測量物體內部熱流密度的熱流密度探針以及測量方法
2023-10-18 19:11:24
測量物體內部熱流密度的熱流密度探針以及測量方法
【專利摘要】本發明涉及測量物體內部熱流密度的熱流密度探針以及測量方法。具體地，提供了一種用於熱流密度測量的裝置，包括：內部中空的不鏽鋼管，管的一端為封閉端，另一端為開口端，在不鏽鋼管的側面上鑽有多個小孔，將多個熱電偶絲分別從多個小孔穿出，在熱電偶絲的穿出部分焊接金屬頭，管內的封閉端用矽膠作為填充材料，與熱電偶尾部相連接的各導線從不鏽鋼管的開口端分別引出，在不鏽鋼管內的非矽膠填充部分用氧化鎂填充絕緣密封。
【專利說明】測量物體內部熱流密度的熱流密度探針以及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及能源動力領域的熱流密度測量，更具體地，涉及一種用於測量物體內部熱流密度的熱流探針。本發明還涉及熱流密度的測量方法。
【背景技術】
[0002]在能源動力領域的熱流密度測量中，需要測量蒸汽在固體金屬壁面上冷凝時進行熱交換的換熱量，進而可以對固體內部的熱分布、熱應力以及對流換熱後的固體受熱情況等進行分析。例如在核電站的非能動安全殼冷卻系統中，利用鋼製安全殼殼體作為傳熱表面，蒸汽在安全殼內表面冷凝並加熱內表面，然後通過導熱將熱量傳遞至整個鋼殼殼體。受熱的鋼殼外表面通過對流、輻射和物質傳遞(水蒸發)等熱傳遞機制，通過外部的水和空氣冷卻。而對於安全殼殼內氣體的複雜流動過程很難通過理論計算或者數值模擬的方法來研究鋼製安全殼的熱流密度和換熱係數，所以必須採用在鋼製安全殼殼內布置熱流密度計的方法直接進行測量。
[0003]早在1914年人們就開始對熱流測量進行了研究，當時德國的Henky教授測量通過啤酒廠內地板的熱流，他用10 cm厚的軟木板覆蓋地板，測出軟木板上下兩面的溫度差，再與軟木板的導熱係數做計算從而得出熱流密度。目前，測量熱流密度的方法和儀器較多，如專利200910021343.5給出一種用於測量反應堆冷卻劑系統中存在管嘴的熱流密度，其通過一根端部和側壁開孔的銅管，通過既測量流體溫度又測量管嘴溫度梯度的方法實現了測量熱流密度。專利200610009794.3提供了一種可以應用於高溫、強電和強幹擾的試驗環境中，對於超高溫電弧熱流密度測量的裝置。專利201110040573.3給出了一種燃料電池內部熱流密度分布測量插片，其通過真空鍍膜技術製作而成，可以達到實時測量熱流密度的目的。專利200410014546.9給出了一種測量塗層導熱係數的穩態複合平板法及其測量裝置。
[0004]從測量熱流密度的原理來看，上述方法和裝置都是通過測量沿熱流傳遞方向上的不同距離處的溫度變化，並通過熱流密度計算理論求出熱流密度。根據應用的具體工況、條件等因素的不同就產生了多種形式形狀的傳感器。但由於核電站安全殼殼體內部溫度變化複雜(尤其是在事故工況下)，所以想要測量其內部的熱流密度分布非常困難，尤其是再進一步去求局部換熱係數，這樣就更加困難，因為首先必須要確定每一個單點溫度的準確性。對於複雜的核電站安全系統來說，以上的幾種方法均不能適用。
[0005]在對大型容器或受熱壁面內的熱流密度進行準確測量中，測量熱流密度的方法有兩種，一種技術方案使用熱流密度計進行局部的熱流密度測量，進而推斷整個平面的熱流密度；第二種方法是通過冷卻後的能量守恆來推測平均熱流密度。
【發明內容】
[0006]本發明的熱流探針是由多個熱電偶組成的。由於本發明在熱電偶的封閉端採用矽膠取代了傳統的氧化鎂作為熱電偶的密封材料，這樣可以使銀質金屬頭具有彈性，保證了金屬頭可以與被測鋼板兩內壁的緊密接觸。這樣避免了空氣的影響，也減少了傳統測溫方式中需填充矽油作為介質讓熱電偶和被測物體間接接觸，以達到測量被測物體溫度的目的。通過彈性金屬頭與被測物體的接觸，準確的測量了被測物的溫度，提高了測量的精確性，從而提高了測量熱流密度的準確性。
[0007]工作時，通過採集不鏽鋼管內設置的多點熱電偶的感知的被測物體內不同位置的溫度，通過計算得到熱流密度。在應用過程中所有的熱電偶信號均通過實時數據採集系統進行溫度的採集和計算，可在被測物體內部不同位置的溫度發生變化的，得出該物體的熱流密度變化。
[0008]通過所提供的描述將更明顯看到本發明更多的適用領域。應當理解，本部分的描述和特定例子僅用於說明，並不限制本發明的範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]結合附圖，通過本文提供的優選實施例，將能夠更好地理解本發明。本文提供的附圖只是為了說明目的，而不會限制本發明的範圍，在附圖中:
圖1是本發明的熱電偶結構圖。
[0010]圖2是本發明的熱電偶接管安裝示意圖。
[0011]圖3是本發明的熱流密度計的安裝示意圖。
[0012]圖4是本發明的熱流密度的測試試驗示意圖。
[0013]圖5是本發明的循環水工況下探針X熱流誤差。
【具體實施方式】
[0014]現在將參照附圖更全面地描述本發明的實施例。下列描述本質上僅僅是示例性的，並不限制本發明及其應用或使用。
[0015]本發明的熱流探針由多個熱電偶組成，例如由4個熱電偶組成。參照圖1，其示出了本發明的熱電偶結構圖。本發明通過精密工具機加工出一根內部中空的不鏽鋼管，管的一端為封閉狀態，另一端為開口狀態。管的封閉端位於管的下部。在不鏽鋼管的側面上距封閉端部為0mm, 8mm, 16mm和24mm的位置(位置精度在加工完後通過X光透視檢定)上鑽有四個直徑為1.5mm的小孔，開孔位置均在一條垂直直線上。將4個T型熱電偶絲分別從小孔穿出，在每根T型熱電偶絲的穿出部分通過熔焊的方式焊接一個銀質的金屬頭，金屬頭的直徑在Imm左右。這樣可以保證讓金屬頭可以從不鏽鋼管外縮進管內。管內的下部均用矽膠作為填充材料，每支熱電偶絲的金屬頭都可以和矽膠充分接觸，保證金屬頭不會縮進管內，這樣可以讓偶絲具有彈性，並通過調節矽膠的填充程度來調節金屬頭的彈性。與熱電偶尾部相連接的各導線從不鏽鋼管的開口端分別引出，相互間獨立不扭曲，所述的不扭曲是指所有引出的導線不會相互扭曲，即不會互相纏繞，因此不會造成信號幹擾。最後在不鏽鋼管內的非矽膠填充部分用氧化鎂填充絕緣密封。
[0016]參照圖2，其示出了本發明的熱電偶接管的安裝示意圖。熱流密度計採用金屬旋緊件的連接方式進行安裝。由於本應用的特殊性，是用在了兩塊鋼板的位於下方的一塊，使用了接管和焊接的方式在兩塊鋼板的接合處進行了密封設計。在安裝過程中，首先把接管安裝焊接完成，再把規格例如為M20*l.5的金屬旋緊件2安裝在鋼板I上，用於接管的密封和固定。當接管安裝完畢後，將熱電偶從接管內穿入，使得不鏽鋼管，不開口端部與鋼板2的開孔底端緊密接觸並基本平齊。再將熱電偶上端的金屬旋緊件1在接管的上端旋緊，完成安裝。
[0017]參照圖3，其示出了本發明的熱流密度計的安裝示意圖。其中，安裝套件由金屬旋緊件1、金屬旋緊件2、接管組成。首先把金屬旋緊件2套在接管上，再用探針穿過金屬旋緊件1並使其穿入接管內，然後旋緊金屬旋緊件1。
[0018]本發明在不鏽鋼管的統一軸向上至少設置了兩個或多個熱電偶絲，使用時在測量被測鋼板2壁面內軸向的溫度梯度，再通過已知的溫度梯度通過熱流密度公式(1)計算得到鋼板內的熱流密度。
[0019]q=A (Tl-T2)/d 公式(1)
其中，Λ --表不材料導熱係數；τι--表不熱表面的溫度；Τ2--表不冷表面的溫度；d-表示材料厚度(開孔的間距)；(Tl-T2)/d為材料溫度梯度。
[0020]參照圖4，其示出了本發明的熱流密度的測試試驗示意圖。熱通量測量試驗裝置採用尺寸為400mmX 200mmX 20mm,厚度40mm的鋼板作為試驗的測試本體,上下表面均經過機械拋光，表面較光滑。鋼板上加工安裝熱電偶、熱流探針的測量孔，測量板的材料熱導率為43.9ff/ (m*K)(不同批次鋼材可能有所出入)。
[0021]測量板下表面在一定位置開矩形槽，槽道深1.5mm，對應位置安裝固定K型熱電偶測量冷凝板下表面溫度。試驗的熱量由布置在測量板下端的電加熱銅板產生，其厚度為20mm，功率為4.5KW，為了保證加熱板加熱的均勻性，或者說為了減少加熱板加熱時的不均勻性，減少加熱板加熱時的不均勻性，增加了一塊厚度20mm的加熱板，其布置在加熱板上。試驗時使水箱內的水循環換熱，通過流量計和閥門調節進口水的流量和出口水的流量並使其相等。
[0022]試驗採用兩種熱通量測量方式，分別為側面T型熱電偶測量(左右各一對)和熱流探針。同時為驗證 冷凝板底面溫度推導是否準確，在冷凝板底面開槽處加裝10支K型熱電偶。表1示出了測量方式。
【權利要求】
1.一種用於熱流密度測量的裝置，包括: 內部中空的不鏽鋼管，管的一端為封閉端，另一端為開口端，在不鏽鋼管的側面上鑽有多個小孔，將多個熱電偶絲分別從多個小孔穿出，在熱電偶絲的穿出部分焊接金屬頭，管內的封閉端用矽膠作為填充材料，與熱電偶尾部相連接的各導線從不鏽鋼管的開口端分別引出，在不鏽鋼管內的非矽膠填充部分用氧化鎂填充絕緣密封。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，在不鏽鋼管的側面上距封閉端部為Omm，8mm, 16mm和24mm的位置上鑽有4個小孔,並且,小孔的直徑為1.5mm,開孔位置在一條直線上。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，各導線相互之間獨立不扭曲。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，金屬頭為銀質的，並且金屬頭的直徑為1_。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於，通過調節矽膠的填充程度來調節金屬頭的彈性。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，其為熱流密度計，並且其採用金屬旋緊件的連接方式進行安裝。
7.一種用於測量熱流密度的方法，包括: 提供測試本體，上下表面均經過機械拋光； 在測試本體上加工用於安裝測量裝置的測量孔； 使用熱電偶測量冷凝板下表面溫度； 試驗的熱量由布置在測量板下端的電加熱銅板產生； 試驗時使水箱內的水循環換熱； 通過流量計和閥門調節進口水的流量和出口水的流量並使其相等。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，測量板下表面於一定位置開矩形槽，槽道深1.5mm。
9.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，電加熱銅板厚度為20mm，功率為4.5KW。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，其還包括一塊額外的加熱板，其布置在所述電加熱銅板上。
【文檔編號】G01N25/20GK103728337SQ201210385917
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年10月12日 優先權日:2012年10月12日
【發明者】王燊, 韓立勇, 柳冠青, 王嘉鵬, 田芳, 趙瑞昌, 常華健 申請人:國核華清（北京）核電技術研發中心有限公司, 國家核電技術有限公司