Спосіб вимірювання потоків відчутної теплоти

Реферат: UA 85387 U UA 85387 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до техніки оцінювання потоків відчутної теплоти, яка виникає завдяки градієнту температури між земною поверхнею та атмосферою. Теплота, що викликає зміну температури об'єкта, називається відчутною теплотою. Відомий спосіб вимірювання потоків відчутної теплоти базується на методі вихрової коваріації: потік відчутної теплоти визначається як добуток густини повітря, питомої теплоємності повітря за сталого тиску та коваріації флуктуацій миттєвої вертикальної швидкості повітря та температури [Montheith J.L., Unsworth M. (1990) Principles of Environmental Physics. 2nd ed. Edward Arnold: London. - 291 p.]. Недоліком способу є складність та висока собівартість процесу вимірювань: процедура вимірювань передбачає оцінювання густини водяної пари, температури повітря, швидкості вітру на основі застосування трьох сенсорів, таких як інфрачервоний газоаналізатор (або гігрометр) для оцінювання Н2О та СО2, тривимірний ультразвуковий анемометр для оцінювання температури повітря та швидкості вітру у вертикальному та двох горизонтальних напрямках. Всі ці прилади розмішують на різних висотах за допомогою метеорологічної башти; дані, що одержані від цих приладів, обробляють на комп'ютері. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб вимірювання потоків відчутної теплоти на основі сцинтолометрії [Meijninger W.M.L. Surface fluxes over natural landscapes using scintillometry. Wageningen Universiteit, 2003 p. 164]. Показник заломлення приземного шару повітря залежить від температури повітря, його вологості та густини. Перенесення теплоти та водяної пари у приземному шарі атмосфери супроводжується флуктуаціями показника заломлення повітря, завдяки чому оптичне випромінювання, яке пропускають через шар приземного повітря, також набуває просторові флуктуації інтенсивності під час поширення вздовж атмосфери, що призводять до його сцинтиляцій (мерехтінь). Реєстрація сцинтиляцій світлового променя може надати інформацію щодо структури атмосферних шарів та наявності в них теплових та рефракційних градієнтів. Оскільки ці флуктуації викликаються температурними флуктуаціями, стає можливим реєструвати потоки відчутної та прихованої теплоти вздовж довжини поширення оптичного променя. Якщо апертура сцинтилометра достатньо велика, тобто перевищує розміри великих вихорів, приймач здатний усереднювати одержаний по всій апертурі сигнал. Недоліком способу є складність процедури вимірювань. Оптичне випромінювання генерується за допомогою передавача, діаметр якого досягає 0,15 м. Оптичне випромінювання набуває флуктуацій під час проходження приземного шару атмосфери; ці флуктуації реєструються приймачем такого ж діаметра. Відстань між передавачем та приймачем становить 100-5000 м. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення процедури та зменшення собівартості вимірювань потоків відчутної теплоти. Поставлена задача вирішується тим, що у способі вимірювання потоків відчутної теплоти аналізують температурний профіль над однорідною поверхнею в стаціонарних умовах, який описується рівнянням: Tz  T0  40 H * 0,4c ln zd zH , (1) де T(z) - середня температура повітря на висоті z; Т0 – аеродинамічна температура земної поверхні; Н – потік відчутної теплоти від поверхні до повітря;  c - об'ємна теплоємність повітря, * яка залежить від температури (див. табл. 1 та рисунок); d - зміщення нульової поверхні;  * швидкість тертя; zH - параметр шорсткості для перенесення теплоти; А=Н/(0,4с ). 45 Таблиця 1 Залежність - об'ємної теплоємності повітря від температури Температура t, C -50 20 40 60 80 100 (kg/m ) 1.534 1.293 1.127 1.067 1.000 0.946 3 c(kJ/kgK) 1.005 1.005 1.005 1.009 1.009 1.009 1 c 1.542 1,299 1.132 1,077 1,009 0,955 UA 85387 U Розглянемо ситуацію вимірювання температури на двох різних висотах z1 та z2. * Враховуємо, що Н/(0,4с ) є величина стала для всіх висот. Тоді рівняння (1) можна записати для двох температур так: z1  d zH ; (2) z d T z 2   T0  A ln 2 zH . (3) T z1  T0  A ln 5 Виключаючи з рівнянь (2) та (3) аеродинамічну температуру, можна отримати вираз:  z d z  d Tz1  Tz2   A ln 1  ln 2  zH zH  (4)  або T z1  T z 2   A ln 10 z1  d z 2  d . (5) Звідси знаходимо параметр А: * A=H/(0,4c ). (6) Який дає можливість визначити потік відчутної теплоти: H  A  0,4c *  T z1  T z2  / ln 15 20 z1  d  0,4c * z2  d . (7) Розглянемо приклад вимірювань температури на двох висотах. Середня температура повітря на висоті z1=2 м над рослинним покривом дорівнює Т1=3 °C, а на висоті z2=1 м температура дорівнює Т2=1 °C. Знайдемо потік відчутної теплоти Н від поверхні до повітря. Для земної поверхні зміщення нульової поверхні d дорівнює нулю; для однорідного рослинного покриву висотою h зміщення нульової поверхні d0,6h. Підставимо числові дані у рівняння (5) 1  3  A ln 2  0,6  0,5 1,7  A ln  A 2,43 1  0,6  0,5 0,7 . * 25 30 Звідки А=Н/(0,4с )=-2,25 °C. Тоді потік відчутної теплоти від поверхні до повітря дорівнює: 2 Н=0,4·1280·0,15·(-2,25)=173 Вт/м . Таким чином, спосіб містить такі операції: 1. Вимірюють температуру повітря Т1 на висоті z1; 2. Вимірюють температуру повітря Т2 на висоті z2; 3. Враховуємо зміщення нульової поверхні d; * 4. Враховуємо швидкість тертя  ; 5. Знаходимо об'ємну теплоємність повітря с (табл. 1 або рисунок); 6. Підставляємо числові дані у рівняння (5) - (7) та знаходимо потік відчутної теплоти Н. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Спосіб вимірювання потоків відчутної теплоти, який включає оцінювання змін фізичних характеристик приземного шару атмосфери, який відрізняється спрощенням процедури та зменшенням собівартості вимірювань потоків відчутної теплоти, для чого використовують вимірювання температури повітря на двох різних висотах, після чого визначають потік відчутної теплоти за виразом: H  Tz1   Tz 2  / ln z1  d  0,4c* , z2  d де T z1  та T z 2  - середня температура повітря на висоті z 1 та z 2 відповідно; c - об'ємна * теплоємність повітря, яка залежить від температури; d - зміщення нульової поверхні;  швидкість тертя. 2 UA 85387 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3