Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

При поперечном отбекании термоприемника п = 0,4 [86], а зна­ чения с и т зависят от числа Re:

Для газов число Рг в широком диапазоне температур имеет прак­ тически постоянное значение: например, для воздуха при t = 0-5- -5-500° С число Рг = 0,722. Поэтому выражение (VII.5) упрощается, и акв оказывается зависящим лишь от числа Re и KIL. В частности,

Поскольку акв > акс, то путем искусственного увеличения ско­ рости газа можно добиться такого повышения коэффициента тепло­ отдачи к термоприемнику, при котором тепловыми потерями послед­ него можно пренебречь. В этом случае защитную трубку термоприем­ ника помещают соосно в теплоизолированную трубу, через которую пропускают газ с умеренной скоростью.

Состояние быстро движущегося газа можно определить двумя основными параметрами: «статической» температурой Т 0, регистри­ руемой термометром, движущимся вместе с газом, и «полной» темпе­ ратурой (или температурой торможения) Тг, показываемой помещен­ ным в поток неподвижным термометром, перед которым газ полно­ стью тормозится и кинетическая энергия преобразуется в повышение температуры. При полном адиабатическом переходе кинетической энергии движения некоторой массы газа m в тепловую энергию тор­ можения можно написать равенство

~ mw2 == mcp (Tr — Г,,),

где ср — удельная теплоемкость газа при постоянном давлении. Отсюда устанавливается связь между температурами

а — скорость звука в газе. Различие температур Тт и Т а приходится учитывать при скоростях w ^ 50 м/с или при М ^ 0,3.

Статическая температура не может быть измерена контактными методами из-за того, что при обтекании неподвижного приемного преобразователя, помещенного в газовый поток, скорость газа в по­ граничном слое всегда уменьшается. Обычный измеритель темпера­ туры регистрирует температуру Тр, величина которой в зависимости от формы преобразователя, его ориентации в потоке, излучения и не­ которых других факторов будет лежать между значениями Тт и Т 0. Для характеристики термоприемника используется величина так называемого коэффициента восстановления

гтр- т0

Гт- Г 0 -

Очевидно, что

Тр — Т0 г

Следовательно, термометр, у которого г = 1, будет измерять темпе­ ратуру торможения; такой измеритель можно считать наиболее эф­ фективным. Качественный анализ сложных процессов обтекания неподвижных термоприемников приводит к заключению о том, что коэффициент восстановления является критерием подобия, "Завися­ щим от ряда определяющих критериев

г = f (М, Re, Рг, х).

Практически задача конструирования приемного преобразователя измерителя температуры газового потока сводится к опытному оты­ сканию такой его формы, которая обеспечивает наибольшее значе­ ние и автомодельность г относительно определяющих критериев в до­ статочно широком диапазоне изменения последних. Обычно для за­ данной конфигурации потока и свойств газа наиболее существенной оказывается зависимость г — f (М). На рис. 54 изображены некоторые конструкции приемных преобразователей с термопарами и опытные зависимости г = / (М) для них [109, 183].

Опыт использования подобных термоизмерителей позволяет сфор­ мулировать некоторые общие рекомендации относительно конструк­ тивных и физических особенностей приемных преобразователей. Во-первых, в качестве чувствительных элементов могут применяться термопары или термометры сопротивления, если они обладают низкой теплоемкостью, обеспечивающей допустимую инерционность. Вовторых, методические погрешности, вызванные теплоотводом и излу­ чением, должны быть сведены к минимуму. Для уменьшения отвода тепла вдоль подводящих проводов, они должны на определенной длине I иметь температуру, равную температуре в камере торможе­ ния. Защитный радиационный экран, окружающий чувствительный элемент, должен быть изготовлен из материала с низкой теплопровод­ ностью, а его поверхность должна обладать слабой испускательной способностью. Эффективность экранирования повышается при исполь­ зовании нескольких экранов. В-третьих, применение округлых форм, впереди которых образуется сильный прямой скачок, способствует

210

D

увеличению температуры в пограничном слое и уменьшает тепловые потери. В-четвертых, в камере торможения должны быть небольшие вентиляционные отверстия. Движение газа увеличивает теплоотдачу к чувствительному элементу путем конвекции и приближает темпе­ ратуру Тр к температуре в камере торможения.

Специфические проблемы возникают при измерении температуры поверхности твердой стенки, соприкасающейся с быстро движущейся жидкостью. Даже при условии, что стенка находится при темпера­ туре Тт, и при отсутствии теплообмена в жидкости, градиент темпе­ ратуры на небольшом расстоянии от стенки оказывается значитель­ ным. Чувствительный элемент термоприемника должен находиться в хорошем контакте со стенкой, а температура жидкости не должна оказывать на него влияния. Когда происходит теплообмен между твердой поверхностью и окружающей средой, то этот процесс вклю­ чает в себя и излучение и конвекцию, а в некоторых случаях и пере­ нос вещества (испарение или конденсация). Важно не создавать су­ щественного нарушения процессов тепло- и массообмена, которые наблюдаются при отсутствии термоприемника. Если теплопередача осуществляется излучением, то не должна нарушаться испускательная способность поверхности. Необходимо, чтобы чувствительный элемент не создавал возмущений в точке, где производится измере­ ние, не подводил к этой точке и не отводил от нее тепла и не изменял условий теплообмена вблизи поверхности. В противном случае из­ меряться будет недействительная температура стенки, а температура, находящаяся под действием постоянных возмущений, которые соз­ даются этим элементом.

Основная трудность, возникающая при использовании термопар, заключается в отыскании такого расположения спая и подводящих проводов, которое в наименьшей степени нарушало бы распределе­ ние температур. В металлическую стенку спай может быть впаян или зачеканен непосредственно. В потоке сжимаемого газа чувствитель­ ный элемент и подводящие провода должны быть расположены за­ подлицо с поверхностью так, чтобы не возникали ударные волны

инарушения течения в прилегающем пограничном слое. Например,

вслучае измерения температуры поверхности теплоизоляционных

материалов хорошие результаты могут быть получены при исполь­ зовании термопар, подобных приведенной на рис. 55, а. Здесь не­ большая вставка 1 из меди или серебра (диаметром около 3 мм и толщиной 0,25 мм) вклеена в стенку заподлицо с поверхностью. Бла­ годаря высокой теплопроводности и практически плоской форме пластинка немедленно реагирует на любые изменения температуры. Покрывая пластинку тонким слоем лака, обладающего одинаковой с материалом стенки испускательной способностью, можно свести до минимума погрешности на излучение.

Для измерения температур нагретых тонких металлических пла­ стин или массивных тел часто к их поверхности непосредственно при­ паивается или приваривается спай термопары. Для снижения вели­ чины теплового потока, рассеиваемого спаем и проводами термопары полезно применять термопары из возможно более тонких термоэлек-

212