CN102608156B - 污垢热阻及导热系数的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污垢热阻及导热系数的测量装置及方法，装置由恒温加热装置，容器，温度测量装置和计时器组成，恒温加热装置的温度恒温为T，将盛有质量为m的被加热液体的无污垢容器放入恒温加热装置加热，通过测量被加热液体的温度和由初温t₁加热至终温t₂的时间n，利用本发明推导的热阻计算公式就可算得热阻，再用带污垢的容器再做一次实验得到带污垢的热阻，有污垢时的热阻与无污垢时的热阻之差就是污垢热阻，污垢厚度与污垢热阻之比就是污垢的导热系数。本测量方法与装置简单、方便，测量结果可靠，重复性好。

Description

污垢热阻及导热系数的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种污垢热阻及导热系数的测量装置及方法。

背景技术

换热设备的污垢问题是日常生活和工业生产中一个普遍存在的问题，涉及各个领域。据调查，90%的换热设备都存在不同程度的污垢问题，尤其在工业冷却水系统中，污垢的存在给系统造成了严重的危害。首先污垢增加了传热热阻，降低了传热效率；其次污垢很容易造成沉积物下腐蚀，缩短热力设备的使用寿命；垢的存在还会使流通面积减小，增加流动阻力，影响设备的正常运行，增加泵的投资和功耗；此外，换热设备表面上垢的积聚，还会造成局部过热或超温而导致机械性能下降，引发事故。这些都将造成能源和资金的大量浪费，并加重环境污染。据统计，在一些高度工业化国家，换热设备污垢的消耗占国民生产总值的0.25％，美国仅炼油工业与污垢有关的费用就达13.6亿美元。

污垢热阻的测量与污垢防治密切相关，知道了污垢热阻和厚度就能算得污垢导热系数。污垢热阻的测量方法分为传热学法和非传热学法。

非传热学法主要是通过直接或者间接的方法测量污垢厚度，然后根据污垢的导热系数计算污垢热阻。这类方法有超声脉冲反射法、放射性技术、时间推移电影法、光学法等等，它们的缺点是污垢厚度测量误差较大或者方法复杂，成本很高；污垢导热系数数据难以获得或者不可靠，即使是单一成分的污垢导热系数不同文献的数据差别较大。

传热学法的典型代表是“HG/T2160 冷却水动态模拟试验方法”。该方法是在实验室条件下，在模拟换热器中用水蒸汽加热强制流动的冷却水。通过恒定蒸汽温度，测量冷却水进出口温度、冷却水流量等参数测出污垢热阻。该方法的主要缺点是设备复杂庞大，耗水甚至高达十吨；试验的工作量很大，试验的周期很长，一次试验至少要连续15天；测量结果重复性差。另外，由于污垢层的存在和强制流动，会使流速和表面粗糙度发生改变，有时导致局部对流换热系数增大，易造成污垢热阻小于零的假象。

发明内容

本发明是针对现在污垢热阻的测量工作量大、测量周期长、数据不可靠的问题，提出了一种污垢热阻及导热系数的测量装置及方法，测量装置简单、方便，测量结果可靠，重复性好。

本发明的技术方案为：一种污垢热阻及导热系数的测量装置，包括恒温加热装置，容器，温度测量装置和计时器，容器置于恒温加热装置中，温度测量装置中的传感器位于容器中被加热液体的中心点，或者用细长的传感器放在被加热液体中间，下端接近底部，计时器测量记录被加热液体的加热时间。

所述容器有盖，容器为薄壁，内径与厚度之比大于50。

所述被加热液体体积≥容器容积的60%，被加热液体的质量与其比热容的乘积/容器质量与其比热容的乘积≥5。

一种污垢热阻及导热系数的测量方法，包括污垢热阻及导热系数的测量装置，具体包括如下步骤：

1）将恒温加热装置的温度升至恒定的T，无污垢的容器内装入质量为m初始温度为t₁的被加热液体，放入恒温加热装置加热至终温t₂；用计时器测量被加热液体从初始温度t₁加热至终温t₂的时间n；传热面积A取为被加热液体浸润的容器内壁面积；用温度测量装置测得被加热液体的平均温度；

2）用同一容器使其结上一层污垢后，装入质量为m_f初始温度为t_1f的同一被加热液体，放入温度恒为T_f的同一恒温加热装置加热至终温t_2f；用计时器测量被加热液体从初始温度t_1f加热至终温t_2f的时间n_f；污垢面积与被加热液体浸润的容器内壁面积一致为A_f，传热面积取为A_f；用温度测量装置测得被加热液体的平均温度；m_f、A_f、T_f、t_1f、t_2f的数值可以与m、A、T、t₁、t₂相同，也可以相近；

3）将A、n、m、c、T、t₁、t₂代入                                               

式算得清洁状态的总传热热阻R_c；将A_f、n_f、m_f、c、T_f、t_1f、t_2f代入

式算得结垢状态的总传热热阻R_f；其中c为被加热液体比热容； 

4）再将步骤3）计算得到的R_c和R_f代入r _f  = R _f -R _c  即可求得污垢热阻r_f的值；

5）用公式λ=δ/r_f计算污垢导热系数，δ是污垢厚度，可直接测量获得，也可以用污垢质量、面积和密度算得。

本发明的有益效果在于：本发明污垢热阻及导热系数的测量装置及方法，测量装置简单、方便，测量结果可靠，重复性好。

附图说明

图1为本发明污垢热阻及导热系数的测量装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本原理如下：

污垢热阻r _f 可以通过下式计算确定：

 r _f  =1/K _f - 1/K _c  = R _f -R _c    （1） 

其中，K _c 为洁净状态下的总传热系数；K _f 为结垢状态下的总传热系数, R _c 为清洁状态的总传热热阻,R _f 为结垢状态的总传热热阻。

如果恒温加热装置的温度恒温为T，容器内盛有质量为m的被加热液体，总传热系数为K，总传热面积为A，从容器放入恒温加热装置开始，经n秒后温度由t ₁ 被加热至t ₂  ，则经dτ时间传递的热量dq为：

   （2）

如果向环境散发的热量和容器本身吸收的热量非常小，可忽略不计，则

      即 t= t ₁ +q/mc    （3）

（3）式代入（2）式可得：

     （4）

被加热液体比热容c在一定温度范围内也可看作不变，对上式积分并整理可得总传热热阻R：

   （5）                                         

由公式（5）可知，知道了m，c，A，T，t ₁ ，测量加热时间n和t ₂ 就能求得热阻R。显然如果m，c，A，T，t ₁ ，t ₂ 相同，而换热面沉积的垢量不同时，则加热时间n不同。因此，可以利用公式（5）可以分别测得在清洁状态和结垢状态下的总热阻R _c 和R _f ，将它们代入（1）式即可求得污垢热阻r _f 的值。应用公式（5）时，结垢状态时的m，A，T，t₁，t₂（分别记为m_f、A_f、T_f、t_1f、t_2f）可以与清洁状态时的m、A、T、t₁、t₂相同，也可以相近；污垢面积与被加热液体浸润的容器内壁面积一致，总传热面积A可以近似用被加热液体浸润的容器内壁面积计算。污垢导热系数λ=δ/r _f ，δ是污垢厚度，可直接测量获得，也可以用污垢质量、面积和密度算得。

如图1所示污垢热阻及导热系数的测量装置结构示意图，装置由恒温加热装置1，容器2及被加热液体，温度测量装置3和计时器4组成。计时器用于测量记录温度测量的时间段，可以接温度测量装置自动计时，也可以单独用秒表等计时装置人工计时。

容器2置于恒温加热装置1中，温度测量装置3中的传感器位于被加热液体的中心点，或者用细长的传感器放在被加热液体中间，下端接近底部，使其测得的温度是或者近似被加热液体的平均温度。

恒温加热装置1是恒温水浴锅，也可以是其它恒温加热装置。容器2是钢杯也可以是其它容器；被加热液体是水也可以是其它液体。容器2有盖，以减少向环境散发热量；（被加热液体的质量与其比热容的乘积）/（容器质量与其比热容的乘积）≥5；容器2是薄壁，内径与厚度之比大于50。

将恒温加热装置1的温度升至恒定的T，无污垢的容器2内装入质量为m初始温度为t₁的被加热液体，放入恒温加热装置1加热至终温t₂；用计时器4测量被加热液体从初始温度t₁加热至终温t₂的时间n。恒温加热介质可以是液体、气体或者蒸汽，当加热介质是液体时，其液位与被加热液体基本一致。传热面积A取为被加热液体浸润的容器内壁面积；用温度测量装置测得被加热液体的平均温度。 

用同一容器2使其结上一层污垢后，装入质量为m_f初始温度为t_1f的同一被加热液体，放入温度恒为T_f的同一恒温加热装置1加热至终温t_2f；用计时器4测量被加热液体从初始温度t_1f加热至终温t_2f的时间n_f。污垢面积与被加热液体浸润的容器内壁面积基本一致为A_f，传热面积取为A_f；当加热介质是液体时，其液位与被加热液体基本一致，用温度测量装置测得被加热液体的平均温度；m_f、A_f、T_f、t_1f、t_2f的数值可以与m、A、T、t₁、t₂相同，也可以相近。

将A、n、m、c、T、t₁、t₂代入（5）式算得清洁状态的总传热热阻R_c；将A_f、n_f、m_f、c、T_f、t_1f、t_2f代入（5）式算得结垢状态的总传热热阻R_f，再将它们代入（1）即可求得污垢热阻r_f的值。

用公式λ=δ/r_f计算污垢导热系数，δ是污垢厚度，可直接测量获得，也可以用污垢质量、面积和密度算得。

举例：试验前用电子天平称出钢杯的质量m为98.7克，测得钢杯壁厚为0.45mm，内径d为90.30mm。再用电子天平称取230克的自来水放入洁净的钢杯，测量水位高度，可算得钢杯被水浸润的容器内壁面积即传热总面积A=0.017m²。查得水的比热容c是4.2×10³ J/(kg·K)。将精确到0.1℃的温度测量装置的传感器插入水中央近底（以便测得温度近似容器内水的平均温度），测得水的初始温度t₁为26.3℃，封闭杯口，以减少试验过程中热量和质量的损失。将钢杯置于恒温水浴锅中，同时按下秒表计时。水浴锅水位与钢杯内水位基本相平，恒温水浴锅温度控制在50℃（±0.5℃），当杯内水的温度刚到达40℃时，停止计时。洁净状态下的测试数据见表1。

将A、m、c及表1中的平均时间等数据代入（5）式计算即可算得洁净状态下的总传热热阻R _c ：

R _c =

=3.41×10^-3(m²·K)/W

用同一只钢杯使其内壁均匀结一层碳酸钙垢，干燥恒重后称得垢重m_f为0.300g。测得污垢高度为4.72 cm，算得污垢面积A_f为0.020m²。钢杯中放入自来水与污垢高度基本一致，称得水的质量m=300g，传热面积A与污垢面积A_f基本一致。其余步骤与方法同上。两次试验环境条件大致相同。结垢状态下的测试数据见表2。

将A、m、c及表2中的平均时间等数据代入（5）式计算得：

R _f =

=3.78×10^-3(m²·K)/W

则污垢热阻为：

r _f =R _f －R _c =3.78×10^-3-3.41×10^-3=0.37×10^-3(m²·K)/W

根据以前测量结果或者查资料可得碳酸钙垢密度ρ是0.92g/cm³，再根据碳酸钙垢的质量、面积可算得碳酸钙垢导热系数为：

λ =δ/r _f =m _f  /(A _f ρr _f ) =0.0441 W/（m·K）

用传热学经典经验公式算得的洁净状态的总热阻为3.39×10^-3(m²·K)/W，与本发明测量值相对误差仅为0.6%。

Claims (1)

1.一种污垢热阻及导热系数的测量方法，包括污垢热阻及导热系数的测量装置，该装置包括恒温加热装置，容器，温度测量装置和计时器，容器置于恒温加热装置中，温度测量装置中的传感器位于容器中被加热液体的中心点，或者用细长的传感器放在被加热液体中间，下端接近底部，计时器测量记录被加热液体的加热时间，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

1）将恒温加热装置的温度升至恒定的T，无污垢的容器内装入质量为m初始温度为t₁的被加热液体，放入恒温加热装置加热至终温t₂；用计时器测量被加热液体从初始温度t₁加热至终温t₂的时间n；传热面积A取为被加热液体浸润的容器内壁面积；用温度测量装置测得被加热液体的平均温度；

2）用同一容器使其结上一层污垢后，装入质量为m_f初始温度为t_1f的同一被加热液体，放入温度恒为T_f的同一恒温加热装置加热至终温t_2f；用计时器测量被加热液体从初始温度t_1f加热至终温t_2f的时间n_f；污垢面积与被加热液体浸润的容器内壁面积一致为A_f，传热面积取为A_f；用温度测量装置测得被加热液体的平均温度，m_f、A_f、T_f、t_1f、t_2f的数值与m、A、T、t₁、t₂相同； 

3）将A、n、m、c、T、t₁、t₂代入                                               

式算得清洁状态的总传热热阻R_c；将A_f、n_f、m_f、c、T_f、t_1f、t_2f代入式算得结垢状态的总传热热阻R_f；其中c为被加热液体比热容； 

4）再将步骤3）计算得到的R_c和R_f代入r _f  = R _f -R _c   即可求得污垢热阻r_f的值；

5）用公式λ=δ/r_f计算污垢导热系数，δ是污垢厚度，直接测量获得，或用污垢质量、面积和密度算得。