Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Приборы и методы измерения механических величин

Диссертационная работа:

Черепанов Виктор Яковлевич. Методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплообмена и теплоносителей : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.15, 05.11.01 Новосибирск, 2005 298 с. РГБ ОД, 71:06-5/319

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Раздел 1 Теоретические аспекты теплометрии и задачи 16

метрологического обеспечения измерений в теплосбережении

1.1 Модель объекта теплопотребления. Взаимосвязь 16
параметров теплообмена с параметрами теплоносителей

  1. Измерения поверхностной плотности тепловых потоков... 21

  2. Термометрия поверхности твердых тел 29

  3. Измерения теплопроводности, коэффициентов теплоотдачи 43

и теплового излучения

1.5 Измерения параметров теплоносителей приборами учета 77

Раздел 2 Создание калориметрических методов и средств 100

воспроизведения размера единиц измерения параметров
теплообмена

2.1 Формирование и измерение тепловых потоков в 100
калориметрии

  1. Адиабатический метод и установки для воспроизведения 112 единицы поверхностной плотности теплового потока

  2. Калориметрические методы и установки для исследований 133 и аттестации стандартных образцов излучательных свойств материалов..

  3. Адиабатический метод и установка для прецизионных 145 измерений высоких значений теплопроводности

Раздел 3 Методы и средства передачи размера единиц измерения 149
параметров теплообмена

3.1 О классификации способов компарирования при передаче 149
размера единиц физических величин. Модуляционный метод

3.2 Метод и кондуктивный компаратор для передачи размера 154
единицы поверхностной плотности теплового потока

3.3 Вопросы теории и экспериментальное исследование 163

компаратора излучательных свойств

  1. Разработка методик и средств поверки измерительных 175 преобразователей температуры поверхности

  2. Теплометрические методы и установки для измерений 183 теплопроводности теплоизоляционных материалов

Раздел 4 Создание методов и средств измерений параметров 196
теплоносителя и их метрологического обеспечения

  1. Средства метрологического обеспечения термометрии и 196 расходометрии в приборах учета тепла

  2. Теплометрические методы и средства метрологического 208 обеспечения измерений параметров теплоносителей

Раздел 5 Разработка нормативной базы метрологического 227
обеспечения теплометрии

  1. Государственная поверочная схема для средств измерений 227 поверхностной плотности теплового потока

  2. Вопросы создания государственной поверочной схемы для 231 средств измерений интегральных коэффициентов теплового излучения материалов

  3. Вопросы концепции развития метрологического 236 обеспечения и создания государственной поверочной схемы для средств измерений теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение к работе:

Все тела в природе - твердые, жидкие и газообразные имеют собственную температуру, которая изменяется в пространстве и во времени. Эти изменения связаны с процессами теплообмена между телами, интенсивность и направление которого определяется важнейшей физической величиной -тепловым потоком. Существуют три вида теплообмена: кондуктивный, конвективный и радиационный. Интенсивность теплового потока при этом определяется не только разностью температур тел, находящихся в процессе теплообмена, но и их свойствами (теплопроводностью, коэффициентами теплового излучения), а также физической величиной, отражающей особенности контактного взаимодействия тел, находящихся в разных агрегатных состояниях (коэффициентом теплоотдачи). Таким образом основными параметрами, характеризующими теплообмен, являются тепловой поток, температура, теплопроводность, коэффициент теплоотдачи и коэффициенты теплового излучения.

Наиболее достоверную информацию о теплофизических свойствах веществ и параметрах, характеризующих процессы теплообмена, получают на основе измерений. Наиболее значительный вклад вклад в теоретическое обоснование и создание методов и средств получения такой информации внесли отечественные ученые Кондратьев Г.М., Чудновский А.Ф., Буравой С.Е., Гордов А.Н., Дульнев Г.Н., Курепин В.В., Олейник Б.Н., Шатунов Е.С., Походун А.И., Сергеев О.А., Ярышев А.Н. (Ленинградская школа теплофизических измерений); Попов М.М., Кириллин В.А, Шейндлин А.Е., Жоров Г.А., Пелецкий В.Э., Петров В.А., Свет Д.Я., Соколов В.А., Улыбин С.А., Филиппов Л.П., Хрусталев Б.А. Чеховской В.Я. (Московская школа); Кутателадзе С.С., Стрелков П.Г., Груздев В.А., Крафтмахер Я.А., Пауков И.Е., Рубцов Б.А. (Новосибирская школа); Геращенко О.А., Грищенко Т.Г., Назаренко Л.А. (Украинская школа); Гомельский К.З., Зиновьев Е.Е., Ивлиев А.Д. (Уральская школа); Чашкин Ю.Р. (Хабаровская школа), а также

зарубежные ученые д-р Ковач Т. (Венгрия), проф. Лин-Шан-Кан (Китай), д-р Штук Д. (Германия), д-р Хакимов О.Ш. (Узбекистан), проф. Квин Т. (Англия), д-р Дюриш С. (Словакия).

Безусловно, что наряду с развитием теплофизического приборостроения, для получения достоверной и точной измерительной информации необходимо наличие технической и нормативной базы метрологического обеспечения тепловых измерений.

Развитие в СССР науки и технологий в послевоенные годы стимулировало развитие метрологии теплофизических измерений, прежде всего, для нужд оборонных отраслей промышленности. Совершенствовались поверочные схемы для средств измерений температуры (расширение диапазона и повышение точности), были созданы поверочные схемы для средств измерений количества теплоты, теплоемкости, теплопроводности, температурного коэффициента линейного расширения твердых тел.

Обострившиеся в последние десятилетия мировые энергетические проблемы, а также переход России к рыночным условиям хозяйствования сместили акценты направленности теплофизических измерений, главным образом, в теплоэнергетику и теплосбережение. На первый план вышли задачи учета тепла, требующие прежде всего точных измерений теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения. В свою очередь решение этих задач приводит к необходимости поиска эффективных путей теплосбережения, основанных на измерениях и на последующем сокращении тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений. Поэтому все более необходимыми и важными из тепловых величин становятся измерения параметров теплообмена, а также измерения эксплуатационных параметров теплоносителя, таких как его температура, расход, теплоемкость (энтальпия), тепловой поток, создаваемый теплоносителем, и выделившееся в системе отопления количество теплоты. Измерения этих параметров определяют качество учетных операций при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями тепла и являются технической основой энергосбережения, а,

следовательно, в соответствии с законами РФ «Об обеспечении единства измерений» и «Об энергосбережении» такие измерения подлежат обязательному государственному метрологическому контролю и надзору и требуют наличия не только необходимого и достаточного, но и, желательно, опережающего уровня метрологического обеспечения.

Однако в настоящее время такой уровень не достигнут. Отсутствуют государственные эталоны и соответствующие поверочные схемы для средств измерений теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения, для средств измерений коэффициентов теплового излучения, для средств измерений теплоемкости теплоносителей и их расхода в диапазоне рабочих температур. Требуют совершенствования эталоны и государственные поверочные схемы для средств измерений теплопроводности и поверхностной плотности теплового потока с целью расширения диапазона измерений и уменьшения погрешностей. Необходимо также совершенствование средств передачи размера единиц и методик выполнения измерений температуры поверхности, поверхностной плотности теплового потока, коэффициента теплоотдачи и температуры теплоносителей. Поэтому перед отечественной метрологией стоит проблема поэтапного решения задач создания и совершенствования методов и средств обеспечения единства измерений основных параметров теплообмена и теплоносителей.

Данная диссертационная работа направлена на решение указанной проблемы. Этим определяется ее актуальность.

Цель настоящей диссертационной работы - решение проблемы повышения точности и обеспечения единства измерений параметров теплообмена и теплоносителей.

Для достижения этой цели необходимо на основе разработки, теоретических и экспериментальных исследований решить задачи создания комплекса методов и средств воспроизведения и передачи размера единиц измерения основных параметров теплообмена и параметров теплоносителя; создания и разработки на основе этого комплекса государственных поверочных

схем для средств измерений поверхностной плотности теплового потока, коэффициентов теплового излучения, теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения; разработки методов и средств прецизионных измерений поверхностной плотности теплового потока, температуры поверхности, теплопроводности, коэффициентов теплоотдачи и теплового излучения, а также теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения, расхода, температуры и теплоемкости теплоносителей. Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен новый подход к созданию и классификации методов и
средств теплофизических измерений, основанный на использовании принципов
адиабатического формирования (с помощью открытой адиабатической
оболочки) тепловых потоков или теплометрического (с помощью тепломеров)
измерения тепловых потоков в системе теплообмена ядро - оболочка;

на основе предложенного подхода впервые с использованием принципов адиабатической калориметрии и теплометрического компарирования теоретически обоснованы и экспериментально исследованы методы и созданы эталонные средства измерений поверхностной плотности теплового потока;

впервые созданы методы и эталонные средства измерений интегральных коэффициентов теплового излучения материалов, использующие принципы адиабатического формирования и прецизионной теплометрии, а также стандартные образцы излучательных свойств и метод одновременного компарирования радиационных тепловых потоков;

- предложен новый модуляционный метод разновременного
компарирования физических величин и созданы измерительные установки для
точных измерений интегральной излучательной способности материалов;

- впервые предложена концепция метрологического обеспечения
теплосчетчиков, основанная на прямом измерении теплового потока и
количества теплоты в системах теплоснабжения; предложен и создан комплекс
новых теплометрических методов и средств для измерений этих физических

величин при эксплуатационных значениях температур, давлений и реальных значениях теплофизических свойств теплоносителей.

Результаты теоретических исследований положены в основу разработки технических средств метрологического обеспечения измерений поверхностной плотности теплового потока, температуры поверхности, коэффициентов теплового излучения и теплопроводности материалов; расхода, температуры, теплоемкости, количества теплоты и теплового потока в системах теплоснабжения. Это позволило:

- создать Государственную поверочную схему и тем самым
метрологически обеспечить испытания, поверку и калибровку контактных
средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от
10 до 2000 Вт/м при температурах от 200 до 400 К;

- повысить точность контактных средств измерений температуры
теплообменных поверхностей объектов техники в диапазоне от минус 200 до
650 С;

- расширить диапазон измерений теплопроводности в область малых
значений (менее 0,2 Вт/(м-К)) на основе существующих эталонных мер
теплопроводности и высоких значений (более 100 Вт/(м-К)) на основе
использования открытой адиабатической оболочки;

- обеспечить единство измерений интегральных коэффициентов
теплового излучения материалов в диапазоне от 0,10 до 0,99 при температурах
от 200 до 850 К;

- создать техническую базу для проведения испытаний и поверки средств
учета тепла при эксплуатационных значениях температур (от 20 до 180 С) и
давлений (до 1 МПа) теплоносителя, а также при реальных значениях его
теплофизических свойств;

- создать эталонные установки и высокоточные средства для
воспроизведения и передачи размеров единиц измерений основных параметров
теплообмена и теплоносителей.

Основные результаты работы реализованы и внедрены (ПриложениеА):

в ФГУП «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии» (г. Новосибирск) в установке высшей точности УВТ 53-А-88 и Государственной поверочной схеме для средств измерений поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 10 до 2000 Вт/м (МИ 1855-88); в методе и эталонной установке расходомерной массовой 1-го разряда УМПР СНИИМ (зарегистрирована в Госреестре под № 26578-04); в рабочем месте для поверки преобразователей теплового потока РМП ПТП; в теплометрическом методе и проливном стенде для испытаний и поверки теплосчетчиков; в методе и теплометрической установке для измерений теплопроводности теплоизоляционных материалов; в автоматизированном компьютерном комплексе для градуировки преобразователей температуры поверхности, используемых в микроэлектронной технике; в методе и измерительных установках эталонного назначения для исследования и аттестации стандартных образцов излучательных свойств; в методе и компараторе для исследований температурной зависимости интегральных коэффициентов теплового излучения материалов; в адиабатическом калориметре для измерений теплоемкости металлов в нестационарном режиме; в измерительных установках для исследований теплоемкости, интегральной полусферической излучательной способности и электросопротивления металлов и сплавов модуляционным методом; в установке для аттестации плоских преобразователей температуры поверхности; в методе и установке для определения температуры Кюри чистых ферромагнетиков; в установке для определения малых потерь в ферромагнетиках теплометрическим методом; в малогабаритных ампулах для реализации реперных точек температурной шкалы; в установке для исследований температурной зависимости коэффициента теплоотдачи отопительных приборов;

в ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай» (г. Бийск) в методе и установке для определения температуропроводности стеклопластиков в диапазоне от минус 100 до 150 С, основанной на

закономерностях симметричного нагрева плоских образцов с постоянной скоростью; в методе и установке для измерений теплопроводности полимерных резиноподобных материалов при температурах от минус 100 до 250 С в динамическом режиме, основанной на методе симметричного нагрева образцов с теплометрическим способом определения мощности нагревателя; в дифференциальном калориметре с идентичными теплометрическими ячейками для динамических измерений теплоемкости и определения температур фазовых превращений в полимерных материалах при их циклическом нагружении при температурах от минус 150 до 300 С; в методе и аппаратуре для метрологической аттестации поверхностных преобразователей температуры в диапазоне от 50 до 300 С с погрешностью менее 1%, содержащей малоинерционный поверхностный термостат с системой автоматического поддержания температурного режима и эталонный измеритель температуры поверхности стержневого типа со следящей компенсацией теплоотвода; в методе и прецизионном измерителе теплопроводности особо чистых металлов в диапазоне значений более 200 Вт/(м*К) при температурах от 0 до 95 С с погрешностью менее 5%, основанном на адиабатическом методе формирования аксиального теплового потока в цилиндрическом образце.

Созданные на основе этих научно-технических разработок и решений измерительный и метрологический комплексы внедрены на предприятии и используются для исследований стабильности свойств специальных полимерных материалов и изделий; для поверки контактных преобразователей температуры и определения их метрологических характеристик в условиях, максимально приближенных к условиям их эксплуатации на поверхностях объектов техники; для создания датчиков высокоинтенсивньгх тепловых потоков, действие которых основано на решении обратной задачи теплопроводности и которые используются для исследований тепловых режимов при стендовых испытаниях объектов техники;

- в ФГУП «Сибирский научный институт авиации им С.А.Чаплыгина» (г. Новосибирск) в методе и установке для градуировки плоских

поверхностных преобразователей температуры и теплового потока в климатическом диапазоне температур; в кондуктивном методе и теплометрическом компараторе КТМ-01 для определения метрологических характеристик плоских преобразователей теплового потока в диапазоне от 10 до 2000 Вт/м с погрешностью менее 2%; в калориметрическом методе для определения объемной теплоемкости и энтальпии радиоэлектронных блоков с погрешностью менее 5%.

Результаты этих работ использовались при создании и совершенствовании технологии специальных преобразователей температуры и теплового потока, необходимых для исследований надежности и ресурса бортового оборудования летательных аппаратов и их теплового режима;

- в ФГУП «Научно-производственное объединение измерительной
техники» (г. Королев, Московской области) в методе и низкотемпературном
теплометрическом компараторе для метрологической аттестации градиентных
тепломеров при температурах от 120 до 100 С с погрешностью менее 5%.

Метод и установка использовались для исследований специальных тепломеров-преобразователей теплового потока, предназначенных для исследований тепловых режимов объектов ракетной техники;

— в ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт
авиационных материалов» (г. Москва) в методах и аппаратуре для
метрологического обеспечения измерений коэффициентов теплового излучения
материалов: в радиационном методе, основанном на уравнивании потоков
излучения от стандартного и исследуемого образцов; в компараторе
излучательных свойств КИС-01 с неселективным дифференциальным
радиометром; в широкодиапазонном (от 50 до 600 С) измерителе температуры
поверхности с автоматической компенсацией теплоотвода по контактному
термопреобразователю стержневого типа; в адиабатическом измерителе типа
«черное тело» для диапазона температур от 50 до 600 С.

Внедрение этих результатов работы заложило основы метрологического обеспечения терморадиационных характеристик материалов, имеющих важное значение для развития авиакосмической техники;

- в ФГУП «Ростест-Москва» при выполнении работ в рамках
государственного метрологического контроля путем использования
рекомендаций «ГСИ. Малогабаритный проливной стенд поверочный».
Методика поверки теплосчетчиков и водосчетчиков методом
непосредственного сличения (МИ 2452-97) и «ГСИ. Теплосчетчики в составе
автоматизированных систем». Типовая программа испытаний для целей
утверждения типа (МИ 2479-98);

- в ОАО «Научно-производственное предприятие «Эталон» (г. Омск)
используются результаты диссертационной работы, направленные на освоение
серийного производства следующих средств приборного и метрологического
обеспечения параметров теплообмена и параметров теплоносителей:
сухоблочных термостатов ТР-1М и ТС-250-1, предназначенных для поверки
средств измерений температуры, в том числе термопреобразователей в составе
теплосчетчиков в диапазоне от 50 до 250 С; термопреобразователей
сопротивления с унифицированным выходным сигналом ТСПУ 9313 (от минус
200 до 600 С) и ТСМУ 9313 (от минус 50 до 150 С) для измерений
температуры жидких сред в теплоэнергетике; малоинерционных
поверхностных термоэлектрических преобразователей ТХА 9909 и ТХК 9909
для измерений температуры плоских поверхностей в диапазонах от минус 40 до
260 С и от минус 40 до 600 С; гибких пластинчатых поверхностных
термопреобразователей типа «вспомогательная стенка» ТХА 0001, ТХК 0001,
ТСП 9703, ТСМ 9703, предназначенных для измерений температуры плоских,
цилиндрических и криволинейных поверхностей в диапазоне от минус 60 до
700 С; поверхностного термостата ТПР 200-ТТ-1, предназначенного для
поверки средств измерений температуры поверхности в диапазоне от 50 до 200
С с погрешностью менее 0,1 С; малогабаритных ампул для реализации
реперных точек плавления галлия и затвердевания индия Международной

температурной шкалы МТШ-90 с целью их дальнейшего использования при поверке прецизионных термометров из состава теплосчетчиков; теплометрических расходомеров-теплосчетчиков и установки для их испытаний и поверки, основанной на использовании измерительных теплометрических теплообменников; оптоволоконного пирометра ПЛ-7, предназначенного для использования в жестких условиях эксплуатации, в том числе в атомной энергетике, для измерений температуры от 400 до 2000 С.

Основное содержание выполненных разработок и исследований докладывалось и обсуждалось более, чем на 30 международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, конгрессах и семинарах, в том числе на Всесоюзном семинаре «Метрологическое обеспечение измерений высоких температур и параметров плазмы» (Харьков, 1979); III Всесоюзном совещании по низкотемпературным измерениям и их метрологическому обеспечению (Москва, 1982); IV Всесоюзной конференции «Метрологическое обеспечение теплофизических измерений при низких температурах» (Хабаровск, 1985); III Всесоюзной конференции «Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур» (Харьков, 1986); Всесоюзной конференции «Современное состояние теплофизического приборостроения» (Севастополь, 1987); IV Всесоюзной конференции «Методы и приборы для точных дилатометрических исследований в широком диапазоне температур» (Ленинград, 1988); VI Всесоюзной конференции «Электротермометрия - 88» (Луцк, 1988); on IMECO-TC 12 Workshop on «Surface thermal measurements» (Budapest, 1988, 1995);VIII Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Новосибирск, 1988); V Всесоюзной конференции «Метрологическое обеспечение теплофизических измерений при низких температурах» (Хабаровск, 1988); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 1992, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004); on European scientific metrological conference «150 th Anniversany of Russian Metrological Service» (St. Petersburg, 1992); Первой Российской конференции по

проблемам термометрии (Подольск, 2001); III Научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов» (Москва, 2001); Всероссийском семинаре «Метрологические аспекты промышленной термометрии» (Обнинск, 2002); Международной конференции по проблемам коммерческого учета энергоносителей «Теплосиб» (Новосибирск, 2002, 2003, 2004, 2005); III Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (Киев, 2003); Международном научном семинаре «Радиационные измерения истинной температуры тел с неизвестной излучательной способностью» (Москва, 2003); Второй Всероссийской конференции по проблемам термометрии (Обнинск, 2004); Всероссийском семинаре-совещании «Практическое применение контактных и пирометрических средств температурных измерений и средств их метрологического обеспечения» (Омск, 2005); Международном научном конгрессе «Гео-Сибирь» (Новосибирск, 2005), а также на семинарах и совещаниях в ведущих научных и метрологических центрах мира: Институте тепло- и массообмена (Минск, 1987), Метрологическом институте Венгрии (Будапешт, 1987), Институтах прикладной оптики и современной химии (Сиань, 1991, 2001), Физико-техническом институте (Берлин-Брауншвейг, 1994), Научно-технической комиссии (НТК) Госстандарта (Москва, 1993, 2001), Национальном метрологическом институте (Пекин, 1997), Национальном центре стандартизации и метрологии (Алма-Ата, 1998), Словацком метрологическом институте (Братислава, 2003).

На защиту выносятся следующие основные научные положения: -разработанные методы измерения тепловых потоков, основанные на использовании открытой адиабатической оболочки, позволили создать средства высшей точности для воспроизведения размера единиц измерения поверхностной плотности теплового потока, интегральных коэффициентов теплового излучения и теплопроводности материалов;

-предложенные теплометрические методы компарирования позволили создать новые эффективные средства передачи размера единиц измерения основных параметров теплообмена;

- выдвинутая автором идея и концепция метрологического обеспечения измерений теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения, основанная на использовании измерительных теплообменников, открывает новые возможности повышения точности воспроизведения и передачи размера этих физических величин при эксплуатационных значениях параметров теплоносителей;

-полученные в работе результаты являются основой формирования нового научно-технического направления в метрологическом обеспечении теплофизических измерений - обеспечение единства измерений параметров теплообмена и теплоносителей.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографии и приложений. Работа содержит 275 страниц, в том числе 65 иллюстраций и 11 таблиц. В библиографии приведено 250 наименований.

Подобные работы
Бирюков Сергей Владимирович
Методы и средства измерения напряженности электрических полей, обеспечивающие уменьшение погрешности и расширение пространственного диапазона измерения
Киселев Сергей Константинович
Разработка и исследование методов и средств автоматизации поверки щитовых электроизмерительных приборов
Жарков Владислав Владимирович
Разработка и исследование методов и средств диагностики электрических машин на основе измерения их полей рассеяния
Кострикина Инна Анатольевна
Методы и средства измерений электрических параметров материалов для оценивания влажности
Свистунов Борис Львович
Структурно-алгоритмические методы синтеза средств инвариантного измерения параметров электрических цепей
Казаков Вячеслав Александрович
Методы и средства внутрисхемного контроля параметров активных элементов
Нефедьев Дмитрий Иванович
Методы и средства измерения коэффициентов преобразования измерительных масштабных преобразователей в электроэнергетике
Катков Александр Сергеевич
Создание государственного первичного эталона единицы электрического напряжения нового поколения, методов и средств передачи размера вольта
Казначеева Анна Олеговна
Разработка методов и средств шумоподавления в томографии
Дулов Олег Александрович
Методы и средства измерения шумовых и малосигнальных параметров мощных биполярных транзисторов для целей контроля их качества

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net