CN100565144C - 用热流检测流体流量、流体热量的方法及其应用装置 - Google Patents

Abstract

用热流检测流体流量、流体热量的方法及其应用装置，是用热流传感器检测流体通过管或壁面传到管或壁外的热量Q，根据流体换热的原理和计算式——在流体物性一定的条件下，密度、粘滞性等物性确定或只随温度变化，管或壁一定则其换热形状参数确定，换热量Q只与流体流速ω和流体与管或壁的温差Δt有关，Q＝F(流速ω、温差Δt)；从检测到的Q、Δt，依据检测管段或检测装置已有或标定的数学模型Q＝F(ω、Δt)，可以确定流体流速ω＝＝f(Q，Δt)，从而确定流量、确定流体热量。相对其他流量、热量的检测方法和仪器，具有高精度、低成本、稳定、不易损坏、简便的优势。

Description

用热流检测流体流量、流体热量的方法及其应用装置

技术领域：

本专利是检测流体流量、流体热量的一种方法，其应用装置就是测量流体流量的流量计和测量热流体(如采暖热水)、冷流体(如空调冷冻水)的焓值、焓差的热量计(简称流体热量计)。

背景技术：

现有的流量检测方法有：差压、电磁、超声波、涡轮、涡旋等，用热传递原理的热式质量流量计(Thermal Mass Flowmeter)有两种1.热分布式流量计(Thermal ProfileFlowmeter)，原理是：在管壁上电加热，由于管内流体流动传递热量将改变管壁的温度分布，检测温度分布的变化可测得流速。2.应用热耗散的“金氏定律——king’s law”的流量计Calorimetric Flowmeter，原理是：在管内插入电加热元件，由于流体流动传递热量将改变电加热元件的温度，检测温度的变化可测得流速。

热式质量流量计的特征：1.必须有直接对流体或管壁发热的发热体和发热控制机构；2.检测的参数是温度；3.现阶段还只能用于气体流体和微流量的液体，原因之一是液体的热量消耗大。

2004.9.6通过检索中国专利数据库——用 名称“热％流量计”检索到中、外申请的发明专利7项实用新型4项，检索美国专利数据库——用title“thermal”and title“flowmeter”检索2001～～2004年的专利检索到4项，检索中国流量网(Chinaflow.com.cn)列举的各国流量计产品与检测技术、检索各种供热网站、热计量网站，没有应用热流(不是温度)传感检测流体与管或壁的热量传递从而检测流体流量的方法和检测流体热量的方法；也没有相应的流量计、流体热量计。

现有的流量、流体热量检测方法、仪器都是应用：差压、电磁、超声波、涡轮、涡旋等原理和热分布与热耗散原理——传感环节较多和需要准确、稳定的较大量的电加热，从而稳定性和累积误差是其弱点，器件较多、制造困难、易损坏，维修困难，成本较高。现在工业与民用技术的发展迫切需要一种高稳定性、不易损坏、维修简单、成本低的——流量、流体热量检测新方法和新仪器。如国家改革采暖收费迫切需要的用户能够接受的低成本、高稳定性的采暖热水热量计、空调冷冻水热量计。根据资料的检测报告，现有的采暖热计量表都采用上述流量计加温度检测，除超声波外其他的使用半年后再检测都达不到要求。

发明内容：

用热流来检测流体流量、流体热量的方法是       用热流传感器检测流体通过管或壁面传到管或壁外的热量Q，根据流体换热的原理和计算式——在流体物性一定的条件下，密度、粘滞性等物性确定或只随温度变化，管或壁一定则其换热形状参数确定，流体与管或壁的换热量Q只与流体流速ω和流体与管或壁的温差Δt有关，换热量Q＝＝＝F(流速ω

温差Δt)；从检测到的Q依据检测管段或检测装置已有或标定的数学模型Q＝＝＝F(ω

Δt)，再辅以流体和(或)管或壁的温度或温差Δt检测，可以确定流体流速ω＝＝f(Q，Δt)，从而确定流量L(ω^*过流断面)、确定流体热量。

用热流来检测流体流量、流体热量的方法的优势在于：

1.机械流量计易磨损；电磁流量计会因为流体中杂有微量金属离子而失效，对流体洁净度要求高；超声波流量计对流态敏感，流态不同改变声波反射；这些对热流检测都没有影响。

2.热式质量流量计检测的是流体换热的表象结果——温度分布与变化；用热流来检测流体流量、流体热量是测量流体换热的过程——机制；两者是“果”与“因”的关系，根据自然科学的原理，越接近事物的起因越接近事物的本质。检测环节也越清晰、简化。

3.由于不存在对流体和管壁加热，没有大的电热量供给需要，因此可以测量包括液体、气体在内的流体。

4.各种流体、各种管道的流体换热计算式Q＝＝＝F(ω、Δt)——百年来在国际上经过各国众多的科学家研究、实验已有大量准确的现成公式、数学模型；规律清楚使检测装置的标定容易、准确、有规可循。

5.热流检测的传感器若放在管、壁外，与流体可不接触，可以不受到运动流体、化学流体的损坏、腐蚀；热流传感器灵敏度高、成本低、稳定性好、不易损坏、易维修、我国有自主知识产权——象ZL 02119510.2发明的热流传感器就是一段导线形成的热电堆，成本极低、不存在插件、器件，损坏可能性极小，保证了高度的稳定性。象200410034566.2专利发明的热流传感器就是用印制电路形成的热电堆，各方面性能更好。

附图说明：

图1是检测装置1示意图，左图是正视图，右图是侧视图。

图2是检测装置2示意图，左图是正视图，右图是侧视图。

图3是检测装置3示意图。

图中箭头线是流体流动的方向线。

具体实施方式：

方式1.用热流检测流体流量、流体热量的方法——及其一种应用检测装置

检测原理：流体通过管或壁面传到管或壁外的热量Q是由三个串联的过程组成，首先流体与管或壁的内面的对流换热量Q1，然后是管或壁内外面间的传导换热量Q2，然后是管或壁外面与环境的换热量Q3，Q3依据管或壁外面的环境的不同可以是传导换热、对流换热、辐射换热三者之一或者复合换热；由于是串联热流，因此Q＝＝Q1＝＝Q2＝＝Q3；可检测Q、Q1、Q2、Q3四者之一同时确定四者。

根据对流换热的牛顿公式：Q＝＝α*Δt    (0-3a式)

α——对流换热系数；Δt＝＝t_w-t_f——流体与管或壁接触的内面的温差。

t_w——管或壁内面的温度；t_f——流体温度。

α＝＝f(流速ω，t_w，t_f，管或壁的导热系数λ，流体比热c_p，流体密度ρ，流体容积膨胀系数β，流体动力粘度η，定形尺寸L，壁面几何形状因数Φ)      (3-2式)

根据热传导的Fourier公式：Q＝＝-λdt/dx                (1-7a式)

x——坐标；t——温度。

以上公式引自高等学校试用教材 传热学 1980.5月第一版  统一书号：15040.3822

注：流体力学和传热学的计算公式通常采用准则方程式，但对流换热准则方程式的函数关系可以归纳为：(3-2式)。

由以上公式可以知道，在流体物性一定的条件下，密度、粘滞性等物性确定，管或壁一定则其换热形状参数等确定，流体与管或壁的换热量Q只与流体流速ω和流体与管或壁的温差Δt有关，Q＝＝F(ω、Δt)。

检测方法：通过热流传感器检测到Q，辅以流体和(或)管或壁的温度或温差检测，可以确定Δt，流体流速ω＝＝f(Q，Δt)，解得ω可以确定流量L(ω^*过流断面)、确定流体热量(L*ρ*t_f)。

对热耗散设备的冷、热供水的检测：以空调、采暖散热器等为例，冷或热水经管道送(供)入散热器在散热器中吸热或散热后再经管道送回，由于冷或热量的散失，供、回水管的水温将有温差，分别将供、回水管的一段做成一面是换热平面的检测管段(检测装置1)——如图1所示，供水从进口管头[2]进入一段做成一面是换热平面的检测管段[1]从另一头[3]送出，水流在[1]中由于中间有一分隔(图中虚线)使水流在[1]中U形流动：回水从进口管头[4]经过[6]从[5]流出的过程和型式与供水相同。热流传感器[8]置于供、回水管的换热平面之间紧贴，由定位螺栓孔[7]夹紧，热流通过热流传感器[8]从热水面传到冷水面，通过热流传感器测得的Q值外还需要辅以流体和(或)管或壁的温度或温差检测，一个目的是要得到供、回水流体的温度、温差，一个目的是要由热量与温度、温差的关系算出流速ω＝＝f(Q，Δt)，也就是需要先计算流量；根据Q＝＝α*Δt    (0-3a式)Δt＝＝t_w-t_f，应检测t_w管或壁内面的温度，t_f流体温度(这类温度传感仪器已经有许多现成产品及检测方法，如热电偶、铂电阻等)；有了Q、Δt算出ω也就算出了流量。当然检测管段(检测装置1)与流量、热量Q、温度、温差Δt的函数关系应是标准的或经过标定的。

可见，用热流检测流体流量、流体热量的方法和此方法的应用实施仪器，在具备热流检测和温度、温差Δt检测的情况下，流速、流量、耗散热量、流体热流量的检测是四位一体的，也就是多功能的。

方式2.图2是检测装置2的示意图，从[1]到[8]的部件与检测装置1相同，区别在于供、回水管的接口位置换了90度，从而水在[1]中直接通过不需分隔和U形转弯。

方式3.一种单管流量和(或)热量检测方法与应用检测装置3：

对单独管道输送的流体，仍然可以在具备热流检测和温度、温差Δt检测的情况下，对流量、耗散热量、流体热流量进行检测。如图3所示，在一段专门设计制作的检测管段的管壁上贴上一块热流传感器[8]检测管内流体与管外环境的换热量Q，温度检测流体温度t0、管内壁温度t1和(或)管外壁温度t2(也是热流传感器内侧表面温度)、热流传感器外侧表面温度t3；由于热流传感器外的环境温度t4和环境换热机制(或传导或对流或辐射或复合)对热流传感器影响的结果是改变热流传感器外侧表面温度t3再进而影响热流，因此t3综合了环境因数，通过实验台检测标定流速与热量Q和上述温度的函数关系式或表，通过热量Q与上述温度的检测可以计算或查表确定流速，从而确定流量、热量。

方式4.间接检测t_w，进而确定Δt＝＝t_w-t_f的方法

t_w——管或壁内面的温度；t_f——流体温度。

注：由于绘图软件不能标下标数学式t_w、t_f，为了与图示符合又不改变引用的函数式，在此以t1、t0与t_w、t_f对应。

以图3为例，由于是串联热流，有Q＝＝Q1＝＝Q2＝＝Q3；

Q＝＝Q1＝＝α*Δt＝＝α*(t1-t0)         Q1流体与管、壁对流换热；

Q＝＝Q2＝＝-λdt/dx＝＝-λ(t2-t1)/dx    Q2通过管、壁的传导热；

t0流体温度，t1管或壁内面的温度或当量温度(对于强化换热面)，

t2管外壁面温度也是热流传感器内侧表面温度。dx管、壁厚度或当量厚度。

由于Q＝＝Q2＝＝-λ(t2-t1)/dx；Q可以通过热流传感器[8]测到；t2管外壁面温度也是热流传感器内侧表面温度，也容易测到；λ材料导热系数，dx管、壁厚度或当量厚度通过查材料表或实测也容易得到；因此：通过检测Q、t2：

t1＝＝T(Q，t2，λ，dx)可以算出，从而：

流速ω＝＝f(Q，t0，t2)。

由于Q，t0，t2的检测非常容易而且准确、精度高，相对其他流量、热量的检测方法和仪器，具有高精度、低成本、稳定、不易损坏、简便的优势。

Claims (1)

1.用热流检测流体流量、流体热量的方法，其特征是：用热流传感器检测流体通过管的内面传到管的外面的换热量Q，根据流体换热的原理和计算式——在流体物性一定的条件下，密度、粘滞性物性确定或只随温度变化，管壁面一定则其换热形状参数确定，换热量Q只与流体流速ω和流体与管的内面温差Δt有关——换热量Q＝F(ω、Δt)；用热流传感器检测到的换热量Q，再辅以流体温度t_f与管的内面温度t_w的温差Δt检测，依据检测管段标定的数学模型：换热量Q＝F(ω、Δt)，可以确定流体流速ω＝f(Q、Δt)，从而确定流体流量、流体热量。

Images