CN103529074B - 一种测定周期性换热系数的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定周期性换热系数的实验装置，用于测定不同换热周期的传热系数。本装置包括：转动钢桶系统，气水系统，加热系统，喷嘴调节装置，和温度采集处理系统。本实验装置可以调节钢桶转速来改变冷却表面移动速度，实现不同的换热周期；更换不同喷嘴来实现不同冷却方式，调节气压水压改变冷却强度；喷嘴的调节装置可改变喷嘴的喷射角度、喷射高；本装置也可以模拟有内热源的周期冷却散热过程。

Description

一种测定周期性换热系数的实验装置

技术领域

本发明涉及测定不同周期性换热传热系数技术领域，具体是一种测定周期性换热系数的实验装置。

背景技术

在工业冷却处理过程中，换热系数的大小决定着冷却强度的大小，能够确定不同冷却水量，不同喷嘴喷射高度，不同喷射角度与换热系数的关系，对调节冷却强度有重要意义。对制定合理的冷却制度，提高产品质量有着决定性的作用。

周期性换热存在于工业生产间歇式冷却的生产流程中，即让被冷却工件一次通过排布好的冷却喷嘴，工件经过喷嘴时处于被冷却状体，当离开喷嘴喷射范围传向下一个喷嘴时处于非冷却或者回热的状态。例如在连铸二次冷却的过程中，钢坯在经过二次冷却区域时，钢坯被排布好的喷嘴一次冷却，在喷嘴之间的非冷却区域，钢坯的液芯会向外传热，让钢坯表面回温。周期性换热有着冷却均匀，工件热应力小的特点，测试不同换热周期、不同冷却强度的换热特性对喷嘴的排布、工件传送速度、气压水压设定等有重要指导意义。

目前周期性换热传热系数的测定大多采用加热钢板，水平移动喷嘴冷却，这种方法存在很大的局限性。首先由于钢板的几何特性不能很好的处理热应力，在冷却过程中很容易变形，每个钢板的冷却测试次数有限，更换频繁，费用高。其次无法连续喷射，只能往复式喷射，不符合周期性换热的顺次喷射的特点。以及用钢板式移动喷嘴方法无法自由调节喷射的角度，无法测定倾斜角度喷射的换热特性。另外钢板的散热边界为四个，钢筒式有两个，测试误差更小些。移动喷嘴的方法也与现实冷却条件相反，也存在不合理性。

在加热装置上，大多采用硅碳棒平行排列加热，在加热过程中钢板面上各点温度不相等，加热不均匀。

因此，在考虑测试费用，测试调节范围，测试精度的过程中，建立一个有效的周期性换热传热系数的测试装置对工业冷却生产中制定合理的冷却制度，提高产品质量有积极作用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种测定周期性换热系数的实验装置，它是一种转筒式周期换热装置，用来测试不同周期换热的热流量、换热系数，很好解决了周期性换热，冷却钢板变形，边界散热，无法连续冷却，喷射角度调整和设定内热源问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种测定周期性换热系数的实验装置，包括转动钢桶，及和转动钢桶连接的传动装置和调速装置，转动钢桶上方安装有喷嘴，所述喷嘴通过气路管道及水路管道分别和气源和水源连接，转动钢桶内安装有热电偶和加热装置，实验装置设置有温度信号收集装置，热电偶和温度信号收集装置电连接。

转动钢桶左右两侧分别安装左支撑桶和右支撑桶，左支撑桶和右支撑桶分别与转动钢桶通过卡具连接为一体，左支撑桶、转动钢桶和右支撑桶内部相互贯通，加热装置贯穿安装于左支撑桶、转动钢桶和右支撑桶内部；左支撑桶上安装温度信号收集装置，右支撑桶上安装有链条轮，右支撑桶的一侧安装有调速电机，调速电机通过链条与右支撑桶上的链条轮连接，通过调节电机转速来改变钢桶转速。

所述气源为气罐，所述气罐和空气压缩机连接，所述气路管道上设置有控制阀；气罐上设置有压力表和安全阀。

所述水源为安装于转动钢桶下方的蓄水箱，所述蓄水箱通过水泵和水路管道连接，水路管道上安装有控制阀。

所述转动钢桶贯穿安装于一个箱体的中部，所述箱体安装于蓄水箱的上方和蓄水箱相贯通；所述喷嘴通过喷嘴调节系统安装于转动钢桶上方的箱体内；所述喷嘴调节系统包括左侧喷嘴角度调节盘和右侧喷嘴角度调节盘共计两个喷嘴角度调节盘，两个喷嘴角度调节盘均套装于转动钢桶外，两个喷嘴角度调节盘分别连接有喷嘴高度调节支架，喷嘴安装于两个喷嘴高度调节支架之间、在两个喷嘴高度调节支架上上下移动调节喷嘴高度，沿喷嘴角度调节盘圆周均匀布置有喷嘴高度调节支架安装孔，通过将喷嘴高度调节支架安装于不同的安装孔上调节喷嘴的喷施角度。

所述加热装置由12根硅碳棒组成， 12根硅碳棒由四个支架盘支撑、防止断裂，12根硅碳棒贯穿安装于四个支架盘上、沿圆周方向排列，其中两个靠外侧的支架盘由硅碳棒支撑架支撑。在硅碳棒的两个支架盘处填充保温棉，减小轴向散热。温控系统控制目标加热温度，设定硅碳棒的加热个数。

右支撑桶右端的内壁沿圆周方向、径向均匀埋设有热电偶，埋设方法采用压片方法，首先在右支撑桶上打孔，然后将热电偶穿过小孔焊在右支撑桶外表面，最后用相同材料的小片在右支撑桶外表面将小孔盖住；埋设好的热电偶连线连接到温度信号收集装置上，温度信号收集装置再将温度信号无线发送到计算机处理系统上，进行运算处理，实时监控被冷却钢桶表面温变，通过反算法计算换热系数。

左支撑桶、右支撑桶与转动钢桶连接处采用耐高温材料密封。防止漏水。

左支撑桶和右支撑桶分别连接左桶支撑架和右桶支撑架，左桶支撑架和右桶支撑架及两个硅碳棒支撑架均安装于一个底盘上，底盘底部设置有转动轮。

所述转动钢桶配置有活动保温罩。

为了清楚地说明本发明测定周期性换热系数的实验装置的工作过程，可以将本发明装置分为下列几个系统组成：

——转动钢桶系统，由被冷却转动钢桶，左支撑桶，右支撑桶，传动装置，调速装置组成，卡具将钢桶，左支撑桶，右支撑桶固定连接，传动装置带动钢桶转动，调速装置调节钢桶转速。

——气水系统，由气路和水路组成，可以设定不同的气压水压，气水比。

——加热系统，对钢桶加热，并在冷却过程中当做内热源。

——温度采集处理系统，记录整个冷却过程钢桶的测温点的温度变化。

——喷嘴调节系统，调节喷嘴的喷射高度，喷射角度，喷射强度。

本发明装置中转动钢桶由于是圆柱形结构，很好地克服了热应力的形变问题，钢板冷却的形变较大，数次实验后形变严重，无法多次重复实验，而钢桶很好地解决此问题，能够多次重复实验。

本发明的转动调节系统由右支撑桶下方安装的调速电机、链条、调速系统组成，调速电机通过链条与右支撑桶上的链条轮连接，通过调速系统改变调速电机转速，进而改变钢筒的转速，调速电机调节范围广，转动平稳。

本发明的加热装置由12根硅碳棒、硅碳棒支撑架和温度控制系统组成，硅碳棒沿圆周方向排列，12根硅碳棒由硅碳棒支撑架支撑，防止弯曲断裂。在硅碳棒的两个支撑筒处填充保温棉，减小轴向散热。

本发明的加热装置与钢桶转动装置分离设置，一方面可以实现转动过程中的继续加热，给钢桶回温，模拟内热源，另一方面维护方便，更换钢桶、硅碳棒、热电偶时加热装置和钢桶互不干扰，拆卸方便。

本发明的温度采集处理系统由热电偶、温度信号收集装置、计算机处理系统组成。这种方法操作简单，可靠性高，更换热电偶方便。埋设好的热电偶连线连接到温度信号收集装置上，温度信号收集装置再将温度信号无线发送到计算机上，进行运算处理，实时监控被冷却钢桶表面温变，通过反算法计算换热系数。

本发明的喷嘴支架调节系统由左喷嘴角度调节圆盘、右喷嘴角度调节圆盘、喷嘴支撑架组成。左喷嘴角度调节圆盘安装在箱体左侧，与转筒同轴，右喷嘴角度调节圆盘安装在箱体右侧，与转筒同轴，两者上都设有支架固定螺栓孔，沿圆周方向设定12组螺栓孔。喷嘴支架可以沿周向调节喷射角度，喷嘴支撑架可以沿高度上下调节。

保温罩采用两半圆柱结构，内部铺设保温棉，下部设有底盘，可以滑动，保温效果好，更换维护方便。

附图说明

图1为本发明所述转动钢桶结构示意图。

图2-1和图2-2为本发明所述硅碳棒支撑架结构示意图。

图3为本发明所述热电偶周向排布结构示意图。

图4-1和图4-2为喷嘴支架调节系统结构示意图。

图5为箱体左视图。

图6为喷射调节示意图。

图7为本发明测定周期性换热系数的实验装置结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种测定周期性换热系数的实验装置，如图7所示，包括转动钢桶1，及和转动钢桶连接的传动装置和调速装置，转动钢桶上方安装有喷嘴2，所述喷嘴通过气路管道3及水路管道4分别和气源5和水源6连接，转动钢桶内安装有热电偶7和加热装置8，实验装置设置有温度信号收集装置9，热电偶和温度信号收集装置电连接。

如图1所示，转动钢桶左右两侧分别安装左支撑桶10和右支撑桶11，左支撑桶和右支撑桶分别与转动钢桶通过卡具12连接为一体，如图7所示，左支撑桶、转动钢桶和右支撑桶内部相互贯通，加热装置贯穿安装于左支撑桶、转动钢桶和右支撑桶内部；左支撑桶上安装温度信号收集装置，右支撑桶上安装有链条轮13，右支撑桶的一侧安装有调速电机14，调速电机通过链条15与右支撑桶上的链条轮连接，通过调节电机转速来改变钢桶转速。

如图7所示，所述气源为气罐，所述气罐和空气压缩机16连接，所述气路管道上设置有控制阀17；气罐上设置有压力表18和安全阀19。

如图7所示，所述水源为安装于转动钢桶下方的蓄水箱，所述蓄水箱通过水泵20和水路管道连接，水路管道上安装有控制阀21。

如图7所示，所述转动钢桶贯穿安装于一个箱体22的中部，所述箱体安装于蓄水箱的上方和蓄水箱相贯通；箱体结构如图5所示，箱体上开设有转动钢桶安装孔38，箱体上安装有水流量计39和气体流量计40，如图7、图4-1和图4-2所示，所述喷嘴通过喷嘴调节系统安装于转动钢桶上方的箱体内；所述喷嘴调节系统包括左侧喷嘴角度调节盘23和右侧喷嘴角度调节盘24共计两个喷嘴角度调节盘，两个喷嘴角度调节盘均套装于转动钢桶外，两个喷嘴角度调节盘分别连接有喷嘴高度调节支架25、26，喷嘴安装于两个喷嘴高度调节支架之间、在两个喷嘴高度调节支架上上下移动调节喷嘴高度，沿喷嘴角度调节盘圆周均匀布置有喷嘴高度调节支架安装孔37，通过将喷嘴高度调节支架安装于不同的安装孔上调节喷嘴的喷施角度。喷射调节示意图如图6所示。

如图7、图2-1、图2-2所示，所述加热装置由12根硅碳棒27组成， 12根硅碳棒由四个支架盘28支撑、防止断裂，12根硅碳棒贯穿安装于四个支架盘上、沿圆周方向排列，其中两个靠外侧的支架盘由硅碳棒支撑架29支撑。在硅碳棒的支架盘处填充保温棉，减小轴向散热。温控系统控制目标加热温度，设定硅碳棒的加热个数。

如图7、图3所示，右支撑桶右端的内壁沿圆周方向、径向均匀埋设有热电偶，埋设方法采用压片方法，首先在右支撑桶上打孔30，然后将热电偶穿过小孔焊在右支撑桶外表面，最后用相同材料的小片31在右支撑桶外表面将小孔盖住；埋设好的热电偶连线连接到温度信号收集装置上，温度信号收集装置再将温度信号无线发送到计算机处理系统上，进行运算处理，实时监控被冷却钢桶表面温变，通过反算法计算换热系数。

左支撑桶、右支撑桶与转动钢桶连接处采用耐高温材料密封。防止漏水。

如图7所示，左支撑桶和右支撑桶分别连接左桶支撑架32、33和右桶支撑架，左桶支撑架和右桶支撑架及两个硅碳棒支撑架均安装于一个底盘34上，底盘底部设置有转动轮35。

如图7所示，所述转动钢桶配置有活动保温罩36。

具体装配过程为：

按照图3埋设热电偶，将热电偶连接到温度信号收集器里，调节气压水压。

加热装置由12跟硅碳棒和硅碳棒支架盘组成，硅碳棒支撑架起到支撑排布硅碳棒，防止硅碳棒弯曲相互接触。硅碳棒的加热数目可以调节，用来模拟不同内热源的喷雾冷却。

图1是钢桶与支撑筒连接示意图，钢筒左支撑筒和钢筒右支撑筒分别支撑通过钢桶左卡具和钢桶右卡具与转动钢筒连接，避免了破坏钢筒结构影响传热。

如图4-1和图4-2所示，本发明装置喷嘴角度调节刻度盘上设有固定支架螺栓孔，全周设定了12个定位点，调节角度为30°，固定喷嘴支架。同样沿转动钢桶径向方向可以调节喷嘴到换热表面的距离，通过喷嘴调节高度支架调节喷射高度。

本发明装置可以测试无内热源静态喷雾冷却。过程如下，热电偶采用沿轴向排布，将钢筒加热到设定温度（100℃-1200℃），停止加热，设定好喷射角度，喷射高度，开始喷射冷却，温度记录装置记录钢筒表面温变，传送给温度处理系统，通过反问题推算热流量和换热系数。

本发明装置可以测试不同喷射高度不同喷射角度的喷雾冷却，通过喷嘴支架调节好喷射高度，通过喷嘴角度调节刻度盘来调节喷射角度，全周设定了12个定位点，调节角度为30°。

本发明装置可以测试周期性换热动态喷雾冷却。通过调节变速电动机的转速来调节钢筒的转速，不同的钢桶转速也就代表着不同的冷却表面移动速度，钢桶旋转一周的时间不同，对于某一固定的点来说，钢桶转动一周对于此点是一个冷却周期，因而转速不同就形成了不同的冷却周期。本装置的换热周期调节范围广，调节范围在1秒/转-10秒/转，相应表面移动速度在表面移动速度可以在0.6m/s-6m/s。

本发明装置可以测试有内热源的动态喷雾冷却，热电偶采用周向排布。通过调节加热硅碳棒的个数设定内热源的大小。保温罩对钢筒保温，通过加热装置将钢筒加热到设定温度，设定好气压水压随时准备喷射，撤走保温罩启动转送装置开始喷雾冷却，与此同时硅碳棒继续加热，形成周期性换热条件。

本发明装置可以设定内热源的大小，通过改变硅碳棒的加热个数来实现内热源的调节。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种测定周期性换热系数的实验装置，其特征在于，包括转动钢桶，及和转动钢桶连接的传动装置和调速装置，转动钢桶上方安装有喷嘴，所述喷嘴通过气路管道及水路管道分别和气源和水源连接，转动钢桶内安装有热电偶和加热装置，实验装置设置有温度信号收集装置，热电偶和温度信号收集装置电连接；转动钢桶左右两侧分别安装左支撑桶和右支撑桶，左支撑桶和右支撑桶分别与转动钢桶通过卡具连接为一体，左支撑桶、转动钢桶和右支撑桶内部相互贯通，加热装置贯穿安装于左支撑桶、转动钢桶和右支撑桶内部；左支撑桶上安装温度信号收集装置，右支撑桶上安装有链条轮，右支撑桶的一侧安装有调速电机，调速电机通过链条与右支撑桶上的链条轮连接，通过调节电机转速来改变钢桶转速；所述转动钢桶贯穿安装于一个箱体的中部，所述箱体安装于蓄水箱的上方和蓄水箱相贯通；所述喷嘴通过喷嘴调节系统安装于转动钢桶上方的箱体内；所述喷嘴调节系统包括左侧喷嘴角度调节盘和右侧喷嘴角度调节盘共计两个喷嘴角度调节盘，两个喷嘴角度调节盘均套装于转动钢桶外，两个喷嘴角度调节盘分别连接有喷嘴高度调节支架，喷嘴安装于两个喷嘴高度调节支架之间、在两个喷嘴高度调节支架上上下移动调节喷嘴高度，沿喷嘴角度调节盘圆周均匀布置有喷嘴高度调节支架安装孔，通过将喷嘴高度调节支架安装于不同的安装孔上调节喷嘴的喷施角度；

右支撑桶右端的内壁沿圆周方向、径向均匀埋设有热电偶，埋设方法采用压片方法，首先在右支撑桶上打孔，然后将热电偶穿过小孔焊在右支撑桶外表面，最后用相同材料的小片在右支撑桶外表面将小孔盖住；埋设好的热电偶连线连接到温度信号收集装置上，温度信号收集装置再将温度信号无线发送到计算机处理系统上，进行运算处理，实时监控被冷却钢桶表面温变，通过反算法计算换热系数。

2.如权利要求1所述的测定周期性换热系数的实验装置，其特征在于：所述气源为气罐，所述气罐和空气压缩机连接，所述气路管道上设置有控制阀；气罐上设置有压力表和安全阀。

3.如权利要求2所述的测定周期性换热系数的实验装置，其特征在于：所述水源为安装于转动钢桶下方的蓄水箱，所述蓄水箱通过水泵和水路管道连接，水路管道上安装有控制阀。

4.如权利要求3所述的测定周期性换热系数的实验装置，其特征在于：所述加热装置由12根硅碳棒组成，12根硅碳棒由四个支架盘支撑、贯穿安装于四个支架盘上、沿圆周方向排列，其中两个靠外侧的支架盘由硅碳棒支撑架支撑。

5.如权利要求1-4之任一所述的测定周期性换热系数的实验装置，其特征在于：左支撑桶、右支撑桶与转动钢桶连接处采用耐高温材料密封。

6.如权利要求5所述的测定周期性换热系数的实验装置，其特征在于：左支撑桶和右支撑桶分别连接左桶支撑架和右桶支撑架，左桶支撑架和右桶支撑架及两个硅碳棒支撑架均安装于一个底盘上，底盘底部设置有转动轮。

7.如权利要求6所述的测定周期性换热系数的实验装置，其特征在于：所述转动钢桶配置有活动保温罩。