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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag October 26, 2016

Surface heat transfer coefficient measurement by immersed temperature sensor and inverse modelling

Messung des Wärmeübergangskoeffizientens an einer Festkörperoberfläche durch eingebauten Temperatursensor und inverse Modellierung
Mirko Javurek

Mirko Javurek received Diploma and Ph.D. in Mechatronics. Since 1999 he is research assistant at Johannes Kepler University Linz with a focus on the modelling of high temperature flow and heat transfer processes.

Johannes Kepler University Linz, Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung, Altenbergerstraße 69, 4040 Linz, Austria

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and Andreas Mittermair

Andreas Mittermair studied mechatronics at the Johannes Kepler University Linz with the focus on measurement technology. In his master thesis he investigated the heat transfer of forced cooled surfaces.

Johannes Kepler University Linz, Institut für Messtechnik, Altenbergerstraße 69, 4040 Linz, Austria

From the journal tm - Technisches Messen

Abstract

A transient surface heating or cooling process of a solid is considered. A procedure for the determination of surface temperature and surface heat flux density during such a process is presented using a submersed temperature sensor in the solid. From this measured temperature the surface temperature and surface heat flux density are calculated by inverse process modelling. This method is prone to errors since measurement errors are amplified in the inverse process modelling and can thus easily become unacceptably large. The LSQR regularisation algorithm is optimised for fast performance as well as less memory requirement and applied to the inverse problem solution. The proposed method allows to simulate an experimental setup and to determine the accuracy of the results gained from the simulated experiment. This is essential for the determination of the accuracy of a planned or existing test facility. The influence of process parameters like sensor depth, sensor noise level, sampling rate, heat flux density amplitude and cooling/heating process duration is investigated. In most cases it is very important to carefully adjust the process parameters in order to obtain reliable and accurate results. Additionally the proper selection of the regularisation parameter required for the inverse problem solution is analysed.

Zusammenfassung

Ein transienter Abkühl- oder Aufheizvorgang eines Festkörpers wird betrachtet. Es wird eine Messvorrichtung für die Bestimmung der Oberflächentemperatur und der Wärmestromdichte an der Oberfläche während so eines Vorgangs mit Hilfe eines im Inneren des Festkörpers angebrachten Temperatursensores vorgestellt. Aus dem so gemessenen Temperaturverlauf werden Temperatur und Wärmestromdichte an der Oberfläche des Festkörpers über eine inverse Prozessmodellierung berechnet. Diese Methode ist sehr fehleranfällig, weil Messfehler durch die inverse Modellierung verstärkt werden, und dadurch das Ergebnis leicht zu ungenau werden kann. Der LSQR Regularisierungsalgorithmus wird in einer optimierten Abwandlung für schnellere Laufzeit und geringeren Speicherbedarf für die inverse Modellierung angewandt. Die vorgestellte Methode ermöglicht es, eine Messvorrichtung am Computer zu simulieren, und die Genauigkeit der ermittelten Ergebnisse des simulierten Experiments zu bestimmen. Damit wird es möglich, die Genauigkeit einer geplanten oder existierenden Messvorrichtung zu bestimmen. Der Einfluss der Prozessparameter wie der Abstand des Temperatursensors von der Oberfläche, der Sensor-Rauschpegel, die Abtastrate, die Amplitude und die Dauer der Wärmestromdichte beim Abkühlen bzw. Aufheizen wird untersucht. Bei den meisten Parametern ist es sehr wichtig, dass sie gut aufeinander abgestimmt werden, um genaue und verlässliche Resultate zu erzielen. Weiters wird die richtige Wahl des Regularisierungsparameters, der für die Lösung des inversen Problems erforderlich ist, analysiert.

About the authors

Mirko Javurek

Mirko Javurek received Diploma and Ph.D. in Mechatronics. Since 1999 he is research assistant at Johannes Kepler University Linz with a focus on the modelling of high temperature flow and heat transfer processes.

Johannes Kepler University Linz, Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung, Altenbergerstraße 69, 4040 Linz, Austria

Andreas Mittermair

Andreas Mittermair studied mechatronics at the Johannes Kepler University Linz with the focus on measurement technology. In his master thesis he investigated the heat transfer of forced cooled surfaces.

Johannes Kepler University Linz, Institut für Messtechnik, Altenbergerstraße 69, 4040 Linz, Austria

Acknowledgement

This work has been supported by the Austrian COMET-K2 programme of the Linz Center of Mechatronics (LCM) and was funded by the Austrian federal government and the federal state of Upper Austria.

Received: 2016-7-15
Accepted: 2016-9-23
Published Online: 2016-10-26
Published in Print: 2016-11-28

©2016 Walter de Gruyter Berlin/Boston

Downloaded on 27.11.2022 from frontend.live.degruyter.dgbricks.com/document/doi/10.1515/teme-2016-0019/html
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