CN102998333B - 一种表面传热系数的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体表面传热系数测量装置及方法，它包括一个以上流体表面传热系数感受装置、一个以上非介入式热敏体温度监测器、热电偶和数据处理器；每个所述流体表面传热系数感受装置包括红外加热器、置于该红外加热器光路上的热敏体和用于支撑所述热敏体的绝热支座，每个非介入式热敏体温度监测器一一对应地置于相应的热敏体的最大红外波段光散射区域内；所述热电偶、各所述红外加热器、各非介入式热敏体温度监测器分别与所述数据处理器电连接。本发明较现有对流传热系数测量方法结构合理，测量便捷，精度高。

Description

一种表面传热系数的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及表面传热系数测试技术，尤其是涉及一种可实现流体的无介入式表面传热系数测量装置及方法。

背景技术

自然界和工程中，因流体宏观运动造成内部冷、热组成相互掺混，从而产生热量传递的现象称为对流。对流传热有着重要的实际应用和理论背景，涉及地球物理、能源利用、工业安全等诸多领域。表面传热系数是表征对流传热效果的重要参数之一。现有表面传热系数的获得大致有分析法、实验法、比拟法和数值法，其中实验法获得较广泛的应用。不过，实验法往往需要相似理论的指导，最终获得的是与表面传热系数相关的特征数，实际计算时还需要预知流体的导热系数，所得结果的误差常常可达±20％，甚至±25％。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种测量精度得到提高的表面传热系数测量装置及方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明流体表面传热系数测量装置包括一个以上流体表面传热系数感受装置、一个以上非介入式热敏体温度监测器、热电偶和数据处理器；每个所述流体表面传热系数感受装置包括红外加热器、置于所述红外加热器的光路上的热敏体和用于支撑所述热敏体的绝热支座，每个非介入式热敏体温度监测器一一对应地置于相应的热敏体的最大红外波段光散射区域内；所述热电偶、各所述红外加热器、各非介入式热敏体温度监测器的信号输出端分别与所述数据处理器电连接；；所述热敏体的导热系数满足下式：

hV/Aλ≤0.1

上式中，h表示所述流体的表面传热系数，V表示热敏体的体积，A表示热敏体的表面积，λ表示热敏体的导热系数。

进一步地，本发明还包括计时器，所述计时器与所述数据处理器电连接。

进一步地，本发明所述热电偶、各所述热敏体和用于支撑所述热敏体的绝热支座均置于流体空间内。

进一步地，本发明所述流体空间的壁上设有光学窗口，所述光学窗口位于各红外加热器的光路和各所述热敏体因热原因释放的光路上。

使用本发明装置进行流体表面传热系数测量的方法包括如下步骤：

步骤(a)：将所述热敏体和热电偶置于流体内；

步骤(b)：首先利用热电偶测量流体的温度t_∞，而后利用所述红外加热器对热敏体进行加热，使热敏体的温度高于流体的温度t_∞；在停止对热敏体加热的同时，非介入式热敏体温度监测器开始工作，同时开始计时，并记录此时刻热敏体的温度t₀；待经过一时间间隔τ后，非介入式热敏体温度监测器停止工作，同时停止计时，并记录此时刻热敏体的温度t；数据处理器利用以下公式(Ⅰ)计算流体的表面传热系数h：

$h=-\ln \left(\frac{t-t_{\∞}}{t_0-t_{\∞}}\right)\×\mathrm{\ρcV}/\mathrm{A\τ}---\left(I\right)$

其中，V表示热敏体的体积，A表示热敏体的表面积，c表示热敏体的比热容，ρ表示热敏体的密度；

步骤(c)：数据处理器校核所得到的流体的表面传热系数h是否满足以下公式(Ⅱ)：

hV/Aλ≤0.1        (Ⅱ)

式(Ⅱ)中，h表示流体的表面传热系数，V表示热敏体的体积，A表示热敏体的表面积，λ表示热敏体的导热系数；

如果不满足公式(Ⅱ)，则选取具有更小体积和/或更高导热系数的热敏体，重复步骤(a)至(c)，直至所得到的流体的表面传热系数h满足公式(Ⅱ)。

与现有技术相比，本发明的优点是：在所需测量表面传热系数的流体系统外，设置非介入式的热敏体温度监测器和红外加热器，利用红外光可透射流体介质并传热的特性，首先加热流体系统内预置之热敏体至一定温度，待稳定后，停止加热，此时，热敏体温度的改变将依赖其自身的导热和外部流体的对流传热，借助热敏体温度监测器接收热敏体释放的红外波段光线，记录此过程温度变化，并用计时器记录时长，热电偶记录流体未受测量元件干扰部分的温度，获得热敏体因流体对流而发生的热量变化信息，从而得到对应流体的表面传热系数值。本发明结构合理，测量便捷，组成元件对流体的干扰少，可一定程度提高现有技术的测量精度。

附图说明

图1是本发明表面传热系数测量装置的结构示意图；

图中：1、流体表面传热系数感受装置，2、非介入式热敏体温度监测器，3、计时器，4、热电偶，5、数据处理器，6、流体空间，7、光学窗口，11、红外加热器，12、热敏体，13、绝热支座。

具体实施方式

图1所示为本发明一种表面传热系数测量装置的结构示意图。其中，本发明表面传热系数测量装置主要包括流体表面传热系数感受装置1、非介入式热敏体温度监测器2、计时器3、热电偶4和数据处理器5。

流体表面传热系数感受装置1至少有一个，所需使用的流体表面传热系数感受装置的具体数量可根据测量空间和对流体表面传热系数变化考察的范围而定，流体表面传热系数感受装置1的数量越多则对于测量空间表面传热系数变化的考察范围越大。一般，每个流体表面传热系数感受装置1包括红外加热器11、置于该红外加热器的光路上的热敏体12和用于支撑热敏体12的绝热支座13。各流体表面传热系数感受装置1之间的间距可根据所需表面传热系数的精度确定，间距越小，则所测表面传热系数越接近真实值。热敏体12是指由导热系数较大材料制成，同时具有较小几何尺寸的规则形状物体，例如可以是球形或圆柱形。

非介入式热敏体温度监测器2为一个以上，每个非介入式热敏体温度监测器2对应一个热敏体12，并且，每个非介入式热敏体温度监测器2一一对应地置于相应的热敏体12的最大红外波段光散射区域内。

各非介入式热敏体温度监测器2的信号输出端分别与数据处理器5的输入端电连接。各热电偶4、各红外加热器11也分别与数据处理器5电连接。非介入式热敏体温度监测器2是不与所测流体直接接触的温度测量设备，例如可以是Flir A320红外热像仪或红外温度计。数据处理器5用于收集测试数据并进行计算，例如可以是Agilent 34970A数据采集仪。

使用本发明表面传热系数测量装置时，通常将热电偶4、各热敏体12和用于支撑热敏体的绝热支座13均置于流体空间6内。并且，在流体空间6的壁上安装有光学窗口7，光学窗口7位于各红外加热器11发出的红外光光路和各热敏体12因热原因释放的红外光光路上，使得各红外加热器11所发出的红外波段光线的轴心能够穿过光学窗口7，从而与对应的热敏体12的中心对齐。绝热支座13通常由导热系数较小的材料制成，可保持热敏体12在流体空间6内保持静止。

鉴于热敏体所发射的红外波段光波长与其温度的正比例关系，以及热敏体在流体内的热传递过程仅基于自身导热和表面流体的对流传热，由能量守恒原理，本发明表面传热系数测量装置可以实现流体内定点位置表面传热系数的实时监测，能更直接和准确地获得所需流体空间的表面传热系数值。

本发明流体表面传热系数测量装置的工作原理是：鉴于热敏体由具有较高导热系数的材料制成，且几何尺寸较小，其所发生的温度变化过程近似于零维导热，即热敏体内近似有相同温度值。故此，热敏体的温度随时间的改变仅取决于自身导热系数及外部流体的表面换热系数。在一定时间间隔τ内，获得热敏体温度的初始值t₀和终了值t，流体未受干扰处的温度t_∞以及热敏体的体积V、表面积A、导热系数λ、比热容c、密度ρ等信息后，流体的表面传热系数h可利用下式得出：

$h=-\ln \left(\frac{t-t_{\∞}}{t_0-t_{\∞}}\right)\×\mathrm{\ρcV}/\mathrm{A\τ}$

其后，还需校核所得表面传热系数h是否满足式hl/λ≤0.1(其中，l＝V/A)，以确保测量过程符合零维导热理论。如不满足，则选取更小体积和/或更高导热系数材料制成的热敏体，重复上述测量，直至满足。

使用本发明测量装置时，如图1所示，将各热敏体12和热电偶4置于流体空间6内的流体内。通过流体空间6所开设的光学窗口7，各红外加热器11发射的光线照射到流体内的对应热敏体12上，并且，每个非介入式热敏体温度监测器2一一对应地置于相应的热敏体12的最大红外波段光散射区域内。作为优选方案，本发明测量装置可进一步将一计时器3与数据处理器5电连接。

工作时，首先利用热电偶4测量流体的温度t_∞(即流体未受干扰处的温度)，而后利用红外加热器11将热敏体12的温度提升，在热敏体12的温度高于流体的温度t_∞一定值后，停止对热敏体12的加热，同时，各非介入式热敏体温度监测器2和计时器3开始工作，并将此时(初始时刻)热敏体12的温度值标记为t₀；待τ时间间隔后，同步停止监测和计时，并将此时(终了时刻)热敏体12的温度值标记为t。结合热电偶4所测的流体未受干扰处的温度t_∞以及热敏体12的体积V、表面积A、导热系数λ、比热容c和密度ρ，流体的表面传热系数h可由数据处理器5利用以下式(Ⅰ)得出：

$h=-\ln \left(\frac{t-t_{\∞}}{t_0-t_{\∞}}\right)\×\mathrm{\ρcV}/\mathrm{A\τ}---\left(I\right)$

其后，数据处理器5校核所得到的流体的表面传热系数h是否满足以下式(Ⅱ)

hV/Aλ≤0.1        (Ⅱ)

式(Ⅱ)中，h表示流体的表面传热系数，V表示热敏体的体积，A表示热敏体的表面积，λ表示热敏体的导热系数。

如果流体的表面传热系数h满足式(Ⅱ)，则表明测量结果准确、可靠；如不满足，则选取具有更小体积和/或更高导热系数材料制成的热敏体，重复上述测量步骤，直至所测得的流体的表面传热系数h满足式式(Ⅱ)。

Claims (5)

1.一种流体表面传热系数测量装置，其特征在于：它包括一个以上流体表面传热系数感受装置(1)、一个以上非介入式热敏体温度监测器(2)、热电偶(4)和数据处理器(5)；每个所述流体表面传热系数感受装置(1)包括红外加热器(11)、置于所述红外加热器(11)的光路上的热敏体(12)和用于支撑所述热敏体(12)的绝热支座(13)，每个非介入式热敏体温度监测器(2)一一对应地置于相应的热敏体(12)的最大红外波段光散射区域内；所述热电偶(4)、各所述红外加热器(11)、各非介入式热敏体温度监测器(2)的信号输出端分别与所述数据处理器(5)电连接；所述热敏体的导热系数满足下式：

hV/Aλ≤0.1

上式中，h表示所述流体的表面传热系数，V表示热敏体的体积，A表示热敏体的表面积，λ表示热敏体的导热系数。

2.根据权利要求1所述的流体表面传热系数测量装置，其特征在于：还包括计时器(3)，所述计时器(3)与所述数据处理器(5)电连接。

3.根据权利要求1或2所述的流体表面传热系数测量装置，其特征在于：所述热电偶(4)、各所述热敏体(12)和用于支撑所述热敏体的绝热支座(13)均置于流体空间(6)内。

4.根据权利要求3所述的流体表面传热系数测量装置，其特征在于：所述流体空间(6)的壁上设有光学窗口(7)，所述光学窗口(7)位于各红外加热器(11)的光路和各所述热敏体(12)因热原因释放的光路上。

5.一种使用权利要求1或2的装置进行流体表面传热系数测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(a)：将所述热敏体(12)和热电偶(4)置于流体内；

步骤(b)：首先利用热电偶(4)测量流体的温度t_∞，而后利用所述红外加热器(11)对热敏体(12)进行加热，使热敏体(12)的温度高于流体的温度t_∞；在停止对热敏体(12)加热的同时，非介入式热敏体温度监测器(2)开始工作，同时开始计时，并记录此时刻热敏体(12)的温度t₀；待经过一时间间隔τ后，非介入式热敏体温度监测器(2)停止工作，同时停止计时，并记录此时刻热敏体(12)的温度t；数据处理器(5)利用以下公式(Ⅰ)计算流体的表面传热系数h：

$h=-\ln \left(\frac{t-t_{\∞}}{t_0-t_{\∞}}\right)\×\mathrm{\ρcV}/\mathrm{A\τ}---\left(1\right)$

其中，V表示热敏体的体积，A表示热敏体的表面积，c表示热敏体的比热容，ρ表示热敏体的密度；

步骤(c)：数据处理器(5)校核所得到的流体的表面传热系数h是否满足以下公式(Ⅱ)：

hV/Aλ≤0.1   (Ⅱ)

式(Ⅱ)中，h表示流体的表面传热系数，V表示热敏体的体积，A表示热敏体的表面积，λ表示热敏体的导热系数；

如果不满足公式(Ⅱ)，则选取具有更小体积和/或更高导热系数的热敏体，重复步骤(a)至(c)，直至所得到的流体的表面传热系数h满足公式(Ⅱ)。