверхности измеряется пирометром. Воздушный поток создается с помощью вентилятора. По достижении установившегося теплового режима с помощью термоанемометра определяют скорость потока. Измеряют значения температуры на поверхности пластины и температуру воздуха в комнате. Коэффициент теплообмена рассчитывают по формуле Плотность теплового потока постоянна вдоль поверхности пластины. Ее можно определить, зная величину силы электрического тока, напряжение на нагревательном элементе и размеры пластины. Значения коэффициента теплообмена определяются для каждой скорости движения воздушного потока. Рассчитываются значения критериев Рейнольдса и Нуссельта и находится зависимость. Полученные зависимости сравниваются с критериальными соотношениями, соответствующими ламинарному и турбулентному режимам течения. 3. Исследование теплофизических процессов включает измерение двухмерных температурных полей и определение теплофизических характеристик различных материалов. Имея аналитическое решение двухмерной нестационарной задачи теплопроводности с соответствующими граничными условиями, сравнивают результаты, полученные расчетным и экспериментальным способами. Оцениваются погрешности экспериментальных методов измерения температуры. Для определения коэффициента температуропроводности материалов используется плоский тепловой источник, работающий в импульсном режиме (длительность импульса задается экспериментатором). С помощью пирометра измеряется температура в нескольких точках поверхности образца в различные моменты времени. Регистрируется время достижения максимума температуры в этих точках. Использование импульсного плоского теплового источника позволяет рассчитать теплофизические характеристики материалов, из которых изготовлены образцы. Расчетное соотношение для коэффициента температуропроводности имеет вид,20 где- время достижения максимального значения температуры в точке, находящейся на расстоянии х от нагревателя 0 - длительность теплового импульса. 78042011.12.30 Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет автоматизировать процесс измерения, обеспечить повышение точности измерений и наглядности эксперимента, а также расширить функциональные возможности установки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.