способ измерения удельного сопротивления теплопередаче через объект (варианты) и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения удельного сопротивления теплопередаче через объект, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта в заданной точке, отличающийся тем, что теплоноситель до достижения рабочей температуры пропускают в обход находящегося в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта теплообменника, при достижении теплоносителем рабочей температуры нагревают участок внутренней поверхности исследуемого объекта находящимся в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта теплообменником, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности и началом повышения температуры в заданной точке на внешней поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения удельного сопротивления теплопередаче через объект для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение удельного сопротивления теплопередаче через объект или рассчитывают его среднее значение.

2. Способ измерения удельного сопротивления теплопередаче через объект, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта в заданной точке, отличающийся тем, что теплоноситель до достижения рабочей температуры пропускают в обход находящегося в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта теплообменника, при достижении теплоносителем рабочей температуры нагревают участок внутренней поверхности исследуемого объекта находящимся в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта теплообменником, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности и началом повышения температуры в заданной точке на боковой поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения удельного сопротивления теплопередаче через объект для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение удельного сопротивления теплопередаче через объект или рассчитывают его среднее значение.

3. Устройство для измерения удельного сопротивления теплопередаче через объект, содержащее теплообменник, входной трубопровод, выходной трубопровод, первый контактный измеритель температуры, второй контактный измеритель температуры, тепловую изоляцию, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, первый контактный измеритель температуры размещен между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит нагревательный бак, соединительный трубопровод, накопительный бак, сливной бак, нагревательный бак снабжен нагревательным элементом и сливным трубопроводом, соединительный трубопровод снабжен вентилем и измерителем расхода теплоносителя, входной трубопровод снабжен вентилем и измерителем расхода теплоносителя, сливной трубопровод снабжен вентилем и измерителем расхода теплоносителя, выход входного трубопровода соединен с входом нагревательного бака, выход нагревательного бака соединен с входом соединительного трубопровода, выход соединительного трубопровода соединен с входом теплообменника, 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.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расположенный в соединительном трубопроводе третий контактный измеритель температуры.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расположенный в выходном трубопроводе четвертый контактный измеритель температуры.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что второй контактный измеритель температуры расположен на внешней поверхности исследуемого объекта.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что второй контактный измеритель температуры расположен на боковой поверхности исследуемого объекта.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что накопительный бак выполнен регулируемым по высоте.

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что накопительный бак снабжен переливным трубопроводом, выход которого соединен с третьим входом сливного бака.

10. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит внешний трубопровод, накопительный бак снабжен измерителем уровня теплоносителя, внешний трубопровод снабжен вентилем, управляющий вход которого соединен с выходом измерителя уровня теплоносителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.

Известен способ бурения скважин и устройство для его осуществления [1], позволяющие получать образцы материалов с различной глубины. Измеряя параметры этих образцов, можно получить информацию о физических и химических свойствах и конфигурации глубинных слоев. Недостаток известных способа и устройства для его осуществления заключается в том, что они не обеспечивают неразрушающего контроля исследуемого слоя.

Известны многочисленные варианты способов ультразвуковой дефектоскопии и устройств, их реализующих, например, [2, 3], позволяющие определить наличие неоднородностей в различных конструкциях и конфигурацию этих неоднородностей, однако приборы такого рода не позволяют провести измерение теплофизических характеристик исследуемых материалов, в частности, теплового сопротивления.

Известны многочисленные варианты способов для измерения теплофизических характеристик различных радиоэлектронных приборов, например, описанный в [4] способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать для измерения теплофизических характеристик только радиоэлектронных приборов, причем только одного их класса - полупроводниковых диодов.

Известны многочисленные варианты устройств для измерения теплофизических характеристик различных радиоэлектронных приборов, например, устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов [5]. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать для измерения теплового сопротивления только радиоэлектронных приборов, причем только одного их класса - транзисторов.

Известно описанное в [6] 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 способу является способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов [7]. Известный способ заключается в том, что измеряют двумя термоприемниками температуру в заданных точках поверхности образца и температуру окружающей среды, по полученным результатам определяют поправочный коэффициент, затем воздействуют на поверхность образца неподвижным точечным источником тепла. В заданный момент времени измеряют двумя термоприемниками избыточные температуры нагреваемой поверхности в заданных точках. Продолжают нагрев и измеряют момент времени, когда температура более удаленного от пятна нагрева термоприемника увеличится на заданную величину. По измеренным величинам определяют коэффициенты температуропроводности и теплопроводности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство для измерения теплофизических характеристик [8], содержащее теплообменник, входной трубопровод, выходной трубопровод, два контактных измерителя температуры, тепловую изоляцию, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, первый контактный измеритель температуры размещен между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника. Второй контактный измеритель температуры размещен либо на внешней поверхности исследуемого объекта, либо на боковой поверхности исследуемого объекта.

Известные технические решения (способ и устройство) имеют низкие потребительские свойства за счет узкой области применения, низкой точности и низкой достоверности измерений. Наличие указанных недостатков обусловлено следующими факторами. В известных технических решениях используется точечный или линейный источник тепловой энергии, поэтому его можно применять только при измерении теплофизических характеристик однородных объектов. Если исследуемый объект имеет различные неоднородности (например, железобетонная стена), то результаты измерений будут различаться при воздействии точечного или линейного источника тепловой энергии на различные точки поверхности исследуемого объекта. В прототипах точка или линия воздействия источником тепловой энергии и точки, в которых производится измерение температуры, находятся на одной и той же поверхности исследуемого объекта, поэтому известные технические решения неприменимы для измерения теплофизических характеристик многослойных объектов. Если исследуемый объект имеет различные теплофизические характеристики в направлении, перпендикулярном его поверхности, и в направлении, параллельном его поверхности, то известные технические решения могут измерить теплофизические характеристики только в направлении, параллельном поверхности исследуемого объекта. Таким образом, известные технические решения неприменимы для измерения теплофизических характеристик анизотропных объектов. Низкие точность и достоверность известных технических решений обусловлены высокой сложностью модели, описывающей их работу. Так, в известном способе необходимо провести предварительные измерения для определения поправочного коэффициента. Работа известных способа и устройства описывается уравнением теплового баланса, в котором необходимо учитывать потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена. Кроме того, в уравнении теплового баланса известного способа необходимо учитывать потери тепловой мощности из-за частичного поглощения лазерного излучения окружающей средой и частичного отражения лазерного излучения поверхностью исследуемого объекта. Эти компоненты учитываются приближенно расчетным путем. При обработке результатов измерений в известном способе используется функция ошибок, вычисляемая путем ее разложения в ряд Тейлора. В описании известного способа указано, что вычисление этой функции в аналитическом виде весьма затруднительно. Там же указано, что только для материалов с коэффициентом температуропроводности а 10^-7 м²/сек можно ограничиться первым членом ряда Тейлора, и только тогда можно использовать рабочую формулу для обработки результатов измерений. Все эти факторы в совокупности приводят к низким потребительским свойствам известных способа и устройства за счет узкой области применения и низких точности и достоверности.

Задачей изобретения является повышение потребительских свойств путем расширения области применения и повышения точности и достоверности.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.1 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известный способ, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта в заданной точке, внесены следующие усовершенствования: теплоноситель до достижения рабочей температуры пропускают в обход находящегося в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта теплообменника, при достижении теплоносителем рабочей температуры нагревают участок внутренней поверхности исследуемого объекта находящимся в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта теплообменником, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности и началом повышения температуры в заданной точке на внешней поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект или рассчитывают его среднее значение.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.2 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известный способ, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта в заданной точке, внесены следующие усовершенствования: теплоноситель до достижения рабочей температуры пропускают в обход находящегося в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта теплообменника, при достижении теплоносителем рабочей температуры нагревают участок внутренней поверхности исследуемого объекта, находящийся в тепловом контакте с внутренней поверхностью исследуемого объекта теплообменником, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности и началом повышения температуры в заданной точке на боковой поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение удельного сопротивления теплопередаче через исследуемый объект или рассчитывают его среднее значение.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.3 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее теплообменник, входной трубопровод, выходной трубопровод, первый контактный измеритель температуры, второй контактный измеритель температуры, тепловую изоляцию, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к внутренней поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, первый контактный измеритель температуры размещен между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит нагревательный бак, соединительный трубопровод, накопительный бак, сливной бак, нагревательный бак снабжен нагревательным элементом и сливным трубопроводом, соединительный трубопровод снабжен вентилем и измерителем расхода теплоносителя, входной трубопровод снабжен вентилем и измерителем расхода теплоносителя, сливной трубопровод снабжен вентилем и измерителем расхода теплоносителя, выход входного трубопровода соединен с входом нагревательного бака, выход нагревательного бака соединен с входом соединительного трубопровода, выход соединительного трубопровода соединен с входом теплообменника, 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.

Заявленные два варианта реализации способа и устройство по сравнению со способом-прототипом и устройством-прототипом соответственно обладают более высокими потребительскими свойствами за счет расширения области применения и повышения точности и достоверности измерений. В отличие от прототипа-способа и прототипа-устройства, в описываемом техническом решении используется протяженный в двух взаимно перпендикулярных направлениях источник тепловой энергии, поэтому измерения дают эффективные (усредненные) значения теплофизических характеристик, а в большинстве случаев на практике нужны не точечные, а именно эффективные значения тепловых характеристик, например, при исследовании стен зданий. За чет того, что в заявленных технических решениях осуществляют нагревание внутренней поверхности, а температуру измеряют на внешней или боковой поверхности, описываемые способ и устройство применимы для исследования многослойных объектов. Следовательно, описываемые способ и устройство можно использовать для измерения теплофизических характеристик анизотропных объектов. В заявленных способе и устройстве обеспечивается формирование одномерного теплового потока (тепловой поток распространяется прямолинейно от внутренней поверхности исследуемого объекта к внешней поверхности исследуемого объекта), который описывается значительно более простой математической моделью, чем в прототипе. Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями, заявленные способ и устройство обладают более широкой областью применения. В описываемых способе и устройстве используется более простая и более достоверная модель. В известном способе нужно проводить предварительные измерения для определения поправочного коэффициента, а в описываемых технических решениях этого делать не нужно. В уравнении теплового баланса, описывающего работу заявленных способа и устройства, не надо учитывать потери тепловой энергии в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена вследствие того, что применяется протяженный источник тепловой энергии, снабженный тепловой изоляцией. В уравнении теплового баланса описываемого способа отсутствуют необходимые в уравнении теплового баланса способа-прототипа члены, описывающие частичное поглощение тепловой мощности окружающей средой при передаче тепловой энергии от источника энергии к поверхности исследуемого объекта и при частичном отражении от поверхности исследуемого объекта. В модели, описывающей работу заявленного способа, отсутствует необходимость разложения каких-либо функций в ряд Тейлора. Таким образом, описываемые технические решения обладают более высокими точностью и достоверностью. Расширение области применения и повышение точности и достоверности измерений приводит к повышению потребительских свойств заявленных технических решений по сравнению с прототипами. За счет того, что теплоноситель до достижения рабочей температуры пропускается в обход теплообменника, обеспечивается постоянство во времени температуры проходящего через теплообменник теплоносителя, что повышает точность и достоверность измерений. Использование в заявленном устройстве нагревательного бака, снабженного нагревательным элементом, обеспечивает постоянство во времени температуры теплоносителя на входе теплообменника и постоянство во времени величины массового расхода теплоносителя в теплообменнике. Вентили позволяют регулировать величину массового расхода теплоносителя, проходящего через соответствующие трубопроводы. В процессе установления рабочего режима теплоноситель проходит через сливной трубопровод, минуя теплообменник. Вентиль соединительного трубопровода открывают только после того, как теплоноситель будет нагрет до требуемой температуры, при этом закрывают вентиль сливного трубопровода. Таким образом, с момента начала измерений на вход теплообменника поступает теплоноситель, величина массового расхода которого и температура которого постоянны во времени, в результате чего повышаются точность и достоверность измерений. Все это в совокупности приводит к повышению потребительских свойств заявленного устройства по сравнению с прототипом.

Покажем, что задача изобретения решается в заявленном техническом решении.

Для этого рассмотрим физическую и математическую модели процесса и алгоритм обработки результатов измерений.

Физическая модель исследуемого объекта - однослойной стенки (как фрагмента ограждающей конструкции) - может быть представлена в виде однородной неограниченной пластины толщиной L [м]. В начальный момент времени внутренняя поверхность пластины вводится в соприкосновение с теплообменником с температурой t_c1 [K].

Введем следующие ограничения:

1. Термическая инерция теплообменника столь мала по сравнению с термической инерцией исследуемого объекта, что ею можно пренебречь.

2. Температура теплообменника с начала и до конца процесса остается неизменной.

3. Начальная температура исследуемого объекта равномерно распределена по его объему и равна температуре окружающей среды.

4. Протяженность теплообменника вдоль внутренней поверхности исследуемого объекта много больше, чем толщина исследуемого объекта.

Указанным ограничениям в наилучшей степени удовлетворяет проточный теплообменник, тепловая инерционность которого значительно меньше тепловой инерционности исследуемого объекта.

Введем также следующие допущения:

1. Тепловой поток через исследуемый объект одномерный и однородный по сечению.

2. Теплофизические параметры материала исследуемого объекта не зависят от температуры.

3. Контактный коэффициент теплоотдачи от теплообменника к внутренней поверхности исследуемого объекта остается неизменным в любой момент времени.

4. Вплоть до завершения первой стадии нестационарного теплового режима внешнюю, противоположную нагреваемой, поверхность исследуемого объекта можно считать теплоизолированной.

Будем считать, что время начальной стадии прогрева наступило, если температура на внешней поверхности исследуемого объекта равна t=t₀+ t_З, где 0.5K t_З 2K; t_З - заданное значение перегрева. Этому диапазону изменений t_З будет соответствовать свой диапазон значений числа Фурье Fo₁=Fo( t_З). Выбор диапазона соответствует чувствительности применяемой методики измерений температур.

Измерив продолжительность начальной стадии нагрева ₁ экспериментально, можно определить удельное сопротивление теплопередаче (которое иначе называют удельным тепловым сопротивлением) исследуемого объекта через температуропроводность по формуле:

где r - удельное тепловое сопротивление объекта, м²К/Вт, - коэффициент теплопроводности материала объекта, Вт/мK; L - толщина плоского слоя исследуемого объекта, м; c₀ - объемная теплоемкость материала объекта, Дж/м³K; а - коэффициент температуропроводности материала объекта, м ²/с, Fo₁ - характеристическое значение критериального числа Фурье, соответствующее времени ₁.

Были проведены расчетные исследования длительности процесса с учетом влияния основных определяющих параметров. Эти исследования дополнялись численными расчетами, учитывающими термическую инерцию теплообменника.

Алгоритм измерения коэффициента температуропроводности основан на том, что время, необходимое для прогрева исследуемого объекта до внешней поверхности, связано с коэффициентом температуропроводности исследуемого объекта через критериальное число Fo. Значение критериального числа Fo₁, связывающего глубину прогрева слоя материала с временем прогрева до заданного значения t, может быть определено на основе расчета аналитическим или численным методом.

Зависимость

при Bi>100 является универсальной. Температурный напор на теплообменнике ₀ задается мощностью нагревательного элемента в нагревательном баке, температурный перегрев t измеряется. Таким образом, измерив продолжительность начальной стадии нагрева ₁ экспериментально, можно определить температуропроводность по формуле (1). В наибольшей степени удобство практического использования заявленного технического решения может быть реализовано в случае получения аппроксимационного описания зависимости Fo₁ от ₀ и t в виде аналитической формулы.

В интервале изменения t(0,5-2,0) К зависимость (2) аппроксимируется в виде:

где k₁=0,18( ₀)^-0,56, k₂=0,11( ₀)^-0,18.

Зависимость (3) для практических расчетов удобнее представить в безразмерном виде

где _m - характеристическое значение температурного напора, принятое равным _m=100K.

Критерием качества конечной аппроксимационной зависимости (4) принята погрешность аппроксимации , которая вычисляется по формуле:

где Fo^A - значения Fo ₁, полученные из точного решения; Fo^a - значения Fo₁, вычисленные по зависимости (4).

Результаты анализа погрешностей зависимости (4) представлены в таблице.

Погрешность аппроксимации %
t K	0 K
80	70	60	50	40	30	20
0,5	-1,2	-1,5	-1,7	-1,9	-2,0	-1,8	-1,1
1	2,1	1,8	1,5	1,3	1,1	1,3	2,2
1,5	1,6	1,2	0,8	0,5	0,3	0,4	1,7
2	-0,2	-0,6	-1,1	-1,5	-1,7	-1,4	0,2

Как видно из данных таблицы, аппроксимационная формула (4) обеспечивает вполне удовлетворительную для практики точность расчетов.

Однако аппроксимационная формула (4) получена в предположении мгновенного создания перегрева на нагреваемой поверхности исследуемого объекта. На практике без принятия специальных мер такое ограничение о мгновенности возникновения температурного напора на нагреваемой поверхности исследуемого объекта не реализуется. Это обусловлено термической инерционностью теплообменника и нагревающего устройства, обеспечивающего разогрев воды до заданной температуры. Рассмотрим влияние указанных факторов на немгновенность нагрева поверхности исследуемого объекта.

Осуществим учет термической инерционности теплообменника. Рассмотрим ситуацию, когда теплообменник находится в контакте с измеряемым образцом и имеет ту же начальную температуру, а его прогрев начинается в момент начала подачи на его вход теплоносителя с начальной температурой Т₀ . Тогда изменение температуры теплообменника во времени может быть описано следующим образом [9]

где t₁ - температура внутренней поверхности исследуемого объекта, находящегося в контакте с рабочей поверхностью теплообменника [K]; t₀ - температура воды на входе теплообменника [K]; - тепловая проводимость между рабочей поверхностью теплообменника и внутренней поверхностью исследуемого объекта [Вт/K]; C _w - полная теплоемкость теплообменника вместе с трубопроводом [Дж/K]; S - площадь внутренней поверхности трубопровода [м ²]; - коэффициент теплообмена теплоносителя с внутренней поверхностью трубопровода [Вт/м²K]; М - массовый расход теплоносителя [кг/с]; c_f - удельная теплоемкость теплоносителя [Дж/кгK].

В начальный момент времени =0 температуры теплообменника и нагреваемой поверхности исследуемого объекта равны начальной температуре или температуре среды, то есть t_т=t₁=t_c. Выход на стационарный тепловой режим осуществляется при _Т>4/m₀, то есть на нагрев внутренней поверхности исследуемого объекта необходимо затратить определенное время, которое требует оценки. Неучет этого времени приводит к систематической погрешности при определении времени , затрачиваемого на сквозной прогрев исследуемого объекта. Это, в свою очередь, внесет систематическую погрешность в определение коэффициента температуропроводности.

Относительная погрешность определения коэффициента температуропроводности вычисляется следующим образом. Для выбранного номинального значения коэффициента температуропроводности вычисляется с учетом формулы (6) t( ₂), где ₂ - время возникновения перегрева с учетом термоинерционности нагревающего теплообменника. Эта величина больше , а в предельном случае нулевой термоинерционности теплообменника совпадает с ней. Тогда можно записать

где а₂ - значение а, определенное с учетом времени, затрачиваемого на нагрев теплообменника до стационарной температуры. Относительная погрешность определяется по формуле

Рассмотрим систему «теплообменник - исследуемый объект». Для расчета а₂ необходимо поставить краевую задачу теплопроводности с граничным условием первого рода на нагреваемой поверхности и условием теплоизоляции на противоположной ей поверхности.

Уравнение теплопроводности запишем в виде

с граничными условиями:

и начальным условием:

При этом в граничные условия на нагреваемой поверхности будет входить температура теплообменника, определяемая по формуле (6), причем под t₁ понимается температура нагреваемой внутренней поверхности исследуемого объекта.

В такой постановке задача оказывается весьма сложной для использования аналитических подходов. Поэтому расчеты проводились численно, с использованием конечно-разностной схемы, построенной интегроинтерполяционным методом [8]. Фиксировалось время, при котором температура теплоизолированной поверхности начинала изменяться, а также время, в течение которого это изменение происходило в интервале от 0,5 до 2°С. Далее по значениям этого изменения и величине температурного напора на нагреваемой поверхности рассчитывалось критериальное число Фурье Fo₂ по формуле (4). Затем из (7) вычислялось а₂ и из (8) с использованием номинального значения температуропроводности - а₂.

Полученные результаты представлены на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 приведены графики зависимости относительной погрешности определения коэффициента температуропроводности плоского исследуемого объекта толщиной 0,3 м за счет запаздывания установления стационарной температуры теплообменника, нагретым до рабочей температуры теплоносителем, от измеряемого перегрева на противоположной поверхности исследуемого объекта. Номинальные значения коэффициента температуропроводности равны, (м² /с, 10^-6): 0,9 (линия L₁); 0,3 (линия L ₂); 0,15 (линия L₃). Температура теплоносителя на входе в теплообменник ₀=80 K, его массовый расход М=5 г/с.

На фиг.2 приведены графики зависимости относительной погрешности определения коэффициента температуропроводности плоского исследуемого объекта толщиной 0,3 м за счет запаздывания нагрева горячим теплоносителем теплообменника, вводимого в соприкосновение с внутренней поверхностью исследуемого объекта, от измеряемого перегрева на наружной поверхности исследуемого объекта. Номинальные значения коэффициента температуропроводности равны, (м²/с, 10^-6):0,9 (линия L₄ ); 0,3 (линия L₅); 0,15 (линия L₆). Температура теплоносителя на входе в теплообменник ₀=50 K, его массовый расход М=5 г/с.

Во многих случаях такая погрешность вполне допустима. Однако проблема усугубляется тем, что на вход теплообменника может подаваться теплоноситель от нагревателя, который изменяет свою температуру еще медленнее, чем нагревается теплообменник в случае, когда на его вход подается теплоноситель с уже заданной рабочей температурой. Изменение температуры подаваемого на вход теплообменника теплоносителя требует анализа термической инерционности нагревателя.

Осуществим учет термической инерционности теплообменника и нагревателя. При выводе формулы (6) предполагалось, что теплоноситель поступает на вход теплообменника сразу прогретым до температуры t₀ . Однако нагреватель обладает термической инерцией. Для выхода на рабочий режим, в котором теплоноситель из него выходит нагретым до заданной температуры t₀, требуется время. Рассмотрим влияние термической инерции нагревателя на процесс измерений.

Учтем, что теплоноситель движется последовательно через нагреватель, а затем через теплообменник, находящийся в контакте с исследуемым объектом. Это означает, что массовый расход теплоносителя М и теплоемкость теплоносителя c_f будут в рассматриваемой ниже математической модели теми же, что входят в соотношение (6).

Будем полагать, что нагреватель выполнен в виде снабженного нагревательным элементом нагревательного бака, передающего тепловую энергию протекающему через него теплоносителю. Тогда нестационарная среднеобъемная температура нагреваемого теплообменника будет описываться линейным дифференциальным уравнением первого порядка вида

При начальном условии

где C_k - полная теплоемкость теплообменника вместе с трубопроводом [Дж/K]; t_k - температура нагреваемого теплообменника [°С]; t_вх - температура теплоносителя на входе в теплообменник [°С]; _k - тепловая проводимость от нагреваемого теплообменника в окружающую среду [Вт/K]; Р - мощность тепловыделения нагревательного элемента [Вт].

Решение уравнения (13) имеет вид

где _k - конвективный коэффициент теплообмена [Вт/м ²K]; S_k - площадь поверхности теплообменника [м²].

Учтем малую термическую инерционность теплоносителя. Тогда распределение теплоносителя по длине трубопровода описывается дифференциальным уравнением первого порядка:

где L_k - длина нагреваемого корпуса теплообменника (или трубопровода).

Решение уравнения (16) имеет вид

Из (17) следует, что температура воды на выходе из нагревателя равна

Подставив в (18) выражения для t _k из (15), получим:

В начальный момент:

В стационарном режиме:

Введем ограничение: t_вх=t _с, означающее, что температура теплообменника на входе нагревателя равна температуре окружающей среды. Тогда, раскрыв выражение для E_k, получим после преобразований из (19):

Введем еще одно ограничение. E _k=1 (условие полной рекуперации). Тогда выражение (22) упростится до вида:

Теперь сравним термическую инерцию нагревателя и теплообменника. При обеспечении хорошего теплового контакта теплообменника с исследуемым объектом должно обеспечиваться условие:

при выполнении которого формула в (6) для темпа m₀ упрощается до вида

В нагревателе для его эффективной работы должны быть малыми тепловые потери в окружающую среду. Для этого тепловая проводимость изоляции должна быть много меньше величины водяного эквивалента, что описывается неравенством:

откуда

Из структуры формул (25) и (27) с учетом условия (24) получаем

Неравенство (28) означает, что значения постоянных термической инерции, являющихся величинами, обратными темпам нагрева, находятся в противоположных соотношениях между собой, то есть термическая инерция нагревателя много больше термической инерции теплообменника. Это означает, что время, затрачиваемое на нагрев теплоносителя нагревателем до заданной температуры t₀, будет много больше времени, необходимого для нагрева теплообменника (и, соответственно, поверхности прилегающего к нему слоя) до величины t₁.

Это приведет к дальнейшему существенному повышению погрешности определения температуропроводности.

Таким образом, поставленная задача изобретения действительно решается в заявленном техническом решении.

В частном случае в соответствии с п.4 формулы изобретения заявленное устройство дополнительно содержит расположенный в соединительном трубопроводе третий контактный измеритель температуры. Наличие этого контактного измерителя температуры позволяет получить более полную информацию о процессе теплообмена, в результате чего повышаются точность и достоверность измерений.

В частном случае в соответствии с п.5 формулы изобретения заявленное устройство дополнительно содержит расположенный в выходном трубопроводе четвертый контактный измеритель температуры. Наличие этого контактного измерителя температуры позволяет получить более полную информацию о процессе теплообмена, в результате чего повышаются точность и достоверность измерений.

В частном случае в соответствии с п.6 формулы изобретения второй контактный измеритель температуры расположен на внешней поверхности исследуемого объекта. Такой вариант конструктивного выполнения заявленного устройства обеспечивает фиксацию времени начала подъема температуры в заданной точке, расположенной на внешней поверхности исследуемого объекта.

В частном случае в соответствии с п.7 формулы изобретения второй контактный измеритель температуры расположен на боковой поверхности исследуемого объекта. Такой вариант конструктивного выполнения заявленного устройства обеспечивают фиксацию времени начала подъема температуры в заданной точке, расположенной на боковой поверхности исследуемого объекта.

В частном случае в соответствии с п.8 формулы изобретения накопительный бак выполнен регулируемым по высоте. Такой вариант конструктивного выполнения заявленного устройства позволяет при необходимости изменять давление теплоносителя на входе теплообменника, в результате чего можно изменять величину массового расхода теплоносителя в теплообменнике в зависимости от конкретных условий проведения измерений.

В частном случае в соответствии с п.9 формулы изобретения накопительный бак снабжен переливным трубопроводом, выход которого соединен с третьим входом сливного бака. Если положение накопительного бака по высоте неизменно и параметры заявленного устройства подобраны таким образом, что величина массового расхода теплоносителя в соединительном трубопроводе меньше, чем минимально возможная величина массового расхода теплоносителя во входном трубопроводе, то часть теплоносителя все время уходит через переливной трубопровод, в результате чего обеспечивается постоянный уровень теплоносителя в накопительном баке. Это приводит к постоянству величины массового расхода теплоносителя в теплообменнике, в результате чего повышаются точность и достоверность измерений.

В частном случае в соответствии с п.10 формулы изобретения заявленное устройство дополнительно содержит внешний трубопровод, накопительный бак снабжен измерителем уровня теплоносителя, внешний трубопровод снабжен вентилем, управляющий вход которого соединен с выходом измерителя уровня теплоносителя. Если положение накопительного бака по высоте неизменно и параметры заявленного устройства подобраны таким образом, что величина массового расхода теплоносителя в соединительном трубопроводе меньше, чем минимально возможная величина массового расхода теплоносителя во входном трубопроводе, то датчик уровня теплоносителя формирует сигнал, поступающий на управляющий вход вентиля, которым снабжен внешний трубопровод, в результате чего обеспечивается постоянный уровень теплоносителя в накопительном баке. Это приводит к постоянству величины массового расхода теплоносителя в теплообменнике, в результате чего повышаются точность и достоверность измерений.

Сущность изобретения поясняется описанием двух конкретных вариантов конструктивного выполнения заявленного устройства и чертежами, на которых:

- на фиг.1, 2 приведены графики, поясняющие сущность изобретения,

- на фиг.3 приведена схема первого варианта конструктивного выполнения заявленного устройства,

- на фиг.4 приведена схема второго варианта конструктивного выполнения заявленного устройства.

Первый вариант конструктивного выполнения устройства для измерения удельного сопротивления теплопередаче через объект содержит теплообменник 1, входной трубопровод 2, выходной трубопровод 3, первый контактный измеритель температуры 4, второй контактный измеритель температуры 5, тепловую изоляцию 6, внешняя поверхность теплообменника 1 снабжена тепловой изоляцией 6 кроме примыкающей к внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8 внешней поверхности теплообменника 1, выход теплообменника 1 соединен с входом выходного трубопровода 3, первый контактный измеритель 4 температуры размещен между внутренней поверхностью 7 исследуемого объекта 8 и внешней поверхностью теплообменника 1. Оно также содержит нагревательный бак 9, соединительный трубопровод 10, накопительный бак 11, сливной бак 12, нагревательный бак 9 снабжен нагревательным элементом и сливным трубопроводом 13, соединительный трубопровод 10 снабжен вентилем 14 и измерителем расхода теплоносителя 15, входной трубопровод снабжен вентилем 16 и измерителем расхода теплоносителя 17, сливной трубопровод 13 снабжен вентилем 18 и измерителем расхода теплоносителя 19, выход входного трубопровода 2 соединен с входом нагревательного бака 9, выход нагревательного бака 9 соединен с входом соединительного трубопровода 10, выход соединительного трубопровода 10 соединен с входом теплообменника 1, выход накопительного бака 11 соединен с входом входного трубопровода 2, выход выходного трубопровода 3 соединен с первым входом сливного бака 12, а выход сливного трубопровода 13 соединен с вторым входом сливного бака 12. Третий контактный измеритель температуры 20 расположен в соединительном трубопроводе 10, четвертый контактный измеритель температуры 21 расположен в выходном трубопроводе 3.

Второй контактный измеритель температуры 5 расположен на внешней поверхности 22 исследуемого объекта 8 или на боковой поверхности 23 исследуемого объекта 8.

В качестве нагревательного элемента может быть применен преобразователь электрической энергии в тепловую энергию. Клеммы, к которым подключается внешний источник электрической энергии, обозначены на фиг.3 и фиг.4 позицией 24. Направление движения теплоносителя показано стрелками, обозначенными на фиг.3 и фиг.4 позицией 25. Накопительный бак 11 снабжен переливным трубопроводом 26, выход которого соединен с третьим входом сливного бака 12.

Изменение давления теплоносителя на входе теплообменника 1 осуществляется изменением высоты накопительного бака 11 над теплообменником 1 (изменением величины h).

Скапливающийся в сливном баке 12 теплоноситель может быть снова использован путем его транспортировки из сливного бака 12 в накопительный бак 11 с помощью возвратного трубопровода 27, снабженного вентилем 28 и насосом 29 или путем транспортировки теплоносителя из сливного бака 12 в накопительный бак 11 с помощью каких-либо контейнеров, например, ведер.

Описанный вариант конструктивного выполнения заявленного устройства работает следующим образом. В начальный момент времени открывают вентили 16, 18 и 28 и включают нагревательный элемент и насос 29. Вентиль 14 при этом должен быть закрыт.Теплоноситель из накопительного бака 11 по входному трубопроводу 2 попадает в нагревательный бак 9. Излишек поступившего в накопительный бак 11 теплоносителя по переливному трубопроводу 26 поступает в сливной бак 12 (это поддерживает постоянный уровень теплоносителя в накопительном баке 11). Нагревательный элемент нагревает находящийся в нагревательном баке 9 теплоноситель. Из нагревательного бака 9 теплоноситель по сливному трубопроводу 13 поступает на второй вход сливного бака 12. Из сливного бака 12 теплоноситель с помощью насоса 29 поступает в накопительный бак 11, после чего процесс повторяется. Пока температура теплоносителя ниже требуемой величины, вентиль 14 закрыт. Когда температура теплоносителя в нагревательном баке 9 достигает требуемой величины, открывают вентиль 14 и закрывают вентиль 18, после чего теплоноситель по соединительному трубопроводу 10 поступает в теплообменник 1. Рабочая температура теплоносителя на входе теплообменника 1 должна быть выше максимально возможной температуры теплоносителя на входе нагревательного бака 9. При изменении температуры поступающего во входной трубопровод 2 теплоносителя постоянство температуры на входе теплообменника 1 обеспечивается изменением режима работы нагревательного элемента. В теплообменнике 1 теплоноситель отдает тепловую энергию исследуемому объекту 8 через участок внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8, примыкающий к внешней поверхности теплообменника 1. Первый (третий, четвертый) контактный измеритель температуры 4 (20, 21) фиксирует момент начала подъема температуры и ее дальнейшее изменение во времени в области контакта внешней поверхности теплообменника 1 с внутренней поверхностью 7 исследуемого объекта 8 (в соединительном трубопроводе 10, в выходном трубопроводе 3). Второй контактный измеритель температуры 5 фиксирует момент начала подъема температуры и ее дальнейшее изменение во времени в заданной точке. В соответствии с п.6 формулы изобретения заданная точка выбирается на внешней поверхности 22 исследуемого объекта 8. В соответствии с п.7 формулы изобретения заданная точка выбирается на боковой поверхности 23 исследуемого объекта 8. Прошедший через теплообменник 1 теплоноситель по выходному трубопроводу 3 поступает на первый вход сливного бака 12. Измерители расхода 15, 17 и 19 теплоносителя контролируют расход теплоносителя в соединительном трубопроводе 10, входном трубопроводе 2 и сливном трубопроводе 13. Рабочая температура теплоносителя на входе теплообменника 1 должна быть выше максимально возможной температуры теплоносителя на входе нагревательного бака 9. При изменении температуры поступающего во входной трубопровод 2 теплоносителя постоянство температуры на входе теплообменника 1 обеспечивается изменением режима работы нагревательного элемента.

Расчет тепловых величин исследуемого объекта осуществляется по известной методике, описанной, например, в [8].

Второй вариант конструктивного выполнения устройства для измерения удельного сопротивления теплопередаче через объект содержит внешний трубопровод 30, снабженный вентилем 31 и насосом 29, накопительный бак 11 снабжен измерителем уровня 32 теплоносителя, выход которого соединен с управляющими входами вентиля 31 и насоса 29. Внешняя поверхность теплообменника 1 снабжена тепловой изоляцией 6 кроме примыкающей к внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8 внешней поверхности теплообменника 1, выход теплообменника 1 соединен с входом выходного трубопровода 3, первый контактный измеритель температуры 4 размещен между внутренней поверхностью 7 исследуемого объекта 8 и внешней поверхностью теплообменника 1. Нагревательный бак 9 снабжен нагревательным элементом, соединительный трубопровод 10 снабжен вентилем 14 и измерителем расхода теплоносителя 15, входной трубопровод 2 снабжен вентилем 16 и измерителем расхода теплоносителя 17, сливной трубопровод 13 снабжен вентилем 18 и измерителем расхода теплоносителя 19, выход входного трубопровода 2 соединен с входом нагревательного бака 9, выход нагревательного бака 9 соединен с входом соединительного трубопровода 10, выход соединительного трубопровода 10 соединен с входом теплообменника 1, выход накопительного бака 11 соединен с входом входного трубопровода 2, выход выходного трубопровода 3 соединен с первым входом сливного бака 12, а выход сливного трубопровода 13 соединен с вторым входом сливного бака 12. Третий контактный измеритель температуры 20 расположен в соединительном трубопроводе 10, четвертый контактный измеритель температуры 21 расположен в выходном трубопроводе 3.

Второй контактный измеритель температуры 5 расположен на внешней поверхности 22 исследуемого объекта 8 или на боковой поверхности 23 исследуемого объекта 8.

В качестве нагревательного элемента может быть применен преобразователь электрической энергии в тепловую энергию.

Изменение давления теплоносителя на входе теплообменника 1 осуществляется изменением высоты накопительного бака 11 над теплообменником 1 (изменением величины h).

Скапливающийся в сливном баке 12 теплоноситель может быть снова использован путем его транспортировки из сливного бака 12 в накопительный бак 11 с помощью снабженного насосом 29 и вентилем 31 внешнего трубопровода 30, вход которого соединен с выходом сливного бака 12, или путем транспортировки теплоносителя из сливного бака 12 во внешний трубопровод 30 с помощью каких-либо контейнеров, например, ведер.

Описанный вариант конструктивного выполнения заявленного устройства работает следующим образом. В начальный момент времени открывают вентили 16, 18 и 31 и включают нагревательный элемент и насос 29. Вентиль 14 при этом должен быть закрыт. Теплоноситель из накопительного бака 11 по входному трубопроводу 2 попадает в нагревательный бак 9. Нагревательный элемент нагревает находящийся в нагревательном баке 9 теплоноситель. Измеритель уровня теплоносителя 32 формирует сигнал, поступающий на управляющие входы насоса 29 и вентиля 31, при этом уровень теплоносителя в накопительном баке 11 поддерживается постоянным.

Из нагревательного бака 9 теплоноситель по сливному трубопроводу 13 поступает на второй вход сливного бака 12. Из сливного бака 12 теплоноситель с помощью насоса 29 поступает по внешнему трубопроводу 30 в накопительный бак 11, после чего процесс повторяется. Пока температура теплоносителя ниже требуемой величины, вентиль 14 закрыт. Когда температура теплоносителя в нагревательном баке 9 достигает требуемой величины, открывают вентиль 14 и закрывают вентиль 18, после чего теплоноситель по соединительному трубопроводу 10 поступает в теплообменник 1. Рабочая температура теплоносителя на входе теплообменника 1 должна быть выше максимально возможной температуры теплоносителя на входе нагревательного бака 9. При изменении температуры поступающего во входной трубопровод 2 теплоносителя постоянство температуры на входе теплообменника 1 обеспечивается изменением режима работы нагревательного элемента. В теплообменнике 1 теплоноситель отдает тепловую энергию исследуемому объекту 8 через участок внутренней поверхности 7 исследуемого объекта 8, примыкающий к внешней поверхности теплообменника 1. Первый (третий, четвертый) контактный измеритель температуры 4 (20, 21) фиксирует момент начала подъема температуры и ее дальнейшее изменение во времени в области контакта внешней поверхности теплообменника 1 с внутренней поверхностью 7 исследуемого объекта 8 (в соединительном трубопроводе 10, в выходном трубопроводе 3). Второй контактный измеритель температуры 5 фиксирует момент начала подъема температуры и ее дальнейшее изменение во времени в заданной точке. В соответствии с п.6 формулы изобретения заданная точка выбирается на внешней поверхности 22 исследуемого объекта 8. В соответствии с п.7 формулы изобретения заданная точка выбирается на боковой поверхности 23 исследуемого объекта 8. Прошедший через теплообменник 1 теплоноситель по выходному трубопроводу 3 поступает на первый вход сливного бака 12. Измерители расхода 15, 17 и 19 теплоносителя контролируют расход теплоносителя в соединительном трубопроводе 10, входном трубопроводе 2 и сливном трубопроводе 13 соответственно.

Датчик уровня теплоносителя 32 формирует поступающий на управляющие входы насоса 29 и вентиля 31 сигнал, обеспечивающий поддержание постоянного уровня теплоносителя в накопительном баке 11. Рабочая температура теплоносителя на входе теплообменника 1 должна быть выше максимально возможной температуры теплоносителя на входе нагревательного бака 9. При изменении температуры поступающего во входной трубопровод 2 теплоносителя постоянство температуры теплоносителя на входе теплообменника 1 обеспечивается изменением режима работы нагревательного элемента.

Расчет тепловых величин исследуемого объекта осуществляется по известной методике, описанной, например, в [8].

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. 06.10.1999, публ. 2001.07.20, МПК7 Е21В 6/02, Е21В 7/00, Е21В 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. 12.01.1996, публ. 27.05.1999, МПК6 G01N 29/04.

3. Бобров В.Т., Тарабрин В.Ф., Ордынец С.А., Кулешов Р.В. Ультразвуковой дефектоскоп «Ласточка». Патент РФ на изобретение № 2231783, приор. 09.08.2001, публ. 10.07.2003, МПК7 G01N 29/04.

4. Сергеев В.А. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых приборов. Патент РФ на изобретение № 2178893, приор. 13.03.2001, публ. 27.01.2002, МПК7 G01R 31/26.

5. Сергеев В.А. Устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Заявка на патент РФ на изобретение № 2000127414/09, приор. 31.10.2000, публ. 10.10.2002, МПК7 G01R 31/26.

6. Медведев В.В., Троицкий О.Ю. Устройство для определения характеристик материалов. Патент РФ на изобретение № 2212653, приор. 28.05.2002, публ. 20.09.2003, МПК7 G01N 25/18.

7. Чернышев В.Н., Сысоев Э.В., Павлов Р.В. Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Патент РФ на изобретение № 2251098, приор. 17.11.2003, публ. 27.04.2005, МПК7 G01N 25/18.

8. Абрамова Е.В., Богоявленский А.И., Исаков П.Г., Лаповок Е.В., Ханков С.И. и др. Устройство для измерения теплофизических характеристик (варианты). Патент РФ № 54193 на полезную модель, приоритет 19.12.2005, публ. 10.06.2006, МПК G01N 25/18 (2006.01).

9. Богоявленский А.И., Исаков П.Г., Платонов А.С., Ханков С.И. Методы измерения удельного теплового сопротивления ограждающих конструкций // Строительные материалы № 6, 2007, С.45-47.