Прилади для вимірювання густини теплових потоків.

У відділі теплометрії в Інституті технічної теплофізики НАН України вже півсторіччя розробляються прилади, які дозволяють безпосередньо вимірювати густину теплових потоків через огороджувальні конструкції будівель, холодильних камер, парових та водогрійних котлів, теплообмінних апаратів, транспортуючих трубопроводів гарячої води та пари тощо. Як правило, такі прилади складаються з одного або кількох первинних перетворювачів густини теплового потоку (ПТП) ― тепломірів та вторинної електронної апаратури, що вимірює термо- електро рушійну силу (ЕРС) і визначає сигнал в мВ. Більш сучасна апаратура перетворює сигнал мВ у візуальне значення температури і густини теплового потоку, з можливою подальшою статистичною та графічною обробкою результатів вимірювань на комп’ютері.

Найбільш поширена конструкція шаруватого тепломіра О.А.Геращенко – В.Г. Федорова, за високу чутливість, постійність градуювальних характеристик, малогабаритні розміри і невисоку вартістю. Конструктивно тепломір складається з батареї послідовно з’єднаних диференціальних термоелементів - термопар, заформованих в тіло полімерної пластинки.

Чутливий елемент виконаний з константанового дроту діаметром 0,1 мм, намотаного на корд порізаної на смужки кіноплівки завширшки 1,0 мм (для збільшення чутливості використовують смужки до 6 мм), товщиною 0,17 мм, у якого половина витка гальванічно покрито міддю завтовшки 3...3,5 мкм (див. рис. 8.1). Таким чином створюється чергуюча послідовність міді та константану ― плоска спіраль парних термоелектродів, в яких місця переходу від чистого константану до біметалу відіграє роль спаїв послідовних термопар, що знаходяться на двох різних поверхнях пластинки-тепломіра. Вибір розмірів та формування пластинки-тепломіра відбувається в залежності від призначення: інтенсивності теплових потоків та температурних навантажень, розмірів та форми дослідних об’єктів тощо. За призначенням підбирається і заповнювач, яким може бути епоксидні смоли, або інші полімери, в чистому вигляді чи з барвниками та з теплопровідними, вогнетривкими та інш. домішками. Товщина тепломіра, його площа та форма пластинки кругла, прямокутна чи квадратна формується за призначенням (рис.8.2).

Дротові спіральні електроди та компаунд, що заповнює проміжки між ними, створюють термічний опір тепловому потоку, утворюючи допоміжну стінку. При проходженні крізь стінку потоку теплоти в шарі між першою і другою площинами утворюється перепад температур (рис.8.3), за яким термобатарея виробляє ЕРС пропорційну цьому перепаду і числу термоелементів, та відповідно і густині теплового потоку. Кількість таких диференціальних термопар від кількох десятків до тисячі на одному квадратному сантиметрі пластини. Їх кількість приймається в залежності від інтенсивності теплових потоків. Для надійної реєстрації потоків малої інтенсивності ― це густина теплового потоку в межах 10^-2…100 Вт/м² (огородження будівель, теплова ізоляція холодильних камер, тепловиділення людиною тощо), достатньо 200−300 шт/см², для потоків середньої інтенсивності до 10³ Вт/м² (будівлі, трубопроводи з гарячою водою, паропроводи, теплообмінне обладнання тощо) кількість диференційних термопар можливо зменшити до 50−200 шт/см². Збільшення кількості диференційних термопар сприяє чутливості тепломіра, можливості вимірювання малих за інтенсивністю теплових потоків мініатюрними датчиками, але час виходу тепломіра на вимірювання зростає з 10…30 с до 1...2 хв. Таким тепломіром важко вимірювати теплові потоки на поверхнях із значним впливом конвективного та радіаційного потоку (зовнішні вимірювання на будівельних спорудах при наявності змінного вітру, сонячного випромінювання).

Важлива особливість пластинок-тепломірів, що термоелементи розташовані перпендикулярно поверхні пластинки і в процесі роботи тепломіра розташовані до потоку теплоти, що визначає спрямування (напрямок) теплового потоку та його знак «+» чи «–» (рис.).

Градуювальною характеристикою є робочий коефіцієнт або коефіцієнт перетворення ― k_q, Вт/(м²×мВ), зворотній величині чутливості тепломіра. Робочий коефіцієнт є мірою пропорційності між густиною теплового потоку, що вимірюється, і термо- ЕРС ― e, мВ, що виробляє тепломір:

k_q=q/ e. (8.3)

Кожен тепломір градуюється за еталонним тепломіром та має власний робочий коефіцієнт k_qі, тому залишається тільки помножити його значення на показання мілівольтметра e та визначити за рівнянням густину теплового потоку:

q_і= k_qі e _і. (8.4)

Найбільш просте кріплення тепломіра на огородженні ― це наклеювання на поверхню за допомогою двостороннього скочу, або на теплопровідну пасту з виконанням умови щільного контакту з поверхнею. Дуже важливо, що за таким кріпленням не порушується ізоляційний шар та поверхня не має механічної деформації.

Можливі випадки вимірювання густини теплового потоку тепломірами на огороджуючих конструкціях: суцільний напівобмежений масив (рис.8.4, а) і тепломірами на температуровирівнючій металевій пластині (рис.8.4, б).

а

б

Рис. 8. 4. Теплообмін при межових умовах 3-го роду.

1– огороджувальна конструкція (ОК), 2 – перетворювач густини теплового потоку (ПТП), 3 – охоронна зона ПТП, 4 − температуровирівнююча пластина

У першому випадку (рис.8.4, а) за рахунок теплообміну огородження з довкіллям (д) формується одномірне температурне поле t _о(ОК) і густина теплового потоку що проходить через огороджувальну конструкцію (ОК) визначається з рівняння:

q _o= a_o(t _д − t _о),

де a_o = a_S = a_к + a_пр―сумарний коефіцієнт теплопередачі між довкіллям та стінкою за рахунок конвекції та теплового випромінювання; температура довкілля постійна ― t _д = const; та температура ― t _о(ОК), що встановилася на поверхні огородження.

В другому випадку (рис.8.4, б) тепломір накладається на металеву поверхню апарата, відкритий трубопровід, чи на алюмінієвий лист, що закриває теплову ізоляцію то що. Металева поверхня вирівнює температурне поле поверхні, бо метали мають значну теплопровідність.

При накладанні тепломіра на ОК, теплопровідність якого відрізняється від теплопровідності огородження, температурне поле викривляється і стає двомірним t _о(r, х). Щоб прибрати небажані похибки при вимірюванні в датчиках при виготовленні передбачена охоронна зона ― заливка з матеріалу заповнювача на додаткових 3―10 мм по краях. У випадку (рис.8.4, б) з вирівнюючою металевою поверхнею, ця охоронна зона може бути мінімальною, бо викривлення температурного поля сходить до нуля.

Вибрані для дослідження малоінерційні тепломіри виходять на режим роботи менш ніж за 30 с після закріплення їх на поверхні огородження. Їх малі розміри та товщина 1...2 мм дозволяє нехтувати гідродинамічними збуреннями, які можуть виникнути при їх розміщенні на поверхні огороджувальної конструкції. Це пов’язано з тим, що товщина рухомих теплового та гідродинамічного прошарків за вільного та вимушеного руху біля робочого теплоенергетичного обладнання зазвичай більше ніж товщина тепломіра.

Дата добавления: 2015-08-10