CN102565125B - 一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于热力性能检测技术领域的一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统及应用。该集成检测系统由控制与数据采集系统和恒温小室构成。控制与数据采集系统一方面采集温度、电流、电能、电加热器输出功率和热流等数据，另一方面控制工作钢管和辅助性工作钢管的温度以及调节电加热器和辅助性电加热器的输出功率；恒温小室将试验管段温度保持在一定范围内。本发明的有益效果为：实现了对温度、电流、电能、电加热器输出功率和热流等参数的自动记录和自动控制，测试结果准确并具有较高的可靠性，有助于研究该类复合管道的传热过程和机理。
Description
技术领域
本发明属于热力性能检测技术领域，特别涉及一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统及应用。
背景技术
热力管道是集中供热系统输送热水、蒸汽等热媒的重要组成部分。近年来，国内外主流热力管道所输送热媒温度由150-250℃左右提高到600℃以上，蒸汽压力达到2.5Mpa以上，由于热力管道的热媒压力的增高和热媒温度的提升，高温热力管道设置空气层等复合保温层是提高管道保温性能、保证所输运热媒的热力参数、增强管道防腐性能的新技术。测定复合保温结构的热阻、导热系数等热力性能参数是衡量该类保温管道热力性能的主要依据。
在以往的供热工程管道热工性能测定中，保温结构的热阻是采用已有的材料物性数据来计算的方法间接获得，往往不能考虑为实现保温结构而采取的一些技术上的措施(如各种保温材料、管壳的接缝)以及材料物性差异、施工条件、质量等因素，对于含有空气层的复合保温结构的热阻尚无合理计算方法。且以往所采用的热力管道热力性能测试系统无法准确检测新型复合保温管道的保温结构整体保温性能和复合保温结构中各层实际热工性能。该传热过程应包括复合保温结构内固体保温材料固相导热以及保温材料内残留空气的导热、对流和辐射换热，以及空气层的导热、对流和辐射换热三部分，而检测复合保温结构内保温材料纤维和保温材料内残留空气、空气层三者的综合传热特性是真实地反映复合保温管道整体的保温性能，尤其是为了管道保温结构的优化、评价各型保温结构的性能、确定保温管的热损失的关键。从目前国内外公开报导的文献来看，仅见到各种材料物性测试装置以及墙体整体热工性能测试装置的报导，而未见到复合保温管道整体保温结构热阻测试装置的报导，特别是带有空气层、适用于热媒温度高达200-350℃及以上的复合保温管道整体保温结构热阻测试装置的报导。
发明内容
本发明针对上述缺陷公开了一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统，它由控制与数据采集系统和恒温小室构成；
所述控制与数据采集系统的结构如下：工业控制计算机分别连接打印机和RS232总线，RS232/485转换器分别连接RS232总线和RS485总线，RS485总线通过信号电缆分别与第1温度传感器-第48温度传感器、第1热流传感器-第16热流传感器、第1电量模块-第3电量模块和第1智能调节器-第3智能调节器连接；
第1温度传感器-第47温度传感器分别与第1热电偶-第47热电偶直接安装在一起，第48温度传感器与测量仪器直接安装在一起，第1热流传感器-第16热流传感器分别与第1热流计-第16热流计直接安装在一起；温度控制仪的一端分别连接第1温度传感器-第48温度传感器，另一端分别连接第1电量模块-第3电量模块；
所述恒温小室的结构如下：测试室位于内层、补偿围护结构位于外层，通风室位于测试室与补偿围护结构之间，制冷设备室位于补偿围护结构的右侧，控制室位于补偿围护结构和制冷设备室的下方；
测试管段沿测试室对角线方向布置于测试室中部，在测试管段上依次安装着第1热电偶-第47热电偶以及第1热流计-第16热流计；测量仪器位于测试室中，它由湿度计和热电偶组成；测量仪器与测试管段中轴线的距离不超过2-3m；
补偿围护结构与测试室的间距为0.3-0.5m；
通风室内风速为0.1～0.5m/s，风机分别通过两个空气电加热器与两个空气冷却器装配在一起，风机通过送风管道与测试室装配在一起，两个空气冷却器通过回风管道与测试室装配在一起；
制冷装置安装在制冷设备室内，制冷装置通过管道与电源和两个空气冷却器连接，控制台安装在控制室内。
所述测试室呈长方体形状，采用钢材加工而成，其内部尺寸为：(4±0.2)×(4±0.2)×(2.8±0.2)m；组成测试室的6个面的任意两面热阻相差不超过20％，测试室的每一个面分别由8个矩形小风道拼成；测试室的换气次数为0.02次/h；
所述补偿围护结构的6个面的传热系数不大于0.58W/(m2·K)；补偿围护结构由门和墙体密封而制成，补偿围护结构的门与墙体有相同的热阻；墙体均采用玻璃棉板制备，在补偿围护结构的天棚下吊玻璃棉板；送风管道和小风道共同构成送风系统；小风道的一端与送风管道相连，另一端为测试室的空气入口，每条小风道设置有面积可变的多孔板和蝶阀，多孔板和蝶阀采用法兰连接方式安装在小风道上。
所述测试管段的结构如下：两个辅助测试管段安装在测试管段主体的两端，辅助测试管段长度为1000mm，测试管段主体长度为2000mm；辅助测试管段与测试管段主体的结构相同，两者在径向上均分为五层，从内到外依次为：工作钢管、保温材料层、空气层、刚外护管和防腐层；在辅助测试管段工作钢管内安装辅助性电加热器，在测试管段主体工作钢管内安装第一电加热器、第二电加热器、第三电加热器和第四电加热器；第一电加热器、第二电加热器、第三电加热器和第四电加热器均与第1电量模块连接；第2电量模块和第3电量模块分别连接两个辅助测试管段的辅助性电加热器；第一电加热器、第二电加热器、第三电加热器和第四电加热器均与第1智能调节器连接，第2智能调节器和第3智能调节器分别连接两个辅助测试管段的辅助性电加热器；
测试管段主体上设置有第1测试截面和第2测试截面，第1测试截面距测试管段主体左端500mm，第2测试截面距测试管段主体左端1000mm；第1测试截面和第2测试截面均设置有温度测点和热流计测点。
所述第一电加热器与第二电加热器关于测试管段主体工作钢管横截面的竖直中心线对称，第一电加热器与第三电加热器关于测试管段主体工作钢管横截面的水平中心线对称，第一电加热器与第四电加热器关于测试管段主体工作钢管横截面的轴心对称，第一电加热器与第二电加热器的距离为dI，，第一电加热器与第三电加热器的距离为dJ；经过第一电加热器的轴心线与测试管段主体工作钢管的水平中心线的夹角为π/4；
第一电加热器、第二电加热器、第三电加热器和第四电加热器的长度均为2m，它们的最大功率均为1000w，它们在测试管段主体工作钢管的两端，第一电加热器、第二电加热器、第三电加热器和第四电加热器采用法兰盘与测试管段主体工作钢管固定在一起，法兰盘的直径与测试管段主体工作钢管的直径相同。
所述温度测点和热流计测点的布置情况如下：
第1测试截面的温度测点分布在第1测试截面的右半圆周内，在第1测试截面的工作钢管外表面、保温材料层外表面、刚外护管外表面和防腐层外表面上设置温度测点，当钢外护管采用直径为DN500及以上型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；钢外护管采用直径为DN500以下型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；在对第1测试截面的温度进行测量时，在第1热电偶-第47热电偶中任意选取28个热电偶或20个热电偶，将选取的这些热电偶分别安装在第1测试截面的温度测点上；
第2测试截面的温度测点分布在第2测试截面的左半圆周内，在第2测试截面的工作钢管外表面、保温材料层外表面、刚外护管外表面和防腐层外表面上设置温度测点，当钢外护管采用直径为DN500及以上型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；钢外护管采用直径为DN500以下型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；在对第2测试截面的温度进行测量时，在第1热电偶-第47热电偶中任意选取28个热电偶或20个热电偶，将选取的这些热电偶分别安装在第2测试截面的温度测点上；
第1测试截面的热流计测点分布在第1测试截面的左半圆周内，在第1测试截面的防腐层外表面上设置热流计测点，当钢外护管采用直径为DN500及以上型号管道时，在防腐层外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；当钢外护管采用直径为DN500以下型号管道时，在防腐层外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；
在对第1测试截面的径向热迁移量进行测量时，在第1热流计-第16热流计任意选取7个热流计或5个热流计，将选取的这些热流计分别安装在第1测试截面的热流计测点上；
第2测试截面的热流计测点分布在第2测试截面的右半圆周内，在第2测试截面的防腐层外表面上设置热流计测点，当钢外护管采用直径为DN500及以上型号管道时，在防腐层外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；当钢外护管采用直径为DN500以下型号管道时，在防腐层外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；在对第2测试截面的径向热迁移量进行测量时，在第1热流计-第16热流计任意选取7个热流计或5个热流计，将选取的这些热流计分别安装在第2测试截面的热流计测点上。
一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统的应用包括以下步骤：
1)使用第一电加热器、第二电加热器、第三电加热器和第四电加热器加热测试管段主体；
2)测试室采用空气作为热媒来实现供冷和供热调节：风机送风进入送风管道，两个空气冷却器和空气电加热器调节送风的温度，送风管道分别向天棚、四个竖壁和地面送风，送风方向分别为水平、竖直和水平方向，然后在地面实现水平回风，最后通过回风管道回到风机；测试室的空气温度和湿度采用测量仪器进行计量，若测试室空气温度高于环境温度，则开启空气冷却器降低送风温度；若测试室空气温度低于环境温度，则开启空气电加热器，最终使测试室空气温度等于环境温度；
利用多孔板和每一条风道上的蝶阀，调整测试室6个面的送风量，使测试室内每个方位的空气都具有同样的温度，提高测试室外侧的放热系数，从而提高了测试室内外的温度变化响应速度，缩短了测试室内温度达到恒定的时间；送风量恒定后，改变送风温度，使测试室内温度与环境温度的差值维持在±2℃；
3)控制与数据采集系统实现如下功能：
实现测试管段的工作钢管温度的自动控制，通过第1电量模块调节第一电加热器、第二电加热器、第三电加热器和第四电加热器的功率，经过第1智能调节器将流入测试管段的工作钢管温度控制在200℃、250℃或300℃；并通过第1热电偶-第47热电偶监测辅助测试管段工作钢管的温度，从而实现自动控制，通过第2电量模块和第3电量模块调节辅助性电加热器的电功率，利用第2智能调节器和第3智能调节器调节两个辅助测试管段工作钢管的温度Tnk2和Tnk3，使上述两者与测试管段主体工作钢管温度Tnk1相等，防止测试管段两端的轴向热损失。
第1温度传感器-第48温度传感器通过工业控制计算机控制，采用铂电阻测得测试管段上温度测点的温度信号，然后通过RS485总线、RS232/485转换器和RS232总线传递到工业控制计算机存储，并通过打印机输出；
第1电量模块通过工业控制计算机控制，将单位时间内电加热器的输出功率信号，通过RS485总线、RS232/485转换器和RS232总线传递到工业控制计算机存储，并通过打印机输出；
在测量测试管段的工作钢管的温度时，将第1热电偶-第47热电偶分别安装在两个辅助测试管段工作钢管和测试管段主体工作钢管外表面上，实时检测这些位置的温度信号，然后，根据两个辅助测试管段和测试管段主体的温度控制导热油加热装置内电加热器输入功率；
温度信号和电功率信号的实时采集工作，由控制与数据采集系统来完成；第1温度传感器-第48温度传感器采用可吸附在工作钢管上的铂电阻，主加热器由高稳定度的YJ-43型直流稳压电源供电，通过测量标准电阻标上的电压降值，计算出主加热器回路的电流，计算一段时间内的主加热器和辅助性加热器工作时消耗的功率，可推算出单位时间内测试管段的精确热损失值
第1热流传感器-第16热流传感器从第1热流计-第16热流计获得热流信号，RS485总线、RS232/485转换器和RS232总线将热流信号传递到工业控制计算机存储，并通过打印机输出。
本发明的有益效果为：
1)本发明适用于测试温度在550℃以下热力管道的各种保温结构的热阻，测试误差小于±5％；
2)控制与数据采集系统可实现全程全部测试参数自动控制和测试数据自动记录；
3)恒温小室的围护结构、供热供冷系统均经特别优化设计，保证测试管段所处环境恒温，环境温度误差不高于1℃，可准确分析和研究保温管道测试管段传热过程，模拟管道运行时所处的稳态工况，并保证测试数据的可靠性和最终研究结果的准确性。
4)本发明在温度和热流测点布置充分考虑并实现对含有空气层的复合保温结构的各层热阻的测量，并采取了针对300℃以上高温热媒工况时监测管道热损失，对比测量单位时间内电加热器输出热功率和通过热流计测得的热流；另一方面是获得沿测试管段防腐层外表面圆周方向热流的分布情况，以便于研究具有空气层的复合保温管道传热过程和机理。
附图说明
图1是控制与数据采集系统示意图，
图2是恒温小室结构示意图，
图3是工作钢管内电加热器的布置位置示意图，
图4是测试管段中选取的测试截面设计示意图，
图5是工作钢管外表面温度测点布置的结构示意图，
图6是保温材料层外表面温度测点布置的结构示意图，
图7是防腐层外表面温度测点布置的结构示意图，
图8是防腐层外表面热流测点布置的结构示意图。
具体实施方式
一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统由控制与数据采集系统和恒温小室构成；
如图1所示，所述控制与数据采集系统的结构如下：工业控制计算机分别连接打印机和RS232总线1，RS232/485转换器分别连接RS232总线1和RS485总线21，RS485总线21通过信号电缆8分别与第1温度传感器T1-第48温度传感器T48、第1热流传感器Q1-第16热流传感器Q16、第1电量模块DL1-第3电量模块DL3和第1智能调节器Trk1-第3智能调节器Trk3连接；
第1温度传感器T1-第47温度传感器T47分别与第1热电偶K1-第47热电偶K47直接安装在一起(与每个热电偶的两个热电极直接相连)，第48温度传感器T48与测量仪器10直接安装在一起(与测量仪器10中的热电偶的两个热电极直接相连)，第1热流传感器Q1-第16热流传感器Q16分别与第1热流计R1-第16热流计R16直接安装在一起(热流计的两个热电极与热流传感器直接相连)；温度控制仪的一端分别连接第1温度传感器T1-第48温度传感器T48，另一端分别连接第1电量模块DL1-第3电量模块DL3。
如图2所示，所述恒温小室的结构如下：测试室位于内层、补偿围护结构20位于外层，通风室位于测试室与补偿围护结构20之间，制冷设备室位于补偿围护结构20的右侧，控制室位于补偿围护结构20和制冷设备室的下方；
测试管段14沿测试室对角线方向布置于测试室中部，测试管段14置于特制的测试管段架上，架子与测试管段接触位置设置良好保温，避免在架子和测试管段的防腐层形成热桥。在测试管段14上依次安装着第1热电偶K1-第47热电偶K47以及第1热流计R1-第16热流计R16；测量仪器10位于测试室中，它由湿度计和热电偶组成；测量仪器10与测试管段中轴线的距离不超过2-3m；
补偿围护结构20与测试室的间距为0.3-0.5m；
通风室内风速为0.1～0.5m/s，风机18分别通过两个空气电加热器19与两个空气冷却器17装配在一起，风机18通过送风管道16与测试室装配在一起，两个空气冷却器17通过回风管道15与测试室装配在一起；
制冷装置安装在制冷设备室内，制冷装置通过管道5与电源和两个空气冷却器17连接，制冷装置为并联的两台2F6.3型压缩式制冷机，每台制冷机配有油分离器，两台压缩机上还有润滑油平衡管。其中一台制冷机配有调速电机，改变电动机转数及制冷剂运行台数，从而连续改变制冷量适应不同的试验工况需要。在空调工况下，制冷机制冷量应为6000kCal/h以上。电源(带有控制开关)和控制台安装在控制室内。
所述测试室呈长方体形状，采用钢材加工而成(以减少壁面材料的热阻)，其内部尺寸(长×宽×高)为：(4±0.2)×(4±0.2)×(2.8±0.2)m；组成测试室的6个面的任意两面热阻相差不超过20％，室内外无明显的气流交换，测试室的每一个面分别由8个矩形小风道拼成；测试室六个面的热阻相等，可以均匀冷却，地面有一定的承载能力；测试室的换气次数(换气次数＝每小时测试室送风量/测试室体积)为0.02次/h；
所述补偿围护结构20与测试室之间应由均匀的送排风系统使空气循环，补偿围护结构20的6个面的传热系数不大于0.58W/(m2·K)；补偿围护结构20由门和墙体密封而制成，补偿围护结构20的门与墙体有相同的热阻；墙体均采用玻璃棉板制备，在补偿围护结构20的天棚下吊玻璃棉板(玻璃棉板起保温隔热的作用，降低补偿围护结构通过天棚的热损失)；送风管道16和小风道共同构成送风系统；小风道的一端与送风管道相连，另一端为测试室的空气入口，每条小风道设置有面积可变的多孔板和蝶阀，多孔板和蝶阀采用法兰连接方式安装在小风道上。
如图4所示，所述测试管段14的结构如下：两个辅助测试管段安装在测试管段主体的两端，辅助测试管段长度为1000mm，测试管段主体长度为2000mm；辅助测试管段与测试管段主体的结构相同，两者在径向上均分为五层，从内到外依次为：工作钢管30、保温材料层31、空气层32、刚外护管33和防腐层34；辅助测试管段与测试管段主体的保温材料层的31的厚度相同(工作钢管30采用无缝钢管制造，作用为承受热媒压力并输送热媒；保温材料层31采用玻璃棉材料，作用为保温隔热；真空层32作用为提升保温材料层保温隔热效果和防腐；钢外护管33采用无缝钢管制造，作用为承受真空压力和土荷载；防腐层34采用三层pe，作用为防腐)。
如图3所示，在辅助测试管段工作钢管30内安装辅助性电加热器，在测试管段主体工作钢管30内安装第一电加热器J1、第二电加热器J2、第三电加热器J3和第四电加热器J4；第一电加热器J1、第二电加热器J2、第三电加热器J3和第四电加热器J4均与第1电量模块DL1连接；第2电量模块DL2和第3电量模块DL3分别连接两个辅助测试管段的辅助性电加热器；第一电加热器J1、第二电加热器J2、第三电加热器J3和第四电加热器J4均与第1智能调节器Trk1连接，第2智能调节器Trk2和第3智能调节器Trk3分别连接两个辅助测试管段的辅助性电加热器；
如图4所示，测试管段主体上设置有第1测试截面A和第2测试截面B，第1测试截面A距测试管段主体左端500mm，第2测试截面B距测试管段主体左端1000mm；第1测试截面A和第2测试截面B均设置有温度测点和热流计测点。
沿测试管段14轴向方向布置2个测试截面的作用一方面是布置足够多的温度测点，以便掌握复合结构径向方向传热机理；另一方面是测试过程中若产生沿测试管段轴向方向的热流，获得第1测试截面A和第2测试截面B的温度测点对比数据，便于在后续研究中分析轴向热流对保温管道传热过程的影响，使获得的传热机理研究成果更准确。
为了模拟管道工作时工作钢管内高温热媒，工作钢管需维持恒定的温度。测试过程中，测试管段工作钢管内空气需加热至300℃以上，因工作钢管空间的限制和热桥对测试结果的影响，工作钢管内不宜于设置搅拌空气等用于强化电加热器和工作钢管内空气换热的设施，采用4根长度为2m的不锈钢杆式电加热器：第一电加热器J1、第二电加热器J2、第三电加热器J3和第四电加热器J4，保证4个电加热器和工作钢管内空气均匀换热。
如图3所示，所述第一电加热器J1与第二电加热器J2关于测试管段主体工作钢管30横截面的竖直中心线对称，第一电加热器J1与第三电加热器J3关于测试管段主体工作钢管30横截面的水平中心线对称，第一电加热器J1与第四电加热器J4关于测试管段主体工作钢管30横截面的轴心对称，第一电加热器J1与第二电加热器J2的距离为dI，，第一电加热器J1与第三电加热器J3的距离为dJ；经过第一电加热器J1的轴心线与测试管段主体工作钢管30的水平中心线的夹角为π/4；
根据所选测试管段的工作钢管尺寸的不同，4根电加热器的间距dJ与工作钢管的直径的关系如下表。
表1 工作钢管内电加热器布置位置表
第一电加热器J1、第二电加热器J2、第三电加热器J3和第四电加热器J4的长度均为2m，它们的最大功率均为1000w，它们在测试管段主体工作钢管30的两端，第一电加热器J1、第二电加热器J2、第三电加热器J3和第四电加热器J4采用法兰盘与测试管段主体工作钢管30固定在一起，法兰盘的直径与测试管段主体工作钢管30的直径相同。
所述温度测点和热流计测点的布置情况如下：
如图5-图7所示，第1测试截面A的温度测点分布在第1测试截面A的右半圆周内，在第1测试截面A的工作钢管30外表面、保温材料层31外表面、刚外护管33外表面和防腐层34外表面上设置温度测点(图5-图7黑点所示)，当钢外护管33采用直径为DN500及以上型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；钢外护管33采用直径为DN500以下型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；在对第1测试截面A的温度进行测量时，在第1热电偶K1-第47热电偶K47中任意选取28个热电偶(当钢外护管33采用直径为DN500及以上型号管道时)或20个热电偶(当钢外护管33采用直径为DN500以下型号管道时)，将选取的这些热电偶分别安装在第1测试截面A的温度测点上；
第2测试截面B的温度测点分布在第2测试截面B的左半圆周内，在第2测试截面B的工作钢管30外表面、保温材料层31外表面、刚外护管33外表面和防腐层34外表面上设置温度测点，当钢外护管33采用直径为DN500及以上型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；钢外护管33采用直径为DN500以下型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；在对第2测试截面B的温度进行测量时，在第1热电偶K1-第47热电偶K47中任意选取28个热电偶(当钢外护管33采用直径为DN500及以上型号管道时)或20个热电偶(当钢外护管33采用直径为DN500以下型号管道时)，将选取的这些热电偶分别安装在第2测试截面B的温度测点上；
在进行第1测试截面A和第2测试截面B的温度测点布置时，保温材料31外表面、钢外护管33外表面、防腐层34外表面上温度因低于150℃，利用导热硅胶等具有良好贴附性的物质，使热电偶固定在相关的温度测点上。因工作钢管30的温度在300℃以上，为了防止因导热硅胶失效原因等造成热电偶的温度探头从工作钢管的温度测点上脱落，应采用预制的磁性温度探头的热电阻产品，利用温度探头的磁性吸附在工作钢管30表面温度测点上。
在测试管段14防腐层34外表面布置热流计的目的一方面是监测管道热损失，对比测量单位时间内电加热器输出热功率和通过热流计测得的热流；另一方面是获得沿测试管段14防腐层34外表面圆周方向热流的分布情况，以便于研究保温管道传热过程和机理。
第1测试截面A的热流计测点分布在第1测试截面A的左半圆周内，在第1测试截面A的防腐层34外表面上设置热流计测点，当钢外护管33采用直径为DN500及以上型号管道时，在防腐层34外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；当钢外护管33采用直径为DN500以下型号管道时，在防腐层34外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；
在对第1测试截面A的径向热迁移量进行测量时，在第1热流计R1-第16热流计R16任意选取7个热流计(当钢外护管33采用直径为DN500及以上型号管道时)或5个热流计(当钢外护管33采用直径为DN500以下型号管道时)，将选取的这些热流计分别安装在第1测试截面A的热流计测点上；
如图8所示，第2测试截面B的热流计测点分布在第2测试截面B的右半圆周内，在第2测试截面B的防腐层34外表面上设置热流计测点(图8三角形点所示)，当钢外护管33采用直径为DN500及以上型号管道时，在防腐层34外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；当钢外护管33采用直径为DN500以下型号管道时，在防腐层34外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；在对第2测试截面B的径向热迁移量进行测量时，在第1热流计R1-第16热流计R16任意选取7个热流计(当钢外护管33采用直径为DN500及以上型号管道时)或5个热流计(当钢外护管33采用直径为DN500以下型号管道时)，将选取的这些热流计分别安装在第2测试截面B的热流计测点上。
以下是本发明的相关设备参数列表
表1 本发明的设备参数列表
一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统的应用包括以下步骤：
1)使用第一电加热器J1、第二电加热器J2、第三电加热器J3和第四电加热器J4加热测试管段主体；
2)测试室可模拟管道运行时所处的稳态工况，测试室环境是准确分析和研究保温管道测试管段传热过程的保证，测试管段14所处环境恒温与否，直径影响到测试数据的可靠性和最终研究结果的准确性。
测试室采用空气作为热媒来实现供冷和供热调节：风机18送风进入送风管道16，两个空气冷却器17和空气电加热器19调节送风的温度，送风管道16分别向天棚、四个竖壁和地面送风，送风方向分别为水平、竖直和水平方向，然后在地面实现水平回风，最后通过回风管道15回到风机18；测试室的空气温度和湿度采用测量仪器10进行计量，若测试室空气温度高于环境温度，则开启空气冷却器17降低送风温度；若测试室空气温度低于环境温度，则开启空气电加热器19，最终使测试室空气温度等于环境温度；
利用多孔板和每一条风道上的蝶阀，调整测试室6个面的送风量，使测试室内每个方位的空气都具有同样的温度，提高测试室外侧的放热系数，从而提高了测试室内外的温度变化响应速度，缩短了测试室内温度达到恒定的时间(利用多孔板和每一条风道上的蝶阀，调整测试室6个面的送风量，使测试室内每个方位的空气都具有同样的温度)；送风量恒定后，改变送风温度，使测试室内温度与环境温度的差值维持在±2℃；
3)控制与数据采集系统实现如下功能：
准确测量测试管段14的径向热损失是研究其热工性能和传热原理的关键，因此测试过程中需保证所有的热量均由径向方向传递——一维传热，需消除测试管段14两个端部轴向的热损失。
实现测试管段14的工作钢管30温度的自动控制，通过第1电量模块DL1调节第一电加热器J1、第二电加热器J2、第三电加热器J3和第四电加热器J4的功率，经过第1智能调节器Trk1将流入测试管段14的工作钢管30温度控制在200℃、250℃或300℃(温度波动范围：±0.2℃)，与所模拟的高温热媒温度相同；并通过第1热电偶K1-第47热电偶K47监测辅助测试管段工作钢管30的温度，从而实现自动控制，通过第2电量模块DL2和第3电量模块DL3调节辅助性电加热器的电功率，利用第2智能调节器Trk2和第3智能调节器Trk3调节两个辅助测试管段工作钢管30的温度Tnk2和Tnk3，使上述两者与测试管段主体工作钢管30温度Tnk1相等，防止测试管段14两端的轴向热损失；
设置辅助性电加热器的目的，是为了保证被测试管段14端部沿本身的轴向损失可忽略不计，即保证所有的热量均向径向方向传递——一维传热。这是通过控制4个电加热器、辅助性电加热器的两表面的温差实现的。通过对4个电加热器输入恒定的功率，使其表面温度维持恒定不变——稳态。通过控制系统自动调节辅助性电加热器的输入功率，此时4个电加热器筒壁两端部可视为绝热的边界条件。装设在测试管段主体工作钢管30和辅助测试管段工作钢管30上的热电偶，实时地检测出两工作钢管表面的温度信号，该信号送入温度控制仪，通过触发控制系统中的第1电量模块DL1-第3电量模块DL3，即可实现辅助性电加热器输入功率的控制。
第1温度传感器T1-第48温度传感器T48通过工业控制计算机控制，采用铂电阻测得测试管段14上温度测点的温度信号，然后通过RS485总线21、RS232/485转换器和RS232总线1传递到工业控制计算机存储，并通过打印机输出；
第1电量模块DL1通过工业控制计算机控制，将单位时间内电加热器的输出功率信号，通过RS485总线21、RS232/485转换器和RS232总线1传递到工业控制计算机存储，并通过打印机输出；
在测量测试管段14的工作钢管30的温度时，将第1热电偶K1-第47热电偶K47分别安装在两个辅助测试管段工作钢管30和测试管段主体工作钢管30外表面上，实时检测这些位置的温度信号，然后，根据两个辅助测试管段和测试管段主体的温度控制导热油加热装置内电加热器输入功率；
温度信号和电功率信号的实时采集工作，由控制与数据采集系统来完成；第1温度传感器T1-第48温度传感器T48采用可吸附在工作钢管30上的铂电阻，主加热器由高稳定度的YJ-43型直流稳压电源供电，通过测量标准电阻标上的电压降值，计算出主加热器回路的电流，计算一段时间内的主加热器和辅助性加热器工作时消耗的功率，可推算出单位时间内测试管段的精确热损失值
第1热流传感器Q1-第16热流传感器Q16从第1热流计R1-第16热流计R16获得热流信号，RS485总线21、RS232/485转换器和RS232总线1将热流信号传递到工业控制计算机存储，并通过打印机输出。
本发明针对现有的热力管道热力性能测试系统无法准确检测新型复合保温管道，特别是含有空气层的复合保温结构整体保温性能，以及分别评价复合保温结构中各层实际热工性能问题，本发明提供一种可以检测具有空气层的高温热媒复合保温管道及其它复合管道热力性能的集成检测系统和应用方法。
Claims (4)
1.一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统，其特征在于，它由控制与数据采集系统和恒温小室构成；
所述控制与数据采集系统的结构如下：工业控制计算机分别连接打印机和RS232总线（1），RS232/485转换器分别连接RS232总线（1）和RS485总线（21），RS485总线（21）通过信号电缆（8）分别与第1温度传感器（T1）-第48温度传感器（T48）、第1热流传感器（Q1）-第16热流传感器（Q16）、第1电量模块（DL1）-第3电量模块（DL3）和第1智能调节器（Trk1）-第3智能调节器（Trk3）连接；
第1温度传感器（T1）-第47温度传感器（T47）分别与第1热电偶（K1）-第47热电偶（K47）直接安装在一起，第48温度传感器（T48）与测量仪器（10）直接安装在一起，第1热流传感器（Q1）-第16热流传感器（Q16）分别与第1热流计（R1）-第16热流计（R16）直接安装在一起；温度控制仪的一端分别连接第1温度传感器（T1）-第48温度传感器（T48），另一端分别连接第1电量模块（DL1）-第3电量模块（DL3）；
所述恒温小室的结构如下：测试室位于内层、补偿围护结构（20）位于外层，通风室位于测试室与补偿围护结构（20）之间，制冷设备室位于补偿围护结构（20）的右侧，控制室位于补偿围护结构（20）和制冷设备室的下方；
测试管段（14）沿测试室对角线方向布置于测试室中部，在测试管段（14）上依次安装着第1热电偶（K1）-第47热电偶（K47）以及第1热流计（R1）-第16热流计（R16）；测量仪器（10）位于测试室中，它由湿度计和热电偶组成；测量仪器（10）与测试管段中轴线的距离不超过3m；
补偿围护结构（20）与测试室的间距为0.3-0.5m；
通风室内风速为0.1～0.5m/s，风机（18）分别通过两个空气电加热器（19）与两个空气冷却器（17）装配在一起，风机（18）通过送风管道（16）与测试室装配在一起，两个空气冷却器（17）通过回风管道（15）与测试室装配在一起；
制冷装置安装在制冷设备室内，制冷装置通过管道（5）与电源和两个空气冷却器（17）连接，控制台安装在控制室内；
所述测试室呈长方体形状，采用钢材加工而成，其内部尺寸为：(4±0.2)×(4±0.2)×(2.8±0.2)m；组成测试室的6个面的任意两面热阻相差不超过20%，测试室的每一个面分别由8个矩形小风道拼成；测试室的换气次数为0.02次/h；
所述补偿围护结构（20）的6个面的传热系数不大于0.58W/（m2·K）；补偿围护结构（20）由门和墙体密封而制成，补偿围护结构（20）的门与墙体有相同的热阻；墙体均采用玻璃棉板制备，在补偿围护结构（20）的天棚下吊玻璃棉板；送风管道（16）和小风道共同构成送风系统；小风道的一端与送风管道相连，另一端为测试室的空气入口，每条小风道设置有面积可变的多孔板和蝶阀，多孔板和蝶阀采用法兰连接方式安装在小风道上；
所述测试管段（14）的结构如下：两个辅助测试管段安装在测试管段主体的两端，辅助测试管段长度为1000mm，测试管段主体长度为2000mm；辅助测试管段与测试管段主体的结构相同，两者在径向上均分为五层，从内到外依次为：工作钢管（30）、保温材料层（31）、空气层（32）、钢外护管（33）和防腐层（34）；在辅助测试管段工作钢管（30）内安装辅助性电加热器，在测试管段主体工作钢管（30）内安装第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器（J4）；第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器（J4）均与第1电量模块（DL1）连接；第2电量模块（DL2）和第3电量模块（DL3）分别连接两个辅助测试管段的辅助性电加热器；第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器（J4）均与第1智能调节器（Trk1）连接，第2智能调节器（Trk2）和第3智能调节器（Trk3）分别连接两个辅助测试管段的辅助性电加热器；
测试管段主体上设置有第1测试截面（A）和第2测试截面（B），第1测试截面（A）距测试管段主体左端500mm，第2测试截面（B）距测试管段主体左端1000mm；第1测试截面（A）和第2测试截面（B）均设置有温度测点和热流计测点。
2.根据权利要求1所述的一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统，其特征在于，所述第一电加热器（J1）与第二电加热器（J2）关于测试管段主体工作钢管（30）横截面的竖直中心线对称，第一电加热器（J1）与第三电加热器（J3）关于测试管段主体工作钢管（30）横截面的水平中心线对称，第一电加热器（J1）与第四电加热器（J4）关于测试管段主体工作钢管（30）横截面的轴心对称，第一电加热器（J1）与第二电加热器（J2）的距离为dI,,第一电加热器（J1）与第三电加热器（J3）的距离为dJ；经过第一电加热器（J1）的轴心线与测试管段主体工作钢管（30）的水平中心线的夹角为π/4；
第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器（J4）的长度均为2m，它们的最大功率均为1000w，它们在测试管段主体工作钢管（30）的两端，第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器（J4）采用法兰盘与测试管段主体工作钢管（30）固定在一起，法兰盘的直径与测试管段主体工作钢管（30）的直径相同。
3.根据权利要求1所述的一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统，其特征在于，所述温度测点和热流计测点的布置情况如下：
第1测试截面（A）的温度测点分布在第1测试截面（A）的右半圆周内，在第1测试截面（A）的工作钢管（30）外表面、保温材料层（31）外表面、钢外护管（33）外表面和防腐层（34）外表面上设置温度测点，当钢外护管（33）采用直径为DN500及以上型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；钢外护管（33）采用直径为DN500以下型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；在对第1测试截面（A）的温度进行测量时，在第1热电偶（K1）-第47热电偶（K47）中任意选取28个热电偶或20个热电偶，将选取的这些热电偶分别安装在第1测试截面（A）的温度测点上；
第2测试截面（B）的温度测点分布在第2测试截面（B）的左半圆周内，在第2测试截面（B）的工作钢管（30）外表面、保温材料层（31）外表面、钢外护管（33）外表面和防腐层（34）外表面上设置温度测点，当钢外护管（33）采用直径为DN500及以上型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；钢外护管（33）采用直径为DN500以下型号管道时，在上述任一表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个温度测点；在对第2测试截面（B）的温度进行测量时，在第1热电偶（K1）-第47热电偶（K47）中任意选取28个热电偶或20个热电偶，将选取的这些热电偶分别安装在第2测试截面（B）的温度测点上；
第1测试截面（A）的热流计测点分布在第1测试截面（A）的左半圆周内，在第1测试截面（A）的防腐层（34）外表面上设置热流计测点，当钢外护管（33）采用直径为DN500及以上型号管道时，在防腐层（34）外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；当钢外护管（33）采用直径为DN500以下型号管道时，在防腐层（34）外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；在对第1测试截面（A）的径向热迁移量进行测量时，在第1热流计（R1）-第16热流计（R16）任意选取7个热流计或5个热流计，将选取的这些热流计分别安装在第1测试截面（A）的热流计测点上；
第2测试截面（B）的热流计测点分布在第2测试截面（B）的右半圆周内，在第2测试截面（B）的防腐层（34）外表面上设置热流计测点，当钢外护管（33）采用直径为DN500及以上型号管道时，在防腐层（34）外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、π/6、0、-π/6、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；当钢外护管（33）采用直径为DN500以下型号管道时，在防腐层（34）外表面与水平方向夹角呈π/2、π/3、0、-π/3、-π/2方向各布置1个热流计测点；在对第2测试截面（B）的径向热迁移量进行测量时，在第1热流计（R1）-第16热流计（R16）任意选取7个热流计或5个热流计，将选取的这些热流计分别安装在第2测试截面（B）的热流计测点上。
4.一种高温空气复合保温管道热力性能集成检测系统的应用，其特征在于，它包括以下步骤：
1）空气电加热器（19）位于通风室内，且两个空气电加热器(19)连接于风机(18)的两端，风机(18)通过空气电加热器(19)与空气冷却器(17)装配在一起，风机(18)通过送风管道(16)与测试室装配在一起；在辅助测试管段工作钢管内安装辅助性电加热器，在测试管段主体工作钢管（30）内安装第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器(J4),第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器(J4)均与第1电量模块(DL1)连接；第2电量模块(DL2)和第3电量模块(DL3)分别连接两个辅助测试管段的辅助性电加热器；第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器(J4)均与第1智能调节器(Trk1)连接，第2智能调节器(Trk2)和第3智能调节器(Trk3)分别连接两个辅助测试管段的辅助性电加热器；所述第一电加热器（J1）与第二电加热器（J2）关于所述测试管段主体工作钢管内横截面的竖直中心线对称，第一电加热器（J1）与第三电加热器（J3）关于所述测试管段主体工作钢管横截面的水平中心线对称，第一电加热器（J1）与第四电加热器（J4）关于所述测试管段主体工作钢管横截面的轴心对称，第一电加热器（J1）与第二电加热器（J2）的距离为dI,,第一电加热器（J1）与第三电加热器（J3）的距离为dJ；经过第一电加热器（J1）的轴心线与测试管段主体工作钢管（30）的水平中心线的夹角为π/4；第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器（J4）在所述测试管段主体工作钢管两端，第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器（J4）用法兰盘与所述测试管段主体工作钢管（30）固定在一起，法兰盘的直径与测试管段主体工作钢管（30）的直径相同；
使用第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器（J4）加热测试管段主体；
2）测试室采用空气作为热媒来实现供冷和供热调节：风机（18）送风进入送风管道（16），两个空气冷却器（17）和空气电加热器（19）调节送风的温度，送风管道（16）分别向天棚、四个竖壁和地面送风，送风方向分别为水平、竖直和水平方向，然后在地面实现水平回风，最后通过回风管道（15）回到风机（18）；测试室的空气温度和湿度采用测量仪器（10）进行计量，若测试室空气温度高于环境温度，则开启空气冷却器（17）降低送风温度；若测试室空气温度低于环境温度，则开启空气电加热器（19），最终使测试室空气温度等于环境温度；
利用多孔板和每一条风道上的蝶阀，调整测试室6个面的送风量，使测试室内每个方位的空气都具有同样的温度，提高测试室外侧的放热系数，从而提高了测试室内外的温度变化响应速度，缩短了测试室内温度达到恒定的时间；送风量恒定后，改变送风温度，使测试室内温度与环境温度的差值维持在±2℃；
3）控制与数据采集系统实现如下功能：
测试管段（14）由两个辅助测试管段和测试管段主体组成，两个辅助测试管段安装于沿测试管段主体轴向方面的测试管段主体两端；
实现测试管段（14）的工作钢管（30）温度的自动控制，通过第1电量模块（DL1）调节第一电加热器（J1）、第二电加热器（J2）、第三电加热器（J3）和第四电加热器（J4）的功率，经过第1智能调节器（Trk1）将流入测试管段（14）的工作钢管（30）温度控制在200℃、250℃或300℃；并通过第1热电偶（K1）-第47热电偶（K47）监测辅助测试管段工作钢管（30）的温度，从而实现自动控制，通过第2电量模块（DL2）和第3电量模块（DL3）调节辅助性电加热器的电功率，利用第2智能调节器（Trk2）和第3智能调节器（Trk3）调节两个辅助测试管段工作钢管（30）的温度Tnk2和Tnk3，使上述两者与测试管段主体工作钢管（30）温度Tnk1相等，防止测试管段（14）两端的轴向热损失；
第1温度传感器（T1）-第48温度传感器（T48）通过工业控制计算机控制，采用铂电阻测得测试管段（14）上温度测点的温度信号，然后通过RS485总线（21）、RS232/485转换器和RS232总线（1）传递到工业控制计算机存储，并通过打印机输出；
第1电量模块（DL1）通过工业控制计算机控制，将单位时间内电加热器的输出功率信号，通过RS485总线（21）、RS232/485转换器和RS232总线（1）传递到工业控制计算机存储，并通过打印机输出；
在测量测试管段（14）的工作钢管（30）的温度时，将第1热电偶（K1）-第47热电偶（K47）分别安装在两个辅助测试管段工作钢管（30）和测试管段主体工作钢管（30）外表面上，实时检测这些位置的温度信号，然后，根据两个辅助测试管段和测试管段主体的温度控制导热油加热装置内电加热器输入功率；
温度信号和电功率信号的实时采集工作，由控制与数据采集系统来完成；第1温度传感器（T1）-第48温度传感器（T48）采用可吸附在工作钢管（30）上的铂电阻，主加热器由高稳定度的YJ-43型直流稳压电源供电，通过测量标准电阻标上的电压降值，计算出主加热器回路的电流，计算一段时间内的主加热器和辅助性加热器工作时消耗的功率，可推算出单位时间内测试管段的精确热损失值；
第1热流传感器（Q1）-第16热流传感器（Q16）从第1热流计（R1）-第16热流计（R16）获得热流信号，RS485总线（21）、RS232/485转换器和RS232总线（1）将热流信号传递到工业控制计算机存储，并通过打印机输出。
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