Установка для визначення контактного термічного опору

1. Установка для визначення контактного термічного опору, що містить ззовні оснащену ребрами металеву трубу, вн утрішня порожнина якої звільнена від повітря та частково заповнена робочою рідиною, і герметично закрита торцевими пробками з обох сторін, через отвір в одній з яких виведено назовні труби шланг, герметично з'єднаний з цією пробкою, а прохідний отвір його герметично 3 24690 В цьому технічному рішенні точність вимірювань підвищена в порівнянні з аналогом за рахунок використання випаровувально-конденсаційного принципу передачі теплоти на внутрішню поверхню труби. Внаслідок цього підвищено ізотермічність стінки металевої труби (при умові забезпечення безперервного витіснення газів, що не конденсуються, через шланг назовні труби), що має вирішальну роль для підвищення точності вимірювань. Значною мірою також усунуто недолік аналога, що полягає у нерівномірності температури основи ребер в лобовій та кормовій його частинах по відношенню до набігаючого повітряного потоку, створюваного в аеродинамічній трубі. В той же час ця конструкція установки для визначення контактного термічного опору має ряд недоліків. Установка дозволяє проводити вимірювання лише до 100°С (внаслідок з'єднання внутрішньої порожнини труби з довкіллям та використання в якості робочої рідини на основі води). В ній також відсутня можливість забезпечити надійну щільність торцевих пробок, що не дає можливості отримати випаровувально-конденсаційний принцип функціонування установки без впливу на нього домішок газу, що не конденсується, що, в свою чергу, не дозволяє отримати високу ізотермічність поверхонь, а разом з тим, не дозволяє суттєво підвищити точність вимірювань. Ця установка може працювати лише у вертикальному стані, що не дає змоги використовува ти її в умовах тепловідведення за рахунок вільної конвекції. Характеризується також установка-прототип складністю будови та монтажу, так як частина датчиків температури та нагрівач знаходяться всередині труби. В якості прототипу вибрана найбільш близька по технічній суті установка для визначення контактного термічного опору [див. деклараційний патент на корисну модель №17382, МПК F28F1/12, 2006p.], що містить зовні споряджену ребрами металеву трубу, вн утрішня порожнина якої звільнена від повітря та частково заповнена робочою рідиною і герметично закрита торцевими пробками з обох сторін, через отвір в одній з яких виведено зовні труби шланг, герметично з'єднаний з цією пробкою, а прохідний отвір його герметично перекритий, встановлені в канавках датчики температури, що закріплені в основі ребер та на зовнішній поверхні труби, нагрівач на зовнішній вільній від ребер поверхні труби, причому нагрівач та торцеві пробки покриті теплоізолюючим матеріалом. В цьому технічному рішенні на відміну від аналога суттєво підвищена точність вимірювань за рахунок забезпечення високої ізотермічності зовнішньої поверхні металевої труби шляхом застосування для передачі теплоти від нагрівача до тепловіддаючої поверхні тобто оребреної поверхні, випаровувально-конденсаційного способу передачі теплоти в герметичному об'ємі в умовах відсутності повітря з характерною для нього високою ізотермічністю ділянки як теплопідведення, так і тепловідведення. Уникнення втрат теплоти за рахунок теплоізоляції нагрівача та торцевих пробок також веде до підвищення точності вимірювань. Причому, внаслідок герметичності внутрі 4 шньої порожнини труби забезпечено і розширення температурного діапазону вимірювань, що обмежується тільки характеристиками міцності матеріалу труби та товщиною її стінки. Можна також використовувати в якості робочої рідини всередині труби не тільки воду, а й інші теплоносії, як то спирти, фреони, ацетон та інші. Розташування датчиків температури та нагрівача на зовнішній поверхні труби дозволяє суттєво спростити монтаж, що виконується в умовах візуального доступу до всіх елементів установки на відміну від прототипу, а також підвищити надійність за рахунок підвищення якості робіт при монтажі та можливості безперешкодного усунення пошкоджень, наприклад пошкоджень датчиків температури. В той же час прототип має наступний недолік. Ця установка, як і аналоги, може використовуватися лише у вертикальному положенні або з нахилом до горизонту, але при цьому нагрівач повинен бути обов'язково внизу. Це обумовлено тим, що робоча рідина в герметичній трубі може повертатися до ділянки теплопідведення, тобто до зони розташування нагрівача, лише самопливом задопомогою сили тяжіння. Це суттєво обмежує можливості установки, так як її можна використовувати лише разом з аеродинамічною трубою, яка призначена для створення потоку повітря навколо ребер. Без застосування аеродинамічної труби за допомогою такої установки не можна отримати точних результатів вимірювань. А при застосуванні аеродинамічної труби точність не буде достатньо високою, тому що температура основи ребер зі сторони набігаючого повітряного потоку буде дещо нижчою, ніж температура основи ребер в кормовій їх частині. В основу корисної моделі поставлено задачу створення установки для визначення контактного термічного опору, в якій нова будова металевої труби дозволила б забезпечити підвищення точності вимірювань при одночасному спрощенні вимірювань. Поставлена задача вирішується тим, що в установці для визначення контактного термічного опору, що містить зовні споряджену ребрами металеву тр убу, вн утрішня порожнина якої звільнена від повітря та частково заповнена робочою рідиною і герметично закрита торцевими пробками з обох сторін, через отвір в одній з яких виведено зовні труби шланг, герметично з'єднаний з цією пробкою, а прохідний отвір його герметично перекритий, встановлені в канавках датчики температури, що закріплені в основі ребер та на зовнішній поверхні труби, нагрівач на зовнішній вільній від ребер поверхні труби, причому нагрівач та торцеві пробки покриті теплоізолюючим матеріалом, згідно з корисною моделлю, внутрішня поверхня труби споряджена шаром капілярно-пористого матеріалу, який може являти собою шар металевих волокон або металевого порошку, частинки яких з'єднані між собою та внутрішньою стінкою труби шляхом дифузійного зварювання, або металеву сітку, приєднану до внутрішньої поверхні труби, або сукупність канавок на внутрішній поверхні труби. 5 24690 Спорядження внутрішньої поверхні труби шаром капілярно-пористого матеріалу, який може являти собою шар металевих волокон або металевого порошку, частинки яких, з'єднані між собою та вн утрішньою стінкою труби шляхом дифузійного зварювання, або металеву сітк у, приєднану до внутрішньої поверхні труби, або сукупність канавок на внутрішній поверхні труби, дозволяє підвищити точність вимірювань при одночасному спрощенні вимірювань за рахунок того, що вимірювання можна проводити при будь-якому розташуванні установки по відношенню до напряму дії сили тяжіння. Це забезпечується тим, що робоча рідина може повертатися після випаровування у зоні дії нагрівача та наступної її конденсації в місці розміщення ребер при будь-якому розміщенні нагрівача по відношенню до напряму сили тяжіння, так як робоча рідина буде повертатися в зону дії нагрівача під дією капілярних сил пористого матеріалу. Найбільш вигідно розміщува ти установку горизонтально та використовувати для відведення теплоти від ребер природну конвекцію атмосферного повітря. Високу ізотермічність температури всередині труби забезпечить реалізація в ньому випаровувально-конденсаційного циклу, а низькі швидкості руху повітря в умовах охолодження зони конденсації природною конвекцією забезпечать однакові температури як зі сторони входу, так і зі сторони виходу повітря відносно оребреної ділянки установки. Спрощення вимірювань досягається тим, що для використання установки не потрібні будьякі додаткові пристрої для утворення потоку повітря. Технічна суть та принцип дії установки для визначення контактного термічного опору пояснюється кресленням. На кресленні зображено установку для визначення контактного термічного опору в розрізі. Установка включає в себе металеву трубу 1 з ребрами 2 на її зовнішній поверхні. Внутрішня порожнина труби 3, що утворена внутрішньою поверхнею труби 1 та пробками 4 і 5, частково заповнена робочою рідиною 6. Пробка 5 споряджена металевою тр убкою 7, герметично ущільненою після заповнення робочою рідиною 6 та видалення повітря з внутрішньої порожнини труби 3. Датчики температури 8 встановлено на зовнішній поверхні труби 1, а датчики температури 9 - в основі ребер 2. Нагрівач 10 через електроізолюючий матеріал 11 розміщено зовнішній поверхні труби 1. Зовні нагрівача 10 та торцевої пробки 4 встановлено теплоізолюючий матеріал 12, а зовні торцевої пробки 5 та навкруги металевої трубки 7 - теплоізолюючий матеріал 13. Товщина теплоізолюючого матеріалу вибирається такою, щоб температура на його зовнішній поверхні була близькою до температури зовнішнього середовища, причому вона може змінюватися в залежності від температурного рівня роботи установки та величини підведеної електричної потужності. Внутрішня поверхня труби споряджена шаром капілярно-пористого матеріалу 14. Робоча рідина 6 знаходиться в цьому капілярнопористому матеріалі 14. 6 Установка для визначення контактного термічного опору працює наступним чином. Подається живлення на нагрівач 10. Шляхом змінювання підведеної електричної потужності вибирають температурний режим роботи установки та досягають стаціонарного режиму її роботи (тобто режиму, коли при незмінності підведеної електричної потужності температура зовнішньої поверхні металевої труби більше не змінюється). Після цього проводять вимірювання температури зовнішньої поверхні металевої труби 1 термопарними датчиками 8 та температуру основи ребер 2 датчиками температури 9. Після цього визначають контактний термічний опір за формулою R = D t / q , де Dt = t1 - t 2 ; t1 - середня температура зовнішньої поверхні труби 1 в кількох перерізах, отриману за допомогою датчиків температури 8; t2 - середня температура основи ребер 2 в кількох перерізах, отриману за допомогою датчиків температури 9; q густина підведеного теплового потоку. Виготовлена та випробувана установка для визначення контактного термічного опору, що мала у своєму складі зовні споряджену ребрами (АД1) несучу тр убу (сталь марки сталь 10) діаметром dзов. 10 , закриту з обох сторін металевими сталь пробками (сталь марки сталь 10). Всередині труби було встановлено капілярно-пористий матеріал, що являв собою войлок зі сталевих дротинок діаметром 30мкм довжиною 3мм, з'єднаних між собою шляхом дифузійного зварювання. На несучій трубі (зовнішній діаметр 25мм) методом накатки було встановлено 110 ребер висотою 13,5мм (діаметр основи ребер 28мм), товщиною 0,6мм та з кроком 3мм. Коефіцієнт оребрення становив 14,6. Через отвір в одній з пробок було виведено зовні труби шланг у вигляді металевої тр убки (сталь марки сталь 10). Герметизація всіх з'єднань була виконана за допомогою аргоно-дугового зварювання. Прохідний отвір шланга було герметично перекрито та заварено після часткового заповнення внутрішньої порожнини труби робочою рідиною (дистильованою водою) та видалення через нього повітря. Датчики температури (мідь-константанові термопари) встановлювались та закріплювались в канавках в основі ребер та на зовнішній поверхні труби в трьох перерізах на відстані 20мм від межі оребрення та на його середині. Ширина та глибина канавок становили відповідно 0,6 та 0,8мм. Номери термопар на зовнішній поверхні труби - t2, t 4, t6, а в основі ребер - t1, t3, t5. Нагрівач з ніхрому потужністю 0,5кВт був розміщений зовні труби на частині її поверхні, вільної від ребер (Lвип.). Зовні нагрівач та торцеві пробки були відокремлені від довкілля шаром картону з базальтових волокон. Випробування проводились в умовах о холодження шляхом природної конвекції (коефіцієнт тепловіддачі від оребреної частини труби до повітря становив 5,9Вт/м 2×К) при середній температурі в приміщенні 20°С. Труба при випробуваннях була встановлена горизонтально. При проведенні випробувань були отримані наступні результати, занесені в таблицю. 7 24690 8 Таблиця Результати випробувань установки для визначення контактного термічного опору Q, Bт t1, оC t2, °С t3, °C t4, °С t5, °C t6, °C 50 49,0 49,8 51,0 51,8 50,75 51,5 0,78 4244,48 Dt , K qKT, Вт/м 2 2 Rкт , m ×K/Bт 100 78,4 80,75 77,5 78,8 78,2 80,25 1,9 8488,96 200 112,0 116,4 111,25 116,6 112,6 117,25 4,8 16977,93 250 133,2 139,0 133,0 138,8 135,75 141,4 5,75 21222,41 360 174,0 183,2 173,6 182,8 175,8 185,2 9,27 30560,27 1,84×10-4 2,24×10-4 2,83×10-4 2,71×10-4 3,03×10-4 Перепад температури по довжині теплової труби визначався за формулою: t +t + t t +t +t Dt = 2 4 6 - 1 3 5 . 3 3 Питома густина теплового потоку визначалась за формулою: Q qкт = , Fкт де Fкт = p × dзов. 10 × Lвип. сталь Контактний термічний опір визначався за формулою: Dt . qкт В результаті проведених випробувань і вимірів було з'ясовано наступне: - виготовлення, монтаж та ремонт при необхідності установки для визначення контактного термічного опору є достатньо простими і не потребують значних витрат робочого часу та зусиль; Rкт = Комп’ютерна в ерстка В. Мацело - більш висока точність вимірювань досягається внаслідок того, що отримана більш висока рівномірність температурних полів на оребренні за рахунок використання вільної конвекції при вимірюваннях взамін вимушеної; - спрощення вимірювань досягається за рахунок позбавлення від необхідності використання аеродинамічної труби; - досягається задовільна відповідність між температурами поверхні несучої тр уби та основи ребер в різних перерізах і, відповідно, отримані прийнятні величини термічного опору контакту даної пари матеріалів несучої тр уба та оребрення з даним методом нанесення оребрення в дослідженому діапазоні режимів; - установка дозволяє визначити контактний термічний опір для труб, які мають однакові матеріали несучої тр уби та оребрення, а також для різноманітних біметалевих тр уб, де використовуються різні матеріали несучої труби та оребрення. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601