CN102520011A - 一种密相区传热系数测量装置及基于该装置的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种密相区传热系数测量装置，包括外管、内管、热电偶和出流管，所述外管一端封闭，另一端设置有端盖，所述内管穿过端盖设置于外管中间，内管置于外管内的一端靠近外管的封闭一端；所述出流管穿过端盖与外管的管内连通，出流管至少为两个，绕内管周边等距均匀排列；所述外管的外侧管壁上沿轴向设置有至少一个槽，所述槽中敷设热电偶。本发明根据要求通过旋转换热管调整热电偶方位，计算床层不同进深、换热管周向不同角度的换热系数。

Description

一种密相区传热系数测量装置及基于该装置的测量方法

技术领域

本发明属于测量仪器领域，具体涉及一种用于流化床密相区传热系数测量的装置及基于该装置的计算方法。 

背景技术

在电力、冶金、化工、建材等工业生产中，经常需要对大量固体粒子进行加热或冷却。例如在带有外置换热器的循环流化床中，埋管换热器埋设在外置床中。其一，通过埋管换热可以有效的减少尾部烟道的换热器布置数量、减小锅炉整体体积有利于锅炉向大容量、高参数发展；其二，埋管换热可以在锅炉负荷变化时更有效的调节床温、保持锅炉能在高效率状态下连续运行。如何有效地测量埋管换热器的换热系数，对于如何设计换热器形式起到至关重要的作用。 

目前还没有一种有效、统一的测量埋管换热器传热系数的仪器和方法。现有对研究埋管换热器传热系数的中，是将热电偶简单的贴在测量装置外表面上，这样就改变了测量空间热流场分布，流场的扰动对测量结果造成了较大误差。另一方面，现在应用的测量装置和方法，其管内流体介质流向为单向流动，即从一端流入从另一端流出，需将整个测量装置贯穿炉膛，这样在应用时就必须对所测设备进行较大改造，因此只能应用于小型试验台，而在大型试验设备中无法适用。 

发明内容

技术问题：本发明提供了一种精度高、适用范围广的密相区传热系数测量装置。 

技术方案：本发明的一种密相区传热系数测量装置，包括外管、内管、热电偶和出流管，所述外管一端封闭，另一端设置有端盖，所述内管穿过端盖并延伸至外管内，内管的一端置于外管内并与外管的封闭一端相邻；所述出流管穿过端盖与外管的管内连通，出流管至少为两个，绕内管周边等距均匀排列；所述外管的外侧管壁上沿轴向设置有至少一个槽，所述热电偶敷设在槽中。 

本发明中，槽为一个以上，多个槽在外管的圆管周向上均匀布设，各个槽的长度不等，其长度满足L_m+1＝L_m+L/M，m为槽由短至长的编号，m＝1，2，……，M；L为待测流化床的深度，L_m、L_m+1分别为m编号和m+1编号的槽的长度，M为槽的个数；所述热电偶与其所对应的槽长度相同。 

有益效果：本发明与现有的测量埋管换热系数的装置相比，具有以下优点： 

本发明装置的管内介质流动方式是由内管流入外管，从出流管流出，由于外管和内管 的出口设置在同一端，所以安装使用中不需要贯穿整个测量空间，有利于在大型工业设备中的测量，扩大了适用性。 

本发明的装置将热电偶嵌入管壁中的槽内，避免了对流场的扰动，减少了系统误差，提高了测量精度。同时，由于采用热电偶嵌入式布置，使其测量表面完整，扩大了适用性，可在多种工业领域的流化床设备中进行测量。例如，在一些床料具有腐蚀性的工业领域中，可通过在测量管表面喷涂防腐层以达到保护设备，保障测量顺利进行的目的。 

本发明测量装置在外管主体段轴向的外管壁上均匀布置一系列热电偶，可依次对不同进深、方向进行换热系数的测量，缩短了操作时间和操作强度，操作简单，安装方便，并且可以一次对多进深、多方向进行测量。 

本发明装置的热电偶采用多点布置，通过对不同位置的测量结果进行有效整合处理，提高了测量精度。同时，可以根据实验精度要求选择不同型号的测量装置，具有较大的灵活性。本发明装置的出流管均匀分布在内管周边，有利于提高对出流热流量计算的精度，也便于旋转操作。 

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图； 

图2为图1中细部A的结构示意图； 

图3为图1中B-B剖面结构示意图； 

图4为本发明装置的测量安装示意图； 

图5为图4中C-C剖面结构示意图； 

图6为本发明的四向四段式传热系数测量装置测量d段换热量时的安装位置图； 

图7为本发明的四向四段式传热系数测量装置测量c段换热量时的安装位置图。 

图中有：外管1、内管2、热电偶3、炉墙4、套管5、法兰6、固定法兰7、端盖8、出流管9、测点10、槽11。 

具体实施方式

本发明的一种密相区传热系数测量装置，包括外管1、内管2、热电偶3和出流管9，外管1一端封闭，另一端设置有端盖8，内管2穿过端盖8并延伸至外管1内，内管2的一端置于外管1内并与外管1的封闭一端相邻；出流管9穿过端盖8与外管1的管内连通，出流管9至少为两个，绕内管2周边等距均匀排列，以便于旋转操作及求取平均温度，出流管9数量与所需测量精度有关，数量越多则越有利于提高出流流体热值的测量精度。外管1的外侧管壁上沿轴向设置有至少一个槽11，当槽11为一个以上时，多个槽 11在外管1的圆管周向上均匀布设，各个槽11的长度不等，其长度满足L_m+1＝L_m+L/M，所述m为槽11由短至长的编号，m＝1，2，……，M；L为待测流化床的深度，L_m、L_m+1分别为m编号和m+1编号的槽11的长度，M为槽11的个数；热电偶3与其所对应的槽11长度相同。 

管内传热介质由内管2流入外管1中，从出流管8流出；热电偶3敷设在外管1外壁的槽11中；套管5固定在炉墙4中并与法兰6焊接，法兰6与外管1之间加入填料函起密封、保温作用。固定法兰7套在外管1外部，并可沿外管1轴向滑动调整位置，固定法兰7与法兰6通过螺栓连接并压实填料函，使其对外管1起径向支撑和密封作用。当松动固定法兰7与法兰6的连接时，可使外管1沿轴向移动，当紧固固定法兰7与法兰6的连接时，固定法兰7的内径收缩，可固定外管1。 

现以四向四段式传热系数测量装置为例，对本发明测量装置的结构做进一步说明。所谓的四向四段式是指将炉膛进深划分为四个等长度区域，测量装置热电偶布置为延周向四向布置即0°、90°、180°、270°布置，且长度分别为1/8床进深、3/8床进深、5/8床进深和7/8床进深。为得到与实际埋管换热器相近的换热系数，测量装置的外管尺寸应与所测埋管尺寸相同。外管1的外壁铣有四道长度方向不同的槽11，即0°、90°、180°和270°，长度分别为1/8床进深、3/8床进深、5/8床进深和7/8床进深。在铣槽内敷设热电偶3并填平槽道使管表面平整。 

本发明的装置使用时，根据所要测量的进深和角度，通过改变外管插进炉膛深度和方向调节热电偶3温度探头的位置，通过旋转外管调整热电偶的方位，逐段对所要测量的区域进行测量计算，得到换热系数。 

现以四向四段式传热系数测量装置为例，说明运用本发明的装置测量流化床四分区埋管周向侧端点换热系数的过程。将流化床进深划分为四段区域即a、b、c、d段，以每段中心位置的换热系数作为该段换热系数的平均值，要求测得a、b、c、d点埋管周向侧端的换热系数。具体操作方法及计算方法为： 

第一步：测量d段换热量。 

如图6所示，将换热器只旋进1/4长度并依次旋转90°测量0°、90°、180°和270°方向的管外侧温度；再根据换热管入流口和出流口的流体流量和温度计算出d段换热量： 

Q_d＝t_出口1c_pm_{出口1流量}+t_出口2c_pm_{出口2流量}+t_出口3c_pm_{出口3流量}+t_出口4c_pm_{出口4流量}-t_入口c_pm_入口流量

式中Q_d——d段换热量； 

c_p——定压比热容； 

t_出口i——出流管i流体介质温度，i＝1，2，3，4； 

m_出口i——出流管i流体介质质量流量，i＝1，2，3，4； 

d段各方向换热系数： 

d段平均换热系数： 

式中h_di——d段α°换热系数，α＝0°，90°，180°，270°； 

D_{换热管直径}——换热管外径； 

L_床进深——床进深； 

t_床温——床温； 

t_di——d段α°测量温度，α＝0°，90°，180°，270°； 

——d段平均换热系数； 

现在着重描述一下求取c段的换热系数。 

如图7所示。对c段进行换热系数的测量中需要用到d段求解的结果，这就是逐段求解的思想。如同d段先计算总的换热量，但此时的换热量变为c段和d段的总和，为确定c段的换热量须经以下计算： 

Q_c+d＝t_出口1c_pm_{出口1流量}+t_出口2c_pm_{出口2流量}+t_出口3c_pm_{出口3流量}+t_出口4c_pm_{出口4流量}-t_入口c_pm_入口流量

Q_c＝Q_c+d-Q_d

式中Q_c+d——c段与d段换热量总和； 

Q_c——c段换热量； 

从而可得c段换热管侧端换热系数： 

式中h_c90°——c段90°方向换热系数； 

t_c90°——c段90°方向测量温度； 

同理，可求hc0、hc180、hc270及平均换热系数。 

以此类推，先通过测量得到的现插入管段数总换热量，减去可根据公式求得的上一次插入管段数的每段换热量就可以得到新加入的测量段换热量，进而求的此段个方向换热系数。通过此方法可逐一求取b段、a段各方向换热性系数及平均换热系数。 

为了提高测量的准确性可适当增加热电偶的布置数量。 

通常情况下，只需测该层面总换热系数 

公式如下： 

式中 

——换热管平均换热系数； 

Q_a+b+c+d——a段、b段、c段和d段换热量总和； 

由上面方法归纳出具有普适性的计算方法： 

$Q_F=Q_{\underset{f=1}{\overset{F}{\mathrm{\Σ}}}f}-Q_{\underset{f=1}{\overset{F-1}{\mathrm{\Σ}}}f}$

式中Q_f—f段换换热量； 

F-床进深划分总段数； 

f-第f段； 

n——出流管总个数； 

k——第k个出流管； 

Φ——流体介质质量流量； 

M——槽的个数，也即外管上热电偶周向布置数； 

j——周向第j个角度； 

h_i，j——第i段，j方向换热系数。 

Claims (2)

1. 一种密相区传热系数测量装置，其特征在于，包括外管（1）、内管（2）、热电偶（3）和出流管（9），所述外管（1）一端封闭，另一端设置有端盖（8），所述内管（2）穿过端盖（8）并延伸至外管（1）内，内管（2）的一端置于外管（1）内并与外管（1）的封闭一端相邻；所述出流管（9）穿过端盖（8）与外管（1）的管内连通，出流管（9）至少为两个，绕内管（2）周边等距均匀排列；所述外管（1）的外侧管壁上沿轴向设置有至少一个槽（11），所述热电偶（3）敷设在槽（11）中。

2. 根据权利要求1所述的一种密相区传热系数测量装置，其特征在于，所述槽（11）为一个以上，多个槽（11）在外管（1）的圆管周向上均匀布设，各个槽（11）的长度不等，其长度满足L_m+1=L_m+L/ M，所述m为槽（11）由短至长的编号，m=1，2，……，M；所述L为待测流化床的深度，L_m 、L_m+1分别为m编号和m+1编号的槽（11）的长度，M为槽（11）的个数；所述热电偶（3）与其所对应的槽（11）长度相同。

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