186066. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés a hőátadási tényező meghatározására
1 186066 2 A találmány tárgya eljárás és berendezés a hőátadási tényező meghatározására, amelynek során a hőátadó felületen az eredeti hőmérsékletet és hőáramot csak elhanyagolható mértékben megváltoztató felületi hőmérsékletmérő és hőárammérő réteget helyezünk el, továbbá gondoskodunk a felületet fűtő vagy hűtő teljesítmény szabályozásával vagy kiegészítő fűtőelem alkalmazásával a felületi höáramsűrűség kisméretű és kellően lassú, célszerűen a hőárammérő réteg és a hőátadó határréteg időállandóinál több nagyságrenddel nagyobb — például 60 sec — ciklusidejű megváltoztathatóságáról, s felülről lényegében nem korlátozott ciklusszámú mérési ciklust végzünk. A felületi hőátadási tényező pontos ismeretére számos esetben van szükség. A feladatok egy része úgy jellemezhető, hogy vagy intenzív hőátadást és így nagy felületi hőáramerősséget kívánunk biztosítani alacsony költséggel, vagy éppen ellenkezőleg kis hőátadást, de ugyancsak kis költséggel. A feladatok másik részében a hőátadási tényezők ismeretére a megfelelő élettartamot és üzembiztonságot biztosító tervezéshez van szükség. Az esetek többségében a hatékony termikus méretezéshez a hőátadási tényező helyi eloszlását is ismerni kell. A hőátadási tényezővel szemben támasztott követelmények gyors fejlődést eredményeztek a kísérleti és elméleti munka területén is. Az utóbbi években azonban a számítógépes szimulációnak a kísérleti technikákéhoz képest már-már arányát vesztett rohamos fejlődése figyelhető meg. Ennek egyik oka a szimuláció nyilvánvaló és hosszútávú előnyeiben, nevezetesen a tervezés fázisában való, előkisérlet mentes alkalmazhatóságában rejlik. Egy másik ok a hőátadási tényező mérése körüli problémákban jelölhető meg, amelyk közül érdemes kiemelten foglalkozni a következőkkel: a) A szokásosan definiált hőátadási tényezőhöz viszonylag önkényesen definiálni kell egy Too úgynevezett végtelen távoli határréteg hőmérsékletet; ezt az önkényességet a méréssel meghatározható hőátadási tényező örökli, s így már nem lehet valóságos rendszerjellemző. Ezt az általánosíthatóság, illetve a pontosság sínyli meg. b) Az előzőekben említett elvi hibán túlmenően a végtelen távoli hőmérséklet mérése nehézkes, meghatározásához gyakorlatilag a teljes határréteg hőmérsékletprofilját ismerni kell. c) Bizonyára az előzőek folyománya az, hogy a hőátadási tényező mérésére kompakt mérőrendszer jelenleg sincs forgalomban. A mérési gyakorlatot egyedileg tervezett mérőberendezések és változatos mérési elvek alkalmazása jellemzi. A fenti, általánosan jelentkező hátrányok mellett az egyes ismert mérési elvek és eljárások további előnyöket és hátrányokat mutatnak. A következőkben ezeket foglaljuk össze. A hő- és anyagátadás analógiáját felhasználó ú.n. szublimációs mérési módszer igen előnyös a hőátadási tényező felületi eloszlásának meghatározására, ha lehetőség van fűtetlen modellkísérlet végzésére. Változó hőmérsékletű, fűtött berendezésben a módszer nem használható. Ugyancsak kérdéses az olyan szublimációs mérés kiértékelhetősége, amely egy nagy felület kis részére vonatkozik, mivel ez az analóg rendszerben a termikus belépés esetének felel meg. A felületi hőáramsűrűséget mérőbéllyeggel vagy más módon mérő, s a Tf felületi és a Too végtelen távoli hőmérséklet különbségét szintén méréssel meghatározó klasszikus alapmérésnél kis Tf — Too hőmérsékletkülönbség esetén a Too közeghőmérsékletnek már kis ingadozásai is nagy mérési hibát eredményezhetnek. A Too hőmérsékletingadozásai — mivel a határrétegen kívüli hőmérsékletről van szó — kevésbé csillapítottak, mint a hőátadási tényező ingadozásai. A környezeti hőmérsékletet, így az ezzel kapcsolatos mérési problémákat is teljesen kiküszöbölő módszerek is ismeretesek. Közös jellemzőjük, hogy a felületre — beépítéssel vagy anélkül — mérőszondát helyeznek el, azt felmelegítik, majd a lehülési görbe alapján számítással vagy ismert hitelesítési görbével való összehasonlítás alapján következtetnek, a szondán — s így az eredeti felületen — a hőátadási tényező értékére. E tranziens módszerek közös jellemzője, hogy a mérőszondák tranziens höáramsűrűség mérőkként működnek, s a mérés során a fűtéssel bevitt hőmennyiségnek a megváltozását a mérőszonda hőmérsékletének, mint egyetlen paraméternek időbeli megváltozása alapján érzékelik. A mérőszondán átfolyó, vagy az eredeti zavartalan höáramsűrűség mérésére nincs szükség, s nem is tesznek rá kísérletet. A méréskiértékelésben fontos szerepet játszik a mérőszonda hőkapacitása, az el nem tüntethető mérési hibák csökkentésében pedig az érzékelő és az eredeti felület közötti jó hőszigetelés. Közös hátrányuk, hogy mivel gyors tranziens a határréteg oldaláról nem engedhető meg, a mérőszondák vastagokra és nagytömegűekre adódnak. A bonyolult, sokszor hitelesítést igénylő eljárások kényelmetlenek és ehhez képest kevés információval szolgálnak. A mérések ugyan mentesek a Too környezeti hőmérséklettől, de nem is alkalmasak annak meghatározására. Az általunk kidolgozott eljárás és az azt megvalósító berendezés fő jellemzői a következők: 1. Hőátadási tényezőként valóságos rendszerjellemzőt identifikál, azaz mentes az a/ pont hátrányaitól. 2. Noha a hőátadási tényező meghatározásához nem szükséges a Too hőmérséklet, ennek meghatározása is megtörténhet, a határréteg hőmérsékletmérése nélkül. A mérés Too-ként szintén rendszerjellemzőt identifikál. Az eljárás így mentes a b) pontbeli hátránytól is. 3. A mérési eljáráshoz kompakt berendezés és mérőszonda tartozik. A mérőszonda külső megjelenésében a vékony film-típusok hőárammérő bélyegekkel azonos. 4. A hőátadási tényezővel és a Too határréteg hőmérséklettel együtt ugyanazzal a berendezéssel és mérőszondával megmérhető a q felületi hőáramsűrűség és a Too felületi hőmérséklet is. 5. Az eljárás és berendezés alkalmas arra, hogy a szokásosan definiált „technikai” hőátadási tényezőn kívül megmérje a publikációkban csak most feltűnő, lokális „fizikai” hőátadási tényezőt is. A találmány szerinti eljárás a fenti jellemzők biztosítására abban áll, hogy a vizsgált hőátadó fe5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
