第三章-热流计

2020/12/241量热技术和热物性测定第三章热流计2020/12/242传热的三种方式：导热、对流、辐射在流体输运等传质现象中，也有热量的传递热流密度：在某方向上，单位时间单位面积上传递的热量热流测量方式：接触式测量热流大小，用于导热传递热量对进出口温度和流量测量来计算热流，用于流动辐射热流计，用于辐射换热第三章热流计2020/12/243热流计是热能转移过程的量化检测仪器,目前大量应用在发电、炼钢、化工产品的分解与合成、建筑采暖、空调等热力过程的能耗检测与热能设施的安全保护检测中。应用于现场直接测量热流的热流计,最早出现在1914年。当时德国的Henky教授要测量通过啤酒厂内地板的热流,他用10cm厚的软木板覆盖地板,测出软木板上下两面的温度差,和软木板的导热系数从而计算出热流密度。是现在所用的热流计的雏型。第三章热流计1924年,Schmidt设计了由绕在橡胶带上的热电堆组成的带状热流计测头用来测量带有保温层的管道的热流密度。一般认为这是第一种实用的热流计。当前广泛应用的热阻式热流计一直沿用了热电堆传感器这一基本型式。2020/12/244热流计种类按照接收热流密度的方式分有两大类：接触式热流计和辐射式热流计。接触式热流计一般用于测量传导热流密度，在一定条件下，也可以认为是测量对流和辐射的热流总和。辐射式热流计一般用于接受辐射式热流密度，有时也有部分对流热流。按照测量原理分，有稳态导热式热流计和非稳态热流计。第三章热流计2020/12/245热阻式热流计原理：当有热流通过热流计测头时，在测头的热阻层上产生温度梯度，根据傅立叶定律得到热流密度。根据使用条件，选择不同的材料作为热隔层，以不同的方式测量温差，就能够成各种不同结构的热阻式热流计。第三章热流计——典型热流计xTq2020/12/246热阻式热流计薄板式以康铜箔做为金属片，两边镀上铜或银就形成一对温差热电偶，此温差和热流密度成比例，因此，测量的温差电动势也与热流密度成比例：C：热流计测头系数E：测头输出电势一般用于测量大热流密度。第三章热流计——典型热流计ECqT1T22020/12/247热阻式热流计薄板式金属热阻小，灵敏度低，不适合测量较小的热流密度。为了增大热阻，可以用导热系数较小的非金属材料做夹层。第三章热流计——典型热流计2020/12/248热阻式热流计热电堆式应用最广泛。为适应不同的需要，热阻层基板可以是橡胶、塑料、层压板、陶瓷片、空气层等。热电堆的制作可以用焊接、电镀、喷镀、电沉积等方法。第三章热流计——典型热流计2020/12/249热阻式热流计热电堆式应用最广泛。为适应不同的需要，热阻层基板可以是橡胶、塑料、层压板、陶瓷片、空气层等。热电堆的制作可以用焊接、电镀、喷镀、电沉积等方法。第三章热流计——典型热流计2020/12/2410热阻式热流计热电堆式应用最广泛。为适应不同的需要，热阻层基板可以是橡胶、塑料、层压板、陶瓷片、空气层等。热电堆的制作可以用焊接、电镀、喷镀、电沉积等方法。第三章热流计——典型热流计2020/12/2411热阻式热流计热电阻式在热阻层两边贴上薄膜热电阻或热敏电阻做成。利用电桥测量输出电压来测量热流密度。优点：只需很小的温度梯度就能产生较大的信号，对于测量低温气体产生的较小的对流传热或者其它小热流密度传热较理想。第三章热流计——典型热流计2020/12/2412热阻式热流计的标定由于热流计测头的制作工艺和材料性质的不一致，每个测头的系数都不可能完全一致，一般不能通过计算得到，只能通过标定来确定。测头标定时，测头系数是由通过测头本身的热流密度和测头输出的电势所决定的：标定时，必须要有一个稳定的具有确定方向的一维热流并能准确测定。热流计表面温度等温且可调。标定方法可分为：绝对法和比较法第三章热流计——典型热流计mVmWEqC22020/12/2413热阻式热流计的标定——绝对法保护热板法基于无限大平板的单向稳态传热原理第三章热流计——典型热流计保护板加热器主热板加热器冷板热流计测头保护板迷宫式冷板2020/12/2414热阻式热流计的标定——绝对法保护热板法调整加热器功率使主热板与保护板表面温度一致，在冷热板间建立起一维热流场。通过测量主加热器电功率和测头输出电势得到测头系数。第三章热流计——典型热流计保护板加热器主热板加热器冷板热流计测头保护板迷宫式冷板2020/12/2415热阻式热流计的标定——绝对法单试样保护热板法基本原理与双试样一样。测量时要使主热板底部的温度和底保护板温度相等。第三章热流计——典型热流计保护板加热器主热板加热器冷板保护板热流计测头底板加热器2020/12/2416热阻式热流计的标定——绝对法日本昭和式日本昭和电工株式会社建立的标定装置。采用与单试样保护法类似的原理与装置，但没有冷板。将测头一面贴在板面上，另一面直接暴露在空气中。此法标定易受外界条件变化的影响，且标定时热板热流由于测头存在引起扭曲，标定结果与保护法装置有一定差别。第三章热流计——典型热流计保护板加热器主热板加热器热流计测头底板加热器2020/12/2417热阻式热流计的标定——比较法把待标定底热流测头与经绝对法标定过的作为标准的热流测头一起，放在表面温度稳定的均匀的热板和冷板之间。利用标准热流测头确定待定热流测头的热流。其中b使用上下两个标准热流计，取其平均值作为待测热流计的热流，可减小边缘热损的影响。第三章热流计——典型热流计冷板热板标准热流计待定热流计ab2020/12/2418热阻式热流计的标定——比较法也可使用已知导热系数的标准试样，用其导热系数、厚度、温差推算热流密度。有三种主要布置方式。第三章热流计——典型热流计标准试样2020/12/2419热阻式热流计的标定——误差热量传递的精确测量相当困难，由于不存在象电绝缘体那样的热绝缘体，因此实验中的热损失难以控制。保护法：结构引起的原理性误差有间隙误差、不平衡误差、边缘误差。另外还有测量引起的实验误差，如加热量的测量误差、面积的测量误差、温度的测量误差等。总误差在3％左右第三章热流计——典型热流计比较法的边缘误差较大，另外还带入了标准测头的误差，因此总误差可达5％。2020/12/2420热阻式热流计误差分析1.热流计热阻材料导热系数与被测物体导热系数不同引起的误差。被测物导热系数大于测头时,热流稳定值大于实际值;反之,小于实际值。被测物导热系数越小,则测量偏差越小。2.热流计本身几何尺寸、结构对被测物体的影响。热流计越薄，热流值偏离越小，稳定越快。热流计边长越长，准确度越高，但随着边长的增加，增加程度迅速下降。3.与被测物体粘贴紧密程度对测量结果有一定影响。空气层对热流计达到稳定的时间有很大影响，用于动态测量会产生较大误差。但对于稳态测量影响不大。可使用性固导热胶或磁定器等。4.对流辐射的变化对热流测量会产生一定影响。第三章热流计——典型热流计2020/12/2421热阻引起的误差热阻式热流计测头安装方式有两种：埋入式和粘贴式。二者均会改变待测物体温度场及传热情况。原因：测头材料导热系数与待测物体导热系数不一致以及原有传热厚度改变而引起。第三章热流计——典型热流计212111ttq埋入21112020/12/2422热阻引起的误差热阻式热流计测头安装方式有两种：埋入式和粘贴式。二者均会改变待测物体温度场及传热情况。原因：测头材料导热系数与待测物体导热系数不一致以及原有传热厚度改变而引起。第三章热流计——典型热流计212111Rttq粘贴2111RRR：接触热阻2020/12/2423热阻式热流测头的时间响应对于埋入式可认为是稳定传热过程对于粘贴式由于增加了表面热阻，破坏了壁面传热，需要经历一个热传递的过渡状态才能进行读数。因此需要了解测头的响应时间。第三章热流计——典型热流计温度分布Tx2020/12/2424热阻式热流测头的时间响应实际工程使用一般分两种情况：一是测量保温层热流。由于保温材料导热系数很小，厚度相比较很大，因此热流计测头热阻可以忽略不计。即热流密度为常数。第三章热流计——典型热流计q＝定值txt12边界条件：ftt0qxtx00fttxtxftwt2020/12/2425热阻式热流测头的时间响应实际工程使用一般分两种情况：一是测量保温层热流。由于保温材料导热系数很小，厚度相比较很大，因此热流计测头热阻可以忽略不计。即热流密度为常数。第三章热流计——典型热流计q＝定值021002sin2cos41FnnnnniineXXBBT解为：020ifBFxXqttT其中无量纲参数为：ftwtn分别是特征方程的第n个正根n0iBctg0iBtg2020/12/2426热阻式热流测头的时间响应另一种是测量物外表为金属。此时可认为粘贴热流测头前后金属表面温度不变。第三章热流计——典型热流计壁温定值ftwttxt12边界条件：ftt0sttx00fttxtx2020/12/2427热阻式热流测头的时间响应另一种是测量物外表为金属。此时可认为粘贴热流测头前后金属表面温度不变。第三章热流计——典型热流计壁温定值ftwt021002sin2411FnnnniineXsosXBBT解为：020ifwfBFxXttttT其中无量纲参数为：2020/12/2428热阻式热流测头的时间响应工程中稳定判据：热流侧头表面（x=δ）处，时间为τ时的tτ－tf与真正稳定时的t－tf之比为0.99时，可认为基本达到稳定。第三章热流计——典型热流计2020/12/2429对流和辐射引起的误差热流计贴到表面后对流情况会发生改变。对于保温管，由于外壁面对流换热热阻相对较小，因此影响不大。辐射影响主要是由于测头和待测物体表面发射率不同而造成的。例：某保冷管道，管外空气30℃，管壁10℃，表面发射率ε1＝0.1，空气侧对流换热系数为10W/m2K，热流计表面发射率ε2＝0.9，计算热流计由于发射率不同造成的误差。未使用热流计：使用热流计：两者之间偏差约50％！第三章热流计——典型热流计24241015.211mWTTTq24241024.303mWTTTq2020/12/2430探头用水冷不锈钢制成。不锈钢探头前端有椭球形空腔，腔内一焦点上有一小孔，另一焦点上安装探测器，全部辐射热通过前面的小孔，经过一次、最多两次反射，到达探测器上，这是一种为了测量从立方角为2π球面度投射出的辐射热流量设计的。第三章热流计——典型热流计辐射式热流计——2π热流计2020/12/2431辐射式热流计——2π热流计第三章热流计——典型热流计原理：在探测器上装一根杆，杆前后两端焊有康铜线，形成温差热电偶。当探测器吸收辐射热升温后，热量将沿杆导热，在两焊点间形成温度梯度，此温差热电偶的输出就是从辐射孔进入的辐射热流量的函数。为了清除对流换热和燃气进入腔内，用少量氮气从尾部进入热流计吹扫内腔。为了不使热流计烧坏，还要用冷却水冷却。2020/12/2432辐射式热流计——圆箔式热流计是一种接受辐射热的热流计，热惯性小，稳定性好。其结构为一特殊热电偶。康铜箔上涂高吸收率涂层。热流密度q与热电偶输出E[mV]之间关系为：R：箔片半径；δ：箔片厚度；T0：时间常数第三章热流计——典型热流计E铜热沉体康铜箔204378.0RqE207.3RT温度分布2020/12/2433实际使用时可做成如图结构：为防止高温燃气对流换热对接收热流康铜板的影响，前面装单晶硅片。第三章热流计——典型热流计辐射式热流计——圆箔式热流计2020/12/