Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока

Установка предназначена для исследования процесса турбулентного перемешивания неизотермических потоков. Технический результат, заключающийся в обеспечении представительности измерений для верификации CFD программ к описанию температурных пульсаций потоков, определяющих надежность, и ресурс большого числа элементов энергетического оборудования, достигается за счет того, что тонкостенный преобразователь температуры, в виде трубы, внутри которой установлен цилиндрический вытеснитель, образующие кольцевой канал.

Установка предназначена для исследования процесса турбулентного перемешивания неизотермических потоков и обеспечивает экспериментальные данные, необходимые для верификации и настройки программ трехмерного теплогидравлического расчета на описание процессов смешения неизотермических потоков. Процесс смешения неизотермических потоков сопровождается пульсациями температур, во многих случаях определяющих надежность и ресурс энергетического оборудования. Поэтому актуальными являются задачи экспериментальных и расчетных исследований процессов смешения.

В настоящее время в РФ и зарубежом активно ведутся работы по адаптации программ трехмерного теплогидравлического расчета (CFD) к описанию неизотермических потоков в элементах энергетического оборудования, причем одной из основных целей внедрения является анализ и обоснование ресурса оборудования, подверженного термоциклическим нагрузкам. Проблемой, сдерживающей внедрение CFD программ, является практически полное отсутствие экспериментальных данных по пульсациям температур в неизотермических потоках.

В соответствии с теоретическими представлениями (например, Колмогоров 1941), в турбулентном потоке должен существовать сплошной спектр частот, характеризующих вихревые движения разных масштабов. Практический интерес, с точки зрения влияния на температурное состояние стенки, оказывают движения с частотами до ~5 Гц. Измерить такие частоты существующими средствами не представляется возможным.

Так, известны устройства для измерения температурных полей газовых и жидкостных потоков в виде контактных зондов на основе термоприемников, в которых преобразователями температуры, то есть термочувствительными элементами, являются термопары или термометры сопротивления (см. стр.206-212 и рис.54 на стр.211 в кн. Бошняк Л.Л. Измерения при теплотехнических исследованиях. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974. - 448 с.). Такое устройство (измерительный зонд) устанавливается в точку измерения в газовом или жидкостном потоке и проводится замер температуры методами, соответствующими типу чувствительного элемента. Затем зонд перемещается в следующую точку и цикл измерения повторяется. Данные устройства имеют следующие недостатки. Устройства являются контактными, поэтому размещаемые в потоке зонды возмущают его, нарушают характер течения и тем самым искажают результаты измерения температурного поля. При проведении замеров поля температуры во множестве точек потока такие исследования становятся затяжными во времени и трудоемкими. Кроме того, необходимо иметь дополнительное и достаточно сложное оборудование, обеспечивающее перемещение и точное позиционирование зондов в пространстве (координатники). К недостаткам устройства следует отнести и присущие термоприемникам особенности: инерционность преобразователей температуры, затрудненность точного ориентирования приемных отверстий зондов навстречу потоку, в условиях, когда направление потока неизвестно. Перечисленные недостатки делают невозможным применение. данных устройств для измерения температурных пульсаций.

Также известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА (патент RU 2230300 от 10.04.2002 G01K 13/02). Устройство содержит преобразователь температуры и снабжено тепловизионной камерой. Преобразователь температуры выполнен в виде сетки из нитей, причем материал нитей сетки имеет коэффициент теплопроводности, составляющий 0.951.05 коэффициента теплопроводности газа, толщина нитей сетки составляет 1050 мкм, а расстояние между нитями сетки составляет 100200 толщин нитей, кроме того, сетка выполнена с термоиндикаторным покрытием. Такое выполнение устройства и использование тепловизионной камеры позволяет проводить безинерционные бесконтактные (не возмущающие поток) измерения температуры, что обеспечивает, в том числе возможность представительных измерений температурных пульсаций. Кроме того, обеспечивается одномоментное измерение температурного поля газового потока в максимально большей области потока.

К недостаткам данного устройства относится то, что в известном устройстве присутствует сетка - преобразователь температуры, что позволяет выполнять измерения температурного поля только в газовом потоке, так как жидкость является непрозрачной для инфракрасного излучения, недостоверность и длительное время измерения параметров.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемой полезной модели является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА (патент RU 112409 от 06.07.2011 G01K 13/02), которое принято за прототип. Устройство содержит тепловизионную камеру, преобразователь температуры в виде тонкой плоской стенки, выполненной из нержавеющей стали, с толщиной стенки не более 0,3 мм.

Недостатком данного устройства является ограниченная область применения для исследований температурного поля процессов смешения неизотермических потоков при естественной конвекции в кольцевом канале.

Технической задачей, стоящей перед изобретателем, является необходимость измерения температурного поля, в кольцевом канале, жидкостного и газового потока при естественной конвекции.

Решение поставленной задачи позволяет обеспечить представительность измерений для верификации CFD программ к описанию температурных пульсаций потоков, позволяющих определить надежность и ресурс большого числа элементов энергетического оборудования.

Задача решается тем, что в известном Устройстве для измерения температурного поля газового или жидкостного потока, содержащем тепловизионную камеру, тонкостенный преобразователь температуры, выполнен в виде трубы, внутри которой установлен цилиндрический вытеснитель, образующие кольцевой канал.

На фиг.1 изображено предлагаемое Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока содержащее тепловизор (1), преобразователь температур, выполненный в виде кольцевого канала (2), состоящего из тонкостенной трубы (3) и вытеснителя (4), выполненного в виде трубы, нагреватель (5).

Устройство работает следующим образом.

Из нагревателя (5) теплоноситель поднимается на вход кольцевого канала (2) с тонкостенной трубой (3) и, поднимаясь выше, встречается с теплоносителем с отличными значениями температуры и смешивается с ним, посредством естественной конвекции кольцевом канале (2). Величина кольцевого зазора регулируется размерами вытеснителя (4). Измерения температурного поля производятся с помощью тепловизора (1).

С учетом того, что кольцевой зазор между тонкостенной трубой (3) и вытеснителем (4) мал, температура воды в центре потока незначительно (не более чем на 0,1°С) отличается от температуры воды вблизи внутренней поверхности трубы (3), которая, в свою очередь, практически не отличается от температуры внешней поверхности трубы (3), измеряемой тепловизором.

Таким образом, выполнение преобразователя температуры в виде кольцевого канала, состоящего из тонкостенной трубы и вытеснителя, позволяет достоверно измерять температурное поле, при естественной конвекции не только в жидкостном, но и в газовом потоке, и определять надежность, и ресурс большого числа элементов энергетического оборудования.

Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока, содержащее тепловизионную камеру, тонкостенный преобразователь температуры, отличающееся тем, что тонкостенный преобразователь температуры выполнен в виде трубы, внутри которой установлен цилиндрический вытеснитель, образующие кольцевой канал.