Спосіб визначення контактного термічного опору

1. Спосіб визначення контактного термічного опору, що включає відрізання зразка біметалевої труби з внутрішньою несучою трубою та ребристою оболонкою заданого розміру, виготовлення і монтаж електронагрівача всередині несучої труби, встановлення термопар в стінці несучої труби та основі ребер ребристої оболонки, ізолювання торцевих поверхонь електронагрівача, нагрівання зразка шляхом передачі теплового потоку від електронагрівача з наступним його відведенням зовні ребристої оболонки, вимірювання температурного перепаду Dtк між несучою трубою та ребристою 3 31544 В якості прототипу вибраний найбільш близький за технічною суттю спосіб визначення контактного термічного опору [див. статтю Бакластов A.M., Зайцев В.Г., Кунты ш В.В. К вопросу о контактном теплообмене в аппаратах воздушного о хлаждения // Известия вузов. Серия энергетика. 1982. - №11. - С.114-116], що включає відрізання зразка біметалевої труби з внутрішньою несучою трубою та ребристою оболонкою заданого розміру, ви готовлення і монтаж електронагрівача всередині несучої тр уби, встановлення термопар в стінці несучої труби та в основі ребер ребристої оболонки, ізолювання торцевих поверхонь електронагрівача, нагрівання зразка шляхом передачі теплового потоку від електронагрівача з наступним його відведенням зовні ребристої оболонки, вимірювання температурного перепаду Dtк між несучою трубою та ребристою оболонкою в умовах сталого температурного режиму, розрахунок величини контактного термічного опору Rк =Dtк /qк , де qк - щільність теплового потоку через контактну зону. Електронагрівач виготовлявся у вигляді фарфорової трубки, на яку намотувалась ніхромова спіраль і встановлювався всередині несучої тр уби на електроізолюючих азбоцементних пробках. Вимірювання температури здійснювалось за допомогою термопар, які були чеканені на зовнішній поверхні несучої труби та вн утрішній поверхні ребристої оболонки. Зразок нагрівався шляхом підведення потужності до електронагрівача. Відведення потужності зовні ребристої оболонки здійснювалось в аеродинамічній трубі розімкнутого типу. При визначенні щільності теплового потоку через контактну зону для подальшого розрахунку величини контактного термічного опору враховувалась підведена потужність лише в центральній частині нагрівача внаслідок наявності втрат теплоти по торцевих поверхнях нагрівача, азбоцементних пробок, бокових і торцевих поверхнях виступаючої з ребристої оболонки частини несучої тр уби. Цей спосіб дещо простіший у порівнянні з аналогом за рахунок того, що для проведення вимірювань не виготовляється двохфазний термосифон, а також не знімається частина оребрення для встановлення електронагрівача. Однак він все ще залишається досить складним (виготовлення та встановлення електронагрівача, а також встановлення термопар залишаються трудомісткими та складними операціями). Ускладнює проведення вимірювань також прийнята методика знімання показань електричної потужності в центральній частині нагрівача, який під час проведення дослідів знаходиться всередині несучої тр уби, що робить його важкодоступним для проведення відповідних дій. Для відведення теплового потоку використовується складне та дороге обладнання, а саме аеродинамічна труба розімкнутого типу. Тривалість вимірювань визначається значними витратами часу на виготовлення електронагрівача, торцевих пробок складної конструкції з асбоцементу та на виготовлення і встановлення термопар. Електронагрівач та термопари можуть бути використані лише один раз. 4 В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу визначення контактного термічного опору, в якому нова послідовність операцій та введення нових операцій дозволила б спростити спосіб, зменшити час проведення його операцій при високій точності вимірювань, досягти можливості багаторазового використання основних елементів способу. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі визначення контактного термічного опору, що включає відрізання зразка біметалевої тр уби з внутрішньою несучою трубою та ребристою оболонкою заданого розміру, виготовлення і монтаж електронагрівача всередині несучої тр уби, встановлення термопар в стінці несучої труби та в основі ребер ребристої оболонки, ізолювання торцевих поверхонь електронагрівача, нагрівання зразка шляхом передачі теплового потоку від електронагрівача з наступним його відведенням зовні ребристої оболонки, вимірювання температурного перепаду Dtк між несучою трубою та ребристою оболонкою в умовах сталого температурного режиму, розрахунок величини контактного термічного опору Rк =Dtк /qк , де qк - щільність теплового потоку через контактну зону, згідно з корисною моделлю, довжину зразка біметалевої труби L3 вибирають згідно співвідношенню L3≥100rт.п., де rт.п . - радіус термопарного проводу, нагрівання здійснюють нагрівачем багаторазового використання, а термопари встановлюють у попередньо висвердлені отвори. Крім того, відведення теплового потоку може здійснюватись шляхом природної конвекції, отвори з встановленими термопарами можуть бути заповнені теплопровідною пастою, а торцеві поверхні несучої труби та основи ребер ребристої оболонки можуть бути покриті шаром теплоізоляційного матеріалу. Перераховані признаки способу визначення контактного термічного опору дозволяють досягти виконання поставленої задачі. Використання в даному способі нагрівача багаторазового використання, що являє собою блок з діелектричного матеріалу із ніхромовою спіраллю, який просто вставляється в несучу тр убу для проведення вимірювань та виймається з неї після їх проведення (нагрівач тримається на кільцевому виступі у його верхній частині, який виставляють на торцеву поверхню несучої тр уби; у випадку ж, коли внутрішній діаметр несучої труби більший від зовнішнього діаметра кільцевого виступу, на торцеву поверхню несучої тр уби кладуть проміжне кільце з діелектричного матеріалу, вн утрішній діаметр якого менший зовнішнього діаметра кільцевого виступу), а також термопар, підготовка яких до вимірювань полягає у встановленні їх у попередньо висвердлені отвори, а демонтаж - у вийманні з отворів, дозволяє суттєво спростити спосіб та зменшити час проведення його операцій. Значно заощаджується час також при переході від вимірювань контактного термічного опору одного зразка біметалевої труби до іншого. Точність вимірювань при цьому залишається високою за рахунок: 1) вибору довжини зразка, яка б забезпечила високу точність вимірювань при застосуванні найбільш придатного в даному випадку термоелект 5 31544 ричного методу вимірювання температури, а саме не менше 100rт.п., де rт.п - радіус термопарного проводу. Це обумовлено тим, що, як відомо [див., наприклад, книгу Приборы и методы физического металловедения. Т.1. - М.: Мир, 1973, стор.94], потік теплоти по дротинкам термопари від робочого спаю (або до нього) може суттєво впливати на точність, перешкоджаючи встановленню теплової рівноваги при вимірювання температури. Цю перешкоду можна подолати за рахунок відповідного способу монтажу вимірювальної схеми. Похибка вимірювань температури суттєво знижується, якщо довжина кожного з плечей так званої лучкової термопари складає 50 радіусам електродів [див., наприклад, книгу Теплотехнический справочник. Т.2. - М.: Энергия, 1976, стор.254]. Довжина зразка, не менша за 100 радіусів термоелектродів термопари забезпечить високу точність вимірювань враховуючи, що місце знаходження точки вимірювань (місце дислокації спаю термопар) буде знаходитись на відстані не менше 50 радіусів термоелектродів від кожного з кінців зразка; 2) застосування теплової ізоляції всіх елементів вимірювальної схеми, крім ребер ребристої оболонки, через які відбувається відведення теплового потоку (включаючи торцеву поверхню основи ребер ребристої оболонки). Багаторазовість використання нагрівача забезпечується його конструкцією. Монтаж чи демонтаж полягає у вставлянні чи вийманні нагрівача з несучої труби. Те ж саме стосується і термопар на відміну від прототипу, де термопари після закріплення (зачеканювання) не можуть бути демонтовані без пошкоджень. Технічна суть запропонованого способу пояснюється кресленням. На кресленні зображено зібраний та теплоізольований відповідно запропонованому способу зразок з встановленими у ньому електронагрівачем і термопарами. На кресленні зображено: 1 - зразок біметалевої труби; 2 - несуча труба 3 - ребриста оболонка; 4 - електронагрівач; 5 - отвір для термопари в несучій трубі; 6 отвір для термопари в ребристій оболонці; 7 термопара в несучій трубі; 8 - термопара в ребристій оболонці; 9 - теплоізоляція верхньої частини зразка; 10 - теплоізоляція нижньої частини зразка; 11 - проміжок між несучою трубою 2 та ребристою оболонкою 3. При реалізації способу відрізають зразок 1 довжиною, що дорівнює не менше 100 радіусам термопарної проволоки 7 та 8, враховуючи при цьому, щоб кількість ребер ребристої оболонки 3 дорівнювала б не менше ніж три. В несучій тр убі 2 та основі ребер ребристої оболонки 3 висвердлюють отвори 5 та 6 для термопар 7 та 8 відповідно таким чином, щоб дно кожного з отворів 5 та 6 знаходилось посередині оребрення ребристої оболо 6 нки 3. Встановлюють попередньо виготовлені та змащені теплопровідною пастою термопари 7 та 8 так, щоб їхні спаї знаходились на дні отворів 5 та 6. Після цього заповнюють залишковий вільний простір навколо термоелектродів теплопровідною пастою. Встановлюють попередньо виготовлений електронагрівач 4 всередину несучої труби 2. Встановлюють на торцеві поверхні електронагрівача 4, несучої тр уби 2 та основи ребер ребристої оболонки 3 шари теплової ізоляції 9 та 10, товщину яких вибирають за умови, щоб при найбільш напружених теплових режимах температура на зовнішніх поверхнях матеріалу теплоізоляції була б близькою до температури повітря приміщення, де відбуваються вимірювання. Підключають електронагрівач 4 до живлення. Вмикають живлення електронагрівача 4 та поступово збільшують електричну потужність, що видається на нього. Електронагрівач 4 нагрівається, а тепловий потік від нього передається спочатку на несучу тр убу 2, далі через проміжок 11 між несучою трубою 2 та ребристою оболонкою 3 передається до ребер ребристої оболонки 3. Цей тепловий потік відводиться від ребер ребристої оболонки 3 до атмосферного повітря шляхом природної конвекції. Після досягнення сталого температурного режиму при одному із запланованих значень підведеної потужності, коли температура зразка практично не змінюється, проводять вимірювання температури несучої труби 2 за допомогою термопари 7 та температури ребристої оболонки 3 за допомогою термопари 8. Далі вираховують величину контактного термічного опору для при даній середній температурі (між температурою несучої труби tнес.тр та температурою ребристої оболонки tpeбр.обол. , Тобто температури в зоні контакту tк =(tнec.тр+tребр.обол.)/2) Rк =Dtк /qк , де температурний перепад Dtк дорівнює різниці температур ребристої оболонки та несучої труби, а qк - щільність теплового потоку через контактну зону, яка визначається шляхом ділення переданого теплового потоку до площі контактної зони, через яку цей тепловий потік був переданий. При необхідності будують залежність величини контактного термічного опору від температури в зоні контакту, подаючи на нагрівач щораз більшу потужність та вимірюючи перепади температури при цьому та вираховуючи величини контактного термічного опору на різних досягнутих температурних рівнях зразка біметалевої труби. Відповідно до запропонованого технічного рішення проведено визначення величини термічного опору зразка біметалевої труби, геометричні розміри та параметри оребрення якого представлені в таблиці 1. Таблиця 1 Зовнішній Внутрішній Зовнішній Внутрішній Висота діаметр діаметр діаметр діаметр ребра, її, несучої несучої оребрення оребрення мм труби, d 2, труби, d 3, D, мм d1, mm мм мм 49 28 25 20 10,5 Крок оребрення, S, мм 3 Матеріал КоефіціТовщина єнт ореребра, S, брення, Несуча Оребмм труба рення y 0,5 14,6 Ст.10 АД1 7 31544 При проведенні випробувань зразки біметалевої тр уби довжиною 50мм в умовах о холодження шляхом природної конвекції при середній темпе 8 ратурі в приміщенні 20°С з метою визначення величини його термічного опору контакту були отримані наступні результати, занесені в таблицю 2. Таблиця 2 Q, Bt tк , °С Dtк , K qк , Вт/м 2 Rк , м 2К/Вт 1,0 34,25 0,1 1061,01 9,425×10-5 2,5 53,3 0,375 2652,52 1,41×10-4 5,0 87,7 0,825 5331,56 1,547×10-4 В результаті проведених досліджень встановлено: 1. Запропонований спосіб визначення контактного термічного опору дозволяє проводити теплотехнічні випробування зразків біметалевих труб у широкому діапазоні щільності теплового потоку та температур у зоні контакту стосовно до різноманітних теплопередаючих систем. Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 10,1 133,0 2,2 10716,18 2,053×10-4 15,1 186,9 5,6 16021,22 3,495×10-4 18,0 212,4 7,2 19098,14 3,77×10-4 24,0 253,4 10,825 25464,19 4,25×10-4 2. Виготовлення, монтаж та вимірювання є достатньо простими і не потребують значних витрат робочого часу та з усиль, а також додаткового складного обладнання. 3. Запропонований спосіб дозволяє визначити контактний термічний опір для біметалевих труб, де використовуються різні матеріали несучої тр уби та оребрення, а також таких, що мають різні геометричні розміри, форму та параметри 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