DE3227820C2

DE3227820C2 - Verfahren zur Bestimmung der örtlichen Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten

Info

Publication number: DE3227820C2
Application number: DE19823227820
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl.-Phys. Dr. 8524 Neunkirchen Große-Wilde
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-07-26
Filing date: 1982-07-26
Publication date: 1986-03-20
Also published as: DE3227820A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der örtlichen Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten (h ( x )) auf einer Oberfläche (2) durch Auftragen einer Schicht (6) auf die angeströmte Oberfläche (2) und Überleiten eines Fluids (8). Erfindungsgemäß wird die Temperatur (T ↓1 ( x )) einer auf die Oberfläche (2) eines zu untersuchenden beströmten Körpers (4) aufgebrachten dünnen Schicht (6) mit bekannter Wärmeleitfähigkeit ( λ) und bekannter Dicke ( δ) berührungslos gemessen, wobei der Körper (4) auf einer konstanten Temperatur (T ↓0) und das Fluid (8) auf einer konstanten Temperatur (T ↓2) gehalten wird, die von der Temperatur (T ↓2) des Körpers (4) verschieden ist. Bei diesem Verfahren vereinfacht sich die Bestimmung der örtlichen Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten (h ( x )) auf eine lokale, berührungslose, flächenhafte Temperaturmessung.

Description

Richtung des Temperaturgefälles stattfindet Man bezeichnet die Ortskoordinate der freien Oberfläche der Schicht 6 mit χ und mit T\ (x) die Temperatur der Schicht 6 an der Stelle x. Die Temperatur T_x (x) wird mit Hilfe einer Infrarotkamera 10 berührungslos und flächenhaft gemessen. Die Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten h (x) wird aus der Beziehung

T₂-Ti(X) ίο

abgeleitet, wobei die Wärmeleitfähigkeit A, die Dicke δ der Schicht 6, die Temperatur T₀ des Körpers 4 und die Temperatur T₂ des Fluids 8 bekannt sind. Durch diese Gestaltung vereinfacht sich das Verfahren zum Sichtbarmachen von stationären Wärmeübertragungskoeffizientenfeldern auf fototechnischem Wege auf eine berührungslose, flächenhafte Temperaturmessung mit anschließender einfacher Berechnung.

In einem besonderen Verfahren kann man auch bei zeitlich veränderlichen Strömungsgeschwindigkeiten dv/dt des Fluids 8 oder bei zeitlich veränderlicher Temperatur dTo/df des Körpers 4 die lokale Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten h (x) bestimmen, wobei die Zeitauflösung aus der Temperatureinstellzeit ve der Schicht 6 abgeleitet wird und ve < v/[dv/di] oder te < TofidTafdi] ist Die Temperatureinstellzeit v_E der Schicht 6" wird aus der Beziehung ve = O²Ia abgeleitet, in der a die Temperaturleitfähigkeit des Materials der Schicht 6 ist

Durch dieses Verfahren kann man auch üblicherweise während einer Aufheizphase einer Senderöhre die örtliche Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizienten h (x) durch eine berührungslose, flächenhafte Temperaturmessung bestimmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 nen Verweilzeit wird der trockene Film vom angequol- Patentansprüche: lenen Film abgetrennt und die erhaltene Naßkopie zur Sichtbarmachung der Feuchteprofile mit einem reakti-

1. Verfahren zur Bestimmung der örtlichen Vertei- ven Gas bekeimt und in einem fotographischen Entlung des Wärmeübertragungskoeffizienten auf einer 5 wickler zu einem Naßkopie-Fotogramm entwickelt Oberfläche eines zu untersuchenden Körpers durch Weiterhin erhält man in diesem Sequenzverfahren Auftragen einer Schicht auf diese Oberfläche und durch abgestufte Feuchteprofile, deren e^:nzelne Isohu-Oberleiten eines Fluids, dadurch gekenn- midenschaien übereinander geschichtet warden. Mit zeichnet, daß die Temperatur der auf die Ober- diesem Verfahren kann man erst nach mehreren Verflache (2) aufgebrachten dünnen Schicht (6) mit be- ίο fahrensschritten kleine Unterschiede an Wärmeüberkannter Wärmeleitfähigkeit und bekannter Dicke (ö) gangsbereichen erfassen und durch farbige Linien darberührungslos gemessen wird, wobei das Fluid (8) stellen (deutsche Patentschrift 29 11 821).

auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, die Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ver-

von der Temperatur des Körpers (4) verschieden ist hältnismäßig einfaches Verfahren zur Bestimmung der

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 15 örtlichen Verteilung des Wärmeübertragungskoeffizeichnet, daß bei zeitlich veränderlichen Strömungs- zienten anzugeben.

geschwindigkeiten des Fluids (8) die Temperaturein- Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verstellzeit der Schicht (6) bestimmt wird, fahren durch die kennzeichnenden Merkmale des An-

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- spruchs 1 gelöst Das Verfahren beruht darauf, daß die zeichnet, dpBbei zeitlich veränderlicher Temperatur 20 Temperatur einer auf die Oberfläche eines zu untersudes Körpers (4) die Temperatureinstellzeit der chenden beströmten Körpers aufgebrachten dünnen Schicht (6) bestimmt wird. Schicht mit bekannter Wärmeleitfähigkeit und bekann-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ter Dicke berührungslos gemessen wird, wobei der Kördadurch gekennzeichnet, daß zur berührungslosen per auf einer konstanten Temperatur und das strömen-Temperaturmessung der Oberfläche (2) des Körpers 25 de Fluid auf einer konstanten Temperatur gehalten (4) eine Infrarotkamera (10) verwendet wird. wird, die von der Temperatur des Körpers verschieden

ist Zur berührungslcjsen Temperaturmessung der Ober-

fläche des Körpers kann vorzugsweise eine Infrarotkamera vorgesehen sein. Bei diesem Verfahren verein-30 facht sich die Bestimmung der örtlichen Verteilung des

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Be- Wärmeübertragungskoeffizienten auf eine lokale, bestimmung der örtlichen Verteilung des Wärmeübertra- rührungslose, flächenhafte Temperaturmessung,
gungskoeffizienten auf einer Oberfläche eines zu unter- In einem besonderen Verfahren kann man auch bei suchenden Körpers durch Auftragen einer Schicht auf zeitlich veränderlichen Strömungsgeschwindigkeiten diese Oberfläche und Überleiten eines Fluids. 35 des Fluids oder bei zeitlich veränderlicher Temperatur

Strömungsvorgängc entlang fester Wände in Appara- des Körpers die lokale Verteilung des Wärmeübertra-

turen und Anlagen sind oft nur auf halbempirischem gungskoeffizienten bestimmen, wobei die Zeitauflösung

Weg und in enger Anlehnung an experimentelle Daten aus der Temperatureinstellzeit der Schicht abgeleitet

quantitativ befriedigend zu erfassen. Dabei fällt der ex- wird. Durch dieses Verfahren kann Tian auch beispiels-

perimentelle Aufwand zeitlich sehr ins Gewicht Bei der 40 weise während der Aufheizphase einer Senderöhre die

Untersuchung aerodynamischer Vorgänge treten häufig örtliche Verteilung des Wärmeüber tragungskoeffizien-

sehr komplexe Randbedingungen auf, die einer exakten ten messen.

mathematischen Erfassung kaum zugänglich sind. Man Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Beist daher nach wie vor auch noch auf Messungen im zug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Windkanal und die Sichtbarmachung der Strömungs- 45 Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der vorgänge angewiesen. Die Kenntnis des lokalen War- Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
meübertragungskoeffizienten ist wichtig zur Beurtei- In der dargestellten Ausführungsform wird auf eine lung der thermischen Belastung von Bauteilen, Geräten Oberfläche 2 eines zu untersuchenden Körpers 4 eine und Maschinen, bei denen Wärme freigesetzt wird. We- dünne Schicht 6 aufgebracht. Der Körper 4 besteht aus gen der meßtechnischen Schwierigkeiten, lokale War- 50 einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise aus meströme zu messen, werden zur Bestimmung des loka- einem metallischen Werkstoff. Die dünne Schicht 6 ist len Wärmeübertragungskoeffizienten im allgemeinen beispielsweise 1 bis 2 mm, vorzugsweise 1,5 mm dick Analogieverfahren verwendet, die den lokalen Massen- und wird mil einer gleichmäßigen Dicke Raufgebracht transportkoeffizienten messen. Daraus wird der lokale Die Dicke 6 der Schicht 6 ist kleiner als das verlangte Wärmeübertragungskoeffizient berechnet. Diese Ver- 55 örtliche Auflösungsvermögen. Die Schicht 6 besteht aus fahren zur Bestimmung des Massentransportkoeffizien- einem schlecht wärmeleitenden Material, dessen Warten beruhen auf chemischen Reaktionen an der Grenz- meleitfähigkeit λ bekannt ist. Als Materialien für die fläche fester Körper - Fluid, auf der Verdampfung von Schicht 6 kann man organische oder anorganische SubSubstanzen an der Oberfläche oder auf der Absorption stanzen verwenden, beispielsweise Kunstharze oder von Substanzen an der Oberfläche. 60 Lacke, die durch Bestreichen, Besprühen, Tauchen oder

Es ist ein Verfahren zum Sichtbarmachen von statio- Bekleben aufgebracht werden. Die Temperatur des

nären Wärmeübertragungskoeffizientenfeldern auf fo- Körpers 4 wird beispielsweise durch ein Wärmebad

totechnischem Wege bekannt, bei dem ein auf die Ober- oder auch durch eine geregelte elektrische Heizung

fläche eines zu untersuchenden beströmten Gegenstan- oder Kühlung auf konstanter Temperatur T₀ gehalten,

des im Hellen angebrachter, angequollener fotographi- 65 Die Temperatur T₁ des Fluids 8 ist ebenfalls konstant

scher Film nach Beströmen im Gas abgezogen und im und von der Temperatur T₀ des Körpers 4 verschieden.

Dunkeln auf einen unbelichteten, trockenen, fotographi- Dieser vorbereitete Körper 4 wird in ein Fluid 8, bei-

schen Film abgequetscht wird. Nach einer angemesse- spielsweise Luft, gebracht, so daß ein Wärmefluß in