Способ определения теплофизических характеристик полуограниченной среды

 

Изобретение относится к области экспериментальной теплофизики и может быть использовано для определения теплофизических характеристик полуограниченных сред, например электрообогреваемых полов в сельскохозяйственных помещениях. Цель изобретения - повышение точности и расширение области применения. Путем регулирования мощности электронагревателя , размещенного в исследуемой полуограниченной среде, последовательно создают три стационарных теплбвых режима , два из которых характеризуются нулевым перепадом температуры между поверхностью среды и воздуха а третий - ненулевым перепадом, определяют тепловой поток через среду, температуру нагревателя , а также измеряют температуры воздуха и поверхности среды, причем температуры воздуха в первых двух режимах отличаются друг от друга. По полученным данным определяется теплопроводность среды, коэффициент теплоотдачи и приведенная интегральная степень черноты поверхности среды и ограждающих конструкций. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sa)s G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, . К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ

В (21) 4693996/25

{22) 22.05.89 (46) 07,11.91. Бюл. (Ф 41 (71) Латвийская сельскохозяйственная академия (72) Я.О.Фридрихсон (53) 536.6(088.8) (56) Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. — М.:

Энергия, 1979, с. 318.

Фридрихсон Я.О. Комплексное определение теплофизических характеристик электрообогрвваемых полов. — Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1987, М 3, с. 30-31. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧ ЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУОГРАНИЧЕННОЙ СРЕДЫ

{57) Изобретение относится к области экспериментальной теплофизики и может быть использовано для определения теплофизических характеристик полуограниченных

Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик полуограниченных сред, например, электрообогреваемых полов в сельскохозяйственных помещениях.

Цель изобретения — повышение точности и расширение области применения, На фиг.1 приведена схема теплового расчета элемента объема полуограниченной среды; на фиг.2 — схема электрических соединений элементов для проведения экспериментов.

„„Я J ÄÄ 1689826А1 сред, например электрообогреваемых полов в сельскохозяйственных помещениях, Цель изобретения — повышение точности и расширение области применения. Путем регулирования мощности электронагревателя, размещенного в исследуемой полуограниченной среде, последовательно создают три стационарных тепловых режи- . ма, два из которых характеризуются нулевым перепадом температуры между поверхностью среды и воздуха, а третий— ненулевым перепадом, определяют тепловой поток через среду, температуру нагревателя, а также измеряют температуры воздуха и поверхности среды, причем температуры воздуха в первых двух режимах отличаются друг от друга. По полученным данным on ределяется теплопроводность среды, коэффициент теплоотдачи и приведенная интегральная степень черноты поверхности среды и ограждающих конструкций. 2 ил.

В общем случае тепловыделение от нагревателя 1 (нагревательной спирали) Q происходит согласно выражению

Q(1) = (1)1 + Q(1)2 (1) где Q(1 — полезно используемая часть

Ц 1 составляющей удельного теплового потока теплопроводностью, направленная вверх от нагревателя 1 к поверхности 2 среды 3;

Q(2 — удельные потери теплоты тепло проводностью через грунт.

У поверхности 2 полуограниченной электрообогреваемой среды 3 по всей пло1689826 Q„() =; О,(1);Г Q(1), Р)

5 ,(г) (2) +y (г) 10 где Q()л и Q )» — составляющие удельного (1) (1) теплового потока излучением и конвекцией, Верхние индексы (1), (2) и (3) соответст. вуют первому, второму и третьему стационарным тепловым режимам. 15

При различных температурах воздуха и ограждающих конструкций 4 регулированием мощности нагревательной плоской спирали, размещенно() в пр()уаграниченной среде, да величии Р ) 1и Р добиваются от- 20 сутствия градиента температур между ее поверхностью и воздухам, т,е. Т(1) =- Т(1)пв — Т(1)в = 0, ., Т(2) -Т(2) Т(2) (5) (6) где Тпв — температура поверхности среды;

Тв — температура воздуха. 30

Эта обуславливает отсутствие также составляющих теплового патока конвекцией: (8) ;. Т(« .) =2Т(/.) -ТЯ т2т х

X(2T(,) — T(RJ — Т(ф ) (15) Взаимосвязь между потребными мощ- 45 настями Р нагрева полуограниченной среды и соответству)ощими температурными режимами (фиг,1) устанавливают формулы (1) (2Т(1) -Т4) — ТЫ)1 60

2 RK1,2,(,) (Ж -ТМ) - В) (.„, 2Rk1 2 55 где L — общая длина нагревательной спирали;

Тп,т — температура поверхности нагревательной спирали: 60 щади Р1 имеют место следующие балансовые соотношения тепловых потоков: (з) з) +у з),(4) Z О() =0:

У Q(23 =0

Тогда иэ (2) и (3) следует, что:

XQ(1) = X Q(1) Q(2)1 у ()(2)л

TK.п — температура среды на заданном расстоянии {h) от поверхности (контрольная плоскость);

RK1,2— - термическое сопротивление между витками спирали, Термическое сопротивление RK1,2 определяетсч по формуле

RK1,г =(2m ) 1и >(:

Х{Я/(тЮ$Ь((тн)/(2S))}R где R,S — соответственно внешний радиус изоляционной оболочки спирали и шаг ме>кду ее витками;

Л вЂ” теплоправодность среды.

Температуру поверхности изолированной нагревательной спирали определяют па формуле, структурно одинаковой для всех тепловых режимов

U2

Тпт (—

Ра)ого L — — +20)— . (2, Г)1" (.) (14) где U, а, r — соответственно напряжение электропитания, температурный коэффициент сопротивления и радиус нагревательной спирали; 2О,Яп — СООтВЕтСтВЕННО УДЕЛЬНОЕ электрическое сопротивление при 20 С и теплопроводнасть изоляционной оболочки нагревательной спирали.

Делением (11) на (12) получаем первую функциональну)а зависимость между температурами контрольной плоскости г к и и

Е .К и с одновременным устранением теп2, лопровадности среды 1:

Составляющие теплового потока теплоправадностью у поверхности среды могут быть выражены следующим образом:

Т (1) gТ1тт пь Ткп кп пВ

+ (1

" код и (16) 2Т(2) — T()-T(2) Т(г) Т( (2) Гр. пВ - " лв

7 Q = фд

К1,Д. П (17) где термическое сопротивление среды:

R(T =- — —, (18)

Делением (16) и {17) и учитывая условия (9) и(10), получаем

1689826

Р Гп (5) (() к) 54 )(> " ) (2- ) П

5 (25)

После нахождения значения теплопроводности il по формулам (16) и (17) определяют составляющие теплового потока

10 теплопроводностью Q 1 или Q 1 (1) (2) . найденные величины на основании (9) или (10) подставляют в формулы (20) или (21), из которых определяют приведенную степень черноты.

15 Например, по данным первого теплового режима (i) с- () Л с„20 Для определения конвективного коэффициента теплоотдачи ак изменением напряжения на нагревательной спирали до некоторой мощности Р создают перепад температуры между поверхностью полуог28 Тррниненнои среды и воздухом: Лт= )пе—

Я) п. При этом тепловом режиме определяют температуру контрольной плоскости по формуле

88 Т „2ттзс) Вк1 q Т(ззе)

Р)тэ) (27)

Тогда соответствующая составляющая теплового потока теплопроводностью

$3) зт„, — т не) -т „,)

+ )L (28)

Далее определяют значение составляющей теплового потока излучением

<00 100 (29) 45 а тес (тв ае ки (л акко 24 т ве (8 (л а к се " в l ð ï () 2 íà-))å 1) 8 2 ê 2 (T„ - „"т1

p" л (а, -а,)(— „- — ) (23) 50 g Q(Ç) 01(Э) —, Q() (30) g- Q(2) () (z T12) т(2) т(2)1,1 (((Т(21 т (2>) л и ид пе кп k,ã к,п пе (19)

Составляющие теплового потока излучением могут быть оспределены по формулам т(„ ).ать 4 т,",, т гт 20)

Z. à„-8,,с.с,((" „)-(", / ), (2)) где я яр — приведенная степень черноту поверхности среды и ограждающих конструкций;

Д Т(8)

С вЂ” константа Больцмана;

«р и ). о,р — температуры ограждающих конструкций.

Решением отношения (19) с учетом (20) и (21) получаем вторую функциональную зависимость между температурами Ткп контрольной плоскости с устранением теплопроводности А и приведенной степени черноты е т)р

T („ +273 Т, +Я73 4

Ф

100 100

Тогда сопоставление(15) с (22) дает возможность определить температуру:

После этого из фромулы (15) находят также температуру Т" к.п. При известных температурах контрольной плоскости представляется возможным иэ формул (11) и (12) с учетом (13) найти искомое значение теплопроводности полуограниченной среды;

Ра)Ь18((22)е) Ца))/(25)1)

) л(-Т- -Т(8) -Г и1 1

)(т пь к tl

Из (3) можно найти величину составляющей теплового потока конвекцией:

Так как g 01з) подчиняется закону Ньютона-Рихмана

g аотз) — ак(тщ — т() )Fi, искомый конвективный коэффициент теплоотдачи с учетом (28) и (29) может быть определен по следующей формуле:

1689826

2т " "-т " т " т" ! ((.". ),(,", -).у

Отличительным признаком предлагаемого способа от прототипа является значительное расширение диапазона исследуемых свойств полуограниченной среды, заключающееся в дополнительном определении качественно новых параметров.

Рассмотрим в качестве примера определение теплофиэических характеристик бетонного пола в помещении холодильника, стены и потолок которого покрыты шероховатой известковой штукатуркой, Для удобства третий тепловой режим был проведен после первого, Для обогрева пола применена нагревательная спираль из провода марки ПОСХВ с радиусом стальной жилы г=0,55 мм, внешним радиусом R=1,45 мм и каталоговой теплопроводностью изоляционной оболочки

А = 0,3 Bm/ì С длиной L- =200 мм, шагом S=50 мм и глубиной укладки Ь=50 мм, Удельное электрическое сопротивление нагревательного провода при 20 С р2о =

=0,147 Ом/м. Температурный коэффициент сопротивления j3= 0,0045 Ñ, Расчетная толщина слоя электрообогреваемого пола

h=100 мм, Последовательность проведения эксперимента, При температуре воздуха Т()в = 19оС с помощью автотргнсформатора 5 (фиг,2) реJ гулировали напряжение на размещенной в полу нагревательной спирали, изменяя ее мощность до получения равенства между температурами окружаюше)го воздуха и поверхностью пола Т )в = Т пв = 19 С, изме1) р1 о ренными электронным термометром поверхностей марки ЗТП вЂ” 1 м. Этим же прибором измеряли температуру на поверхности ограждающих пол конструкций (стены, потолок) Т )лагг = 1 ),5 С. Ваттметром 6 измеряли мощность Р = 331,5 Вт, а воль(1) тметром 7 — напряжение U() = 103,5 В, после чего по формуле (14) определяли температуру поверхности изоляционной оболочки нагревательной спирали: Т()и,т = 21,0оС, (1)

Аналогичные измерения осуществили при втором тепловом режиме с температурой воздуха Т(2)в = 12 С, получая сорВЕтСтВуЮщрв даННЫЕ: Т(2)П = 12оС P 2

01 . 117 9 В -(- ) 14 5оС

Т()игр = 4,7оС.

После этого по формуле (23) находили значение температуры контрольной и/1оскости при втором тепловом режиме Т к,п =

10

13" С, а по формуле (15) — при.первом тепловом режиме Т(y,.ï = 20 С.

По полученным данным определили теплопроводность пола по формуле (24) .Я() = 0,85 ВТ/м С, а по формуле (25) проверяли достоверность ее значения, также получая А < > = 0.85, —, Совпа(2) о дение результатов подтверждает правильность экспериментальных данных и расчета, При известной А по формуле (16) опре15 деляли поток теплоты,">, Q 1 = 250, 75 Вт, (1) после чего по формуле (26) находили приведенну!о степень черноты при лучистом теплообмене между поверхностью пола и ограждающими его конструкциями 8пр =0,83.

20 После этого путем повышения мощности нагревательной спирали пола создавали тепловой режим с градиентом температуры между поверхностью пола и воздухом и, произведя аналогичные измерения и расчеты, KBK при двух предыдущих тепловых режимах, получили следующие данные: !г )в = ., з)

12,5 С,Т()Г1д= 16,0 С,Т )г)тр =10,0 С, Т )П.т

= 18,7ОС, P() = 486,2 Вт, U() = 124,8В, T()K.ï

= 17,0 С, дающие возможность по формуле (31) определить конвективный коэффициент теплоотдачи ак =- 4,39 Вт/м С, Использование предлагаемого способа определения характеристик теплообмена полуограниченной среды обеспечивает по сравнению с базовым способом следующие преимущества: расширен диапазон комплексно определяемых теплофизических характеристик, так как дополнительно определяется приведенная степень черно40 ты, а также повышена точность определения теплопроводности среды, так как учтено отличие в температурах воздуха и ограждающих конструкций.

Формула изобретения

Способ определения теплофизических характеристик полуограниченной среды, заключающийся в том, что при постоянной во времени температуре ограждающих среду конструкций и воздуха путем регулирования мощности электронагревателя, размещенного в среде, в первом стационарном тепловом режиме добиваются отсутствия, а во втором — наличия градиента температур . между поверхностью среды и воздухом, определяют тепловой поток через среду, температуру нагревателя, а также измеряют температуры воздуха v поверхности среды и по полученным данным вь!Числяют искомые характеристики, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и

3689826

10 расширения области применения, дополнительно создают третий стационарный тепловой режим с нулевым перепадом температуры между поверхностью среды и воздухом, температура которого отличается от температуры воздуха в первом режиме, и по измеренным параметрам определяют приведенную интегральную степень черноты поверхности среды и ограждающих кон5 струкций.

1689826

Составитель В, Марченко

Редактор О.Юрковецкая Техред М.Моргентал Корректор М. Максимишинец

Заказ 3808 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитете по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбййат ТГатент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101