Прибор для измерения температуры газа и жидкости (температурного поля газового или жидкостного потока)

Установка предназначена для исследования полей температур в неизотермических потоках при относительно высоких параметрах жидкостного и газового потока по температурам и давлениям, что обеспечивает повышение представительности экспериментальных данных для верификации CFD кодов.

Технический результат, заключающийся в обеспечении представительности измерений для верификации CFD программ к описанию неизотермических потоков, определяющих надежность и ресурс большого числа элементов энергетического оборудования, достигается за счет того, что на тонкостенный преобразователь температуры установлен перфорированный силовой каркас из нержавеющей стали, с нанесенным на него термоизолирующим покрытием из сверхтонкого жидкого керамического теплоизолятора (например, Корунд Зима или Корунд Вулкан изготовленного в соответствии с ТУ-5760-001-53663241-2008) или пленки ПВХ (например, пленка типа ORACAL) со стороны контакта с тонкостенным преобразователем температур.

Установка предназначена для исследования полей температур в неизотермических потоках и обеспечивает экспериментальные данные, необходимые для верификации и настройки программ трехмерного теплогидравлического расчета. Турбулентные неизотермические потоки сопровождается пульсациями температур, во многих случаях определяющих надежность и ресурс энергетического оборудования. Поэтому актуальными являются задачи их экспериментальных и расчетных исследований.

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 G01К 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 высоких значениях температур и давлений теплоносителя.

Технической задачей, стоящей перед изобретателем, является обеспечение возможности измерения температурного поля при высоких значениях температур и давлений теплоносителя.

Решение поставленной задачи позволяет повысить представительность измерений для верификации CFD программ к описанию неизотермических потоков.

Задача решается тем, что известное Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока, содержит тепловизионную камеру, тонкостенный преобразователь температуры, на который установлен перфорированный силовой каркас, выполненный из нержавеющей стали, с нанесенным на него термоизолирующим покрытием со стороны контакта с тонкостенным преобразователем температур.

На фиг.1 изображено Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока с тонкостенным преобразователем температур, выполненным в виде плоской пластины.

На фиг.2 изображено Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока с тонкостенным преобразователем температур, выполненным в виде трубы.

Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока содержит тепловизор (1), тонкостенный преобразователь температур (2), силовой каркас (3), термоизорующее покрытие (4).

Устройство работает следующим образом.

Силовой каркас (3) с нанесенным на него термоизолирующим покрытием (4) устанавливается на тонкостенный преобразователь температур (2) и обеспечивает его герметичность при повышении параметров температур и давлений жидкостного или газового потока. Термоизолирующее покрытие (4) состоит из сверхтонкого жидкого керамического теплоизолятора (например, Корунд Зима или Корунд Вулкан, изготовленные в соответствии с ТУ-5760-001-53663241-2008) или пленки ПВХ (например, пленка типа ORACAL). Измерения температурного поля производятся через отверстия в силовом каркасе (3) и термоизолирующем покрытии (4) с помощью тепловизора (1).

Таким образом, установка термоизолированного силового каркаса на тонкостенный преобразователь температур позволяет измерять температурное поле при более высоких параметрах жидкостного и газового потока, что обеспечивает повышение представительности экспериментальных данных для верификации CFD кодов.

Устройство для измерения температурного поля газового или жидкостного потока, содержащее тепловизионную камеру, тонкостенный преобразователь температуры, отличающееся тем, что на тонкостенный преобразователь температуры установлен перфорированный силовой каркас, выполненный из нержавеющей стали, с нанесенным на него термоизолирующим покрытием со стороны контакта с тонкостенным преобразователем температур.