Измеритель теплофизических величин
Полезная модель относится к строительной технике и может быть преимущественно использована для измерения тепловых величин различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, различных переборок, выгородок, подволоков и др. Задачей полезной модели является повышение потребительских свойств путем повышения точности и достоверности. Решение поставленной задачи обеспечивается использованием расходного бака, в котором поддерживается постоянный уровень теплоносителя с помощью сливного трубопровода, в результате чего величина массового расхода теплоносителя в наружном и внутреннем теплообменниках становится постоянной во времени, а также использованием нагревательного бака, что обеспечивает постоянство во времени температуры теплоносителя на входе наружного теплообменника.
Полезная модель относится к строительной технике и может быть преимущественно использована для измерения теплофизических величин различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.
Известно устройство для бурения скважин [1], позволяющее получать образцы материалов с различной глубины. Измеряя параметры этих образцов, можно получить информацию о физических и химических свойствах и конфигурации глубинных слоев. Недостаток известного устройства заключается в том, что оно не обеспечивает неразрушающего контроля исследуемого объекта.
Известны многочисленные варианты устройств для ультразвуковой дефектоскопии, например, [2, 3], позволяющие определить наличие неоднородностей в различных конструкциях и конфигурацию этих неоднородностей, однако приборы такого рода не позволяют провести измерение теплофизических величин исследуемых материалов, в частности, теплового сопротивления.
Известны многочисленные варианты устройств для измерения теплового сопротивления различных радиоэлектронных приборов, например, описанное в [4] устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать только для измерения теплового сопротивления транзисторов.
Известно описанное в [5] устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, термопару и электронный блок обработки. Термопара расположена на
поверхности исследуемого образца. Выход термопары подключен к входу электронного блока обработки. Главный недостаток известного устройства заключается в том, что при использовании импульсного нагрева необходима сложная обработка результатов измерений, для чего требуется сложная аппаратура. Это приводит к значительному удорожанию проведения измерений. Кроме того, большая сложность обработки результатов измерений приводит к снижению их точности и достоверности.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является устройство [6], содержащее источник тепловой энергии, регистрирующее устройство, наружный теплообменник, внутренний теплообменник, входной трубопровод, первый соединительный трубопровод, второй соединительный трубопровод, выходной трубопровод, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой измерители температуры, при этом выход входного трубопровода соединен с входом наружного теплообменника, выход наружного теплообменника соединен с входом первого соединительного трубопровода, выход первого соединительного трубопровода соединен с входом источника тепловой энергии, выход источника тепловой энергии соединен с входом второго соединительного трубопровода, выход второго соединительного трубопровода соединен с входом внутреннего теплообменника, выход внутреннего теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, наружная поверхность наружного теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к наружной поверхности исследуемого объекта наружной поверхности наружного теплообменника, наружная поверхность внутреннего теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта наружной поверхности внутреннего теплообменника, первый измеритель температуры размещен внутри входного трубопровода, второй измеритель температуры размещен между наружной поверхностью наружного
теплообменника и наружной поверхностью исследуемого объекта, третий измеритель температуры размещен внутри первого соединительного трубопровода, четвертый измеритель температуры размещен внутри второго соединительного трубопровода, пятый измеритель температуры размещен между наружной поверхностью внутреннего теплообменника и внутренней поверхностью исследуемого объекта, шестой измеритель температуры размещен внутри выходного трубопровода, выход первого измерителя температуры соединен с первым входом регистрирующего устройства, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом регистрирующего устройства, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом регистрирующего устройства, выход четвертого измерителя температуры соединен с четвертым входом регистрирующего устройства, выход пятого измерителя температуры соединен с пятым входом регистрирующего устройства, а выход шестого измерителя температуры соединен с шестым входом регистрирующего устройства.
Известное устройство обладает низкими потребительскими свойствами. Это обусловлено необходимостью поддержания постоянной величины массового расхода теплоносителя и постоянной температуры теплоносителя на входе теплообменника для обеспечения высокой точности и высокой достоверности измерений. Если же эти параметры теплоносителя нестабильны во времени, то известное устройство не позволяет добиться высокой точности и высокой достоверности измерений, в результате чего потребительские свойства оказываются низкими.
Задачей полезной модели является повышение потребительских свойств путем повышения точности и достоверности измерений.
Решение поставленной задачи в соответствии с п.1 формулы полезной модели обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее источник тепловой энергии, регистрирующее устройство,
наружный теплообменник, внутренний теплообменник, входной трубопровод, первый соединительный трубопровод, второй соединительный трубопровод, выходной трубопровод, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой измерители температуры, при этом выход наружного теплообменника соединен с входом первого соединительного трубопровода, выход первого соединительного трубопровода соединен с входом источника тепловой энергии, выход источника тепловой энергии соединен с входом второго соединительного трубопровода, выход второго соединительного трубопровода соединен с входом внутреннего теплообменника, выход внутреннего теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, наружная поверхность наружного теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к наружной поверхности исследуемого объекта наружной поверхности наружного теплообменника, наружная поверхность внутреннего теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта наружной поверхности внутреннего теплообменника, второй измеритель температуры размещен между наружной поверхностью наружного теплообменника и наружной поверхностью исследуемого объекта, третий измеритель температуры размещен внутри первого соединительного трубопровода, четвертый измеритель температуры размещен внутри второго соединительного трубопровода, пятый измеритель температуры размещен между наружной поверхностью внутреннего теплообменника и внутренней поверхностью исследуемого объекта, шестой измеритель температуры размещен внутри выходного трубопровода, выход первого измерителя температуры соединен с первым входом регистрирующего устройства, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом регистрирующего устройства, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом регистрирующего устройства, выход четвертого измерителя температуры соединен с четвертым входом
регистрирующего устройства, выход пятого измерителя температуры соединен с пятым входом регистрирующего устройства, выход шестого измерителя температуры соединен с шестым входом регистрирующего устройства, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит расходный бак, нагревательный бак, третий соединительный трубопровод, четвертый соединительный трубопровод, выход входного трубопровода соединен с входом расходного бака, выход расходного бака соединен с входом третьего соединительного трубопровода, выход третьего соединительного трубопровода соединен с входом нагревательного бака, выход нагревательного бака соединен с входом четвертого соединительного трубопровода, выход четвертого соединительного трубопровода соединен с входом наружного теплообменника, первый измеритель температуры размещен внутри четвертого соединительного трубопровода, а нагревательный бак снабжен нагревательным элементом.
Использование в заявленном устройстве расходного бака обеспечивает постоянство во времени величины массового расхода теплоносителя в наружном теплообменнике, а использование нагревательного бака, снабженного нагревательным элементом, обеспечивает постоянство во времени температуры теплоносителя на входе наружного теплообменника. Таким образом, на вход наружного теплообменника поступает теплоноситель, величина массового расхода которого и температура которого постоянны во времени, в результате чего повышаются точность и достоверность измерений. Это приводит к повышению потребительских свойств заявленного устройства по сравнению с прототипом.
В частном случае в соответствии с п.2 формулы полезной модели входной трубопровод снабжен вентилем. Это позволяет регулировать величину массового расхода теплоносителя, проходящего через входной трубопровод.
В частном случае в соответствии с п.3 формулы полезной модели третий соединительный трубопровод снабжен вторым вентилем. Это позволяет регулировать величину массового расхода теплоносителя, проходящего через третий трубопровод.
В частном случае в соответствии с п.4 формулы полезной модели расходный бак снабжен сливным трубопроводом. Если параметры заявленного устройства подобраны таким образом, что величина массового расхода теплоносителя в третьем соединительном трубопроводе меньше, чем минимально возможная величина массового расхода теплоносителя в входном трубопроводе, то часть теплоносителя все время уходит через сливной трубопровод, в результате чего обеспечивается постоянный уровень теплоносителя в расходном баке. Это приводит к постоянству величины массового расхода теплоносителя в теплообменнике.
В частном случае в соответствии с п.5 формулы полезной модели заявленное устройство содержит накопительный бак, сливной бак, выход накопительного бака соединен с входом входного трубопровода, выход выходного трубопровода соединен с первым входом сливного бака, а выход сливного трубопровода соединен с вторым входом сливного бака. Такой вариант конструктивного выполнения заявленного устройства позволяет многократно использовать один и тот же теплоноситель за счет его транспортировки из сливного бака в накопительный бак.
Сущность полезной модели поясняется описанием конкретного варианта выполнения измерителя теплофизических величин и чертежом, на котором приведена схема заявленного устройства.
Измеритель теплофизических величин содержит источник тепловой энергии 1, регистрирующее устройство 2, наружный теплообменник 3, внутренний теплообменник 4, входной трубопровод 5, первый соединительный трубопровод 6, второй соединительный трубопровод 7,
выходной трубопровод 8, первый 9, второй 10, третий 11, четвертый 12, пятый 13 и шестой 14 измерители температуры. При этом выход наружного теплообменника 3 соединен с входом первого соединительного трубопровода 6, выход первого соединительного трубопровода 6 соединен с входом источника тепловой энергии 1, выход источника тепловой энергии 1 соединен с входом второго соединительного трубопровода 7, выход второго соединительного трубопровода 7 соединен с входом внутреннего теплообменника 4, выход внутреннего теплообменника 4 соединен с входом выходного трубопровода 8, наружная поверхность наружного теплообменника 3 снабжена тепловой изоляцией 15 кроме примыкающей к наружной поверхности исследуемого объекта 16 наружной поверхности наружного теплообменника 3, наружная поверхность внутреннего теплообменника 4 снабжена тепловой изоляцией 17 кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта 16 наружной поверхности внутреннего теплообменника 4, второй измеритель температуры 10 размещен между наружной поверхностью наружного теплообменника 3 и наружной поверхностью исследуемого объекта 16, третий измеритель температуры 11 размещен внутри первого соединительного трубопровода 6, четвертый измеритель температуры 12 размещен внутри второго соединительного трубопровода 7, пятый измеритель температуры 13 размещен между наружной поверхностью внутреннего теплообменника 4 и внутренней поверхностью исследуемого объекта 16, шестой измеритель температуры 14 размещен внутри выходного трубопровода 8, выход первого измерителя температуры 9 соединен с первым входом регистрирующего устройства 2, выход второго измерителя температуры 10 соединен с вторым входом регистрирующего устройства 2, выход третьего измерителя температуры 11 соединен с третьим входом регистрирующего устройства 2, выход четвертого измерителя температуры 12 соединен с четвертым входом регистрирующего устройства 2, выход пятого
измерителя температуры 13 соединен с пятым входом регистрирующего устройства 2, а выход шестого измерителя температуры 14 соединен с шестым входом регистрирующего устройства 2. Измеритель теплофизических величин также содержит расходный бак 18, нагревательный бак 19, третий соединительный трубопровод 20, четвертый соединительный трубопровод 21, выход входного трубопровода 5 соединен с входом расходного бака 18, выход расходного бака 18 соединен с входом третьего соединительного трубопровода 20, выход третьего соединительного трубопровода 20 соединен с входом нагревательного бака 19, выход нагревательного бака 19 соединен с входом четвертого соединительного трубопровода 21, выход четвертого соединительного трубопровода 21 соединен с входом наружного теплообменника 3, первый измеритель температуры 9 размещен внутри четвертого соединительного трубопровода 21, а нагревательный бак 19 снабжен нагревательным элементом. Входной трубопровод 5 снабжен вентилем 22, третий соединительный трубопровод 20 снабжен вторым вентилем 23, расходный бак 18 снабжен сливным трубопроводом 24.
Измеритель теплофизических величин дополнительно содержит накопительный бак 25, сливной бак 26, выход накопительного бака 25 соединен с входом входного трубопровода 5, выход выходного трубопровода 8 соединен с первым входом сливного бака 26, а выход сливного трубопровода 24 соединен с вторым входом сливного бака 26.
Направление движения теплоносителя показано стрелками, обозначенными на чертеже позицией 27. В качестве нагревательного элемента может быть применен преобразователь электрической энергии в тепловую энергию. Клеммы, к которым подключается внешний источник электрической энергии, обозначены на чертеже позицией 28.
Изменение величины массового расхода теплоносителя через теплообменники 3 и 4 осуществляется обычно изменением высоты
расходного бака 18 над теплообменниками 3 и 4. Обычно теплообменники 3 и 4 располагаются приблизительно на одной высоте ниже расходного бака 18. Накопительный бак 25 должен быть расположен, как правило, выше расходного бака 18, а нагревательный бак 19 должен быть расположен, как правило, ниже расходного бака 18 и выше теплообменников 3 и 4. Накопительный бак 25 может заполняться из водопровода водой, в этом случае роль теплоносителя выполняет водопроводная вода.
Скапливающийся в сливном баке 26 теплоноситель может быть снова использован путем транспортировки из сливного бака 26 в накопительный бак 25 (этот путь на фиг. показан стрелкой с прерывистой линией и обозначен позицией 29) с помощью какого-либо трубопровода, снабженного насосом или путем транспортировки жидкого теплоносителя из сливного бака 26 в накопительный бак 25 с помощью каких-либо контейнеров, например, ведер.
Измеритель теплофизических величин работает следующим образом. Теплоноситель из накопительного бака 25 по входному трубопроводу 5 попадает в расходный бак 18, из которого часть теплоносителя через сливной трубопровод 24 уходит в сливной бак 26, обеспечивая тем самым постоянство во времени уровня теплоносителя в расходном баке 18. Этим достигается постоянство величины массового расхода теплоносителя в единицу времени через теплообменники 3 и 4. Другая часть теплоносителя по третьему соединительному трубопроводу 20 поступает в нагревательный бак 19, где происходит поддержание постоянной во времени температуры теплоносителя на входе четвертого соединительного трубопровода 21. Затем теплоноситель по четвертому соединительному трубопроводу 21 поступает в наружный теплообменник 3. Рабочая температура теплоносителя на входе наружного теплообменника 3 должна быть выше максимально возможной температуры теплоносителя на входе нагревательного бака 19. При изменении температуры поступающего во входной
трубопровод 5 теплоносителя постоянство температуры на входе наружного теплообменника 3 обеспечивается изменением режима работы нагревательного элемента. В наружном теплообменнике 3 теплоноситель обменивается тепловой энергией с исследуемым объектом 16 через участок наружной поверхности исследуемого объекта 16, примыкающий к наружной поверхности наружного теплообменника 3. Затем теплоноситель последовательно проходит по первому соединительному трубопроводу 6, нагревается в источнике тепловой энергии 1, проходит по второму соединительному трубопроводу 7, попадает во внутренний теплообменник 4 и нагревает внутреннюю поверхность исследуемого объекта 16. Затем теплоноситель по выходному трубопроводу 8 попадает в сливной бак 26.
Измерители температуры 9, 10, 11, 12, 13 и 14 измеряют температуру в заданных точках. Показателем выхода на стационарный режим является неизменность показаний температуры всех шести измерителей температуры 9, 10, 11, 12, 13 и 14. По измеренным шести значениям температуры регистрирующее устройство 2, например, персональный компьютер, осуществляет вычисление теплофизических величин исследуемого объекта 16 по методике, изложенной, например, в [6].
Работа измерителя теплофизических величин может быть реализована также в варианте, заключающемся дополнительном нагреве наружной поверхности исследуемого объекта путем нагревания теплоносителя в нагревательном баке 19 с помощью нагревательного элемента, причем нагревание наружной поверхности исследуемого объекта 16 прекращают до достижения стационарного теплового режима. Такой вариант работы измерителя теплофизических величин позволяет существенно уменьшить время установления стационарного температурного режима [6]. В данном варианте работы заявленного устройства нагревательный элемент при необходимости нагревает теплоноситель до его попадания в наружный
теплообменник 3, в то время как в обычном варианте работы заявленного устройства нагревательный элемент служит только для поддержания постоянной во времени температуры теплоносителя на входе наружного теплообменника 3.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Сухов Р.И., Лебедкин Ю.М., Кузнецов В.Г. и др. Способ бурения скважин и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2237148, приор. 1999.10.06, публ. 2001.07.20, МПК7 Е 21 В 6/02, Е 21 В 7/00, Е 21 В 10/36.
2. Пилин Б.П., Марков А.А., Молотков С.Л. Способ ультразвуковой дефектоскопии и устройство, его реализующее. Патент РФ на изобретение №2131123, приор. 1996.01.12, публ. 1999.05.27, МПК6 G 01 N 29/04.
3. Бобров В.Т., Тарабрин В.Ф., Ордынец С.А., Кулешов Р.В. Ультразвуковой дефектоскоп «Ласточка». Патент РФ на изобретение №2231783, приор. 2001.08.09., публ. 2003.07.10, МПК7 G 01 N 29/04.
4. Сергеев В.А. Устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Заявка на патент РФ на изобретение №2000127414/09, приор. 2000.10.31, публ. 2002.10.10, МПК7 G 01 R 31/26.
5. Медведев В.В., Троицкий О.Ю. Устройство для определения характеристик материалов. Патент РФ на изобретение №2212653, приор. 2002.05.28, публ. 2003.09.20, МПК7 G 01 N 25/18.
6. 5. Абрамова Е.В., Богоявленский А.И., Исаков П.Г., Лаповок Е.В., Ханков С.И. и др. Измеритель теплового сопротивления. Патент РФ №53779 на полезную модель, приоритет 19.12.2005, публ. 27.05.2006, МПК G 01 N 25/18 (2006.01).
1. Измеритель теплофизических величин, содержащий источник тепловой энергии, регистрирующее устройство, наружный теплообменник, внутренний теплообменник, входной трубопровод, первый соединительный трубопровод, второй соединительный трубопровод, выходной трубопровод, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой измерители температуры, при этом выход наружного теплообменника соединен с входом первого соединительного трубопровода, выход первого соединительного трубопровода соединен с входом источника тепловой энергии, выход источника тепловой энергии соединен с входом второго соединительного трубопровода, выход второго соединительного трубопровода соединен с входом внутреннего теплообменника, выход внутреннего теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, наружная поверхность наружного теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к наружной поверхности исследуемого объекта наружной поверхности наружного теплообменника, наружная поверхность внутреннего теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта наружной поверхности внутреннего теплообменника, второй измеритель температуры размещен между наружной поверхностью наружного теплообменника и наружной поверхностью исследуемого объекта, третий измеритель температуры размещен внутри первого соединительного трубопровода, четвертый измеритель температуры размещен внутри второго соединительного трубопровода, пятый измеритель температуры размещен между наружной поверхностью внутреннего теплообменника и внутренней поверхностью исследуемого объекта, шестой измеритель температуры размещен внутри выходного трубопровода, выход первого измерителя температуры соединен с первым входом регистрирующего устройства, выход второго измерителя температуры соединен с вторым входом регистрирующего устройства, выход третьего измерителя температуры соединен с третьим входом регистрирующего устройства, выход четвертого измерителя температуры соединен с четвертым входом регистрирующего устройства, выход пятого измерителя температуры соединен с пятым входом регистрирующего устройства, выход шестого измерителя температуры соединен с шестым входом регистрирующего устройства, отличающийся тем, что он дополнительно содержит расходный бак, нагревательный бак, третий соединительный трубопровод, четвертый соединительный трубопровод, выход входного трубопровода соединен с входом расходного бака, выход расходного бака соединен с входом третьего соединительного трубопровода, выход третьего соединительного трубопровода соединен с входом нагревательного бака, выход нагревательного бака соединен с входом четвертого соединительного трубопровода, выход четвертого соединительного трубопровода соединен с входом наружного теплообменника, первый измеритель температуры размещен внутри четвертого соединительного трубопровода, а нагревательный бак снабжен нагревательным элементом.
2. Измеритель теплофизических величин по п.1, отличающийся тем, что входной трубопровод снабжен вентилем.
3. Измеритель теплофизических величин по п.1, отличающийся тем, что третий соединительный трубопровод снабжен вторым вентилем.
4. Измеритель теплофизических величин по п.1, отличающийся тем, что расходный бак снабжен сливным трубопроводом.
5. Измеритель теплофизических величин по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит накопительный бак, сливной бак, выход накопительного бака соединен с входом входного трубопровода, выход выходного трубопровода соединен с первым входом сливного бака, а выход сливного трубопровода соединен с вторым входом сливного бака.
