CN103728337A - 测量物体内部热流密度的热流密度探针以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量物体内部热流密度的热流密度探针以及测量方法。具体地，提供了一种用于热流密度测量的装置，包括：内部中空的不锈钢管，管的一端为封闭端，另一端为开口端，在不锈钢管的侧面上钻有多个小孔，将多个热电偶丝分别从多个小孔穿出，在热电偶丝的穿出部分焊接金属头，管内的封闭端用硅胶作为填充材料，与热电偶尾部相连接的各导线从不锈钢管的开口端分别引出，在不锈钢管内的非硅胶填充部分用氧化镁填充绝缘密封。

Description

测量物体内部热流密度的热流密度探针以及测量方法

技术领域

本发明涉及能源动力领域的热流密度测量，更具体地，涉及一种用于测量物体内部热流密度的热流探针。本发明还涉及热流密度的测量方法。

背景技术

在能源动力领域的热流密度测量中，需要测量蒸汽在固体金属壁面上冷凝时进行热交换的换热量，进而可以对固体内部的热分布、热应力以及对流换热后的固体受热情况等进行分析。例如在核电站的非能动安全壳冷却系统中，利用钢制安全壳壳体作为传热表面，蒸汽在安全壳内表面冷凝并加热内表面，然后通过导热将热量传递至整个钢壳壳体。受热的钢壳外表面通过对流、辐射和物质传递（水蒸发）等热传递机制，通过外部的水和空气冷却。而对于安全壳壳内气体的复杂流动过程很难通过理论计算或者数值模拟的方法来研究钢制安全壳的热流密度和换热系数，所以必须采用在钢制安全壳壳内布置热流密度计的方法直接进行测量。

早在1914年人们就开始对热流测量进行了研究，当时德国的Henky教授测量通过啤酒厂内地板的热流，他用10 cm厚的软木板覆盖地板，测出软木板上下两面的温度差，再与软木板的导热系数做计算从而得出热流密度。目前，测量热流密度的方法和仪器较多，如专利200910021343.5给出一种用于测量反应堆冷却剂系统中存在管嘴的热流密度，其通过一根端部和侧壁开孔的铜管，通过既测量流体温度又测量管嘴温度梯度的方法实现了测量热流密度。专利200610009794.3提供了一种可以应用于高温、强电和强干扰的试验环境中，对于超高温电弧热流密度测量的装置。专利201110040573.3给出了一种燃料电池内部热流密度分布测量插片，其通过真空镀膜技术制作而成，可以达到实时测量热流密度的目的。专利200410014546.9给出了一种测量涂层导热系数的稳态复合平板法及其测量装置。

从测量热流密度的原理来看，上述方法和装置都是通过测量沿热流传递方向上的不同距离处的温度变化，并通过热流密度计算理论求出热流密度。根据应用的具体工况、条件等因素的不同就产生了多种形式形状的传感器。但由于核电站安全壳壳体内部温度变化复杂（尤其是在事故工况下），所以想要测量其内部的热流密度分布非常困难，尤其是再进一步去求局部换热系数，这样就更加困难，因为首先必须要确定每一个单点温度的准确性。对于复杂的核电站安全系统来说，以上的几种方法均不能适用。

在对大型容器或受热壁面内的热流密度进行准确测量中，测量热流密度的方法有两种，一种技术方案使用热流密度计进行局部的热流密度测量，进而推断整个平面的热流密度；第二种方法是通过冷却后的能量守恒来推测平均热流密度。

发明内容

本发明的热流探针是由多个热电偶组成的。由于本发明在热电偶的封闭端采用硅胶取代了传统的氧化镁作为热电偶的密封材料，这样可以使银质金属头具有弹性，保证了金属头可以与被测钢板两内壁的紧密接触。这样避免了空气的影响，也减少了传统测温方式中需填充硅油作为介质让热电偶和被测物体间接接触，以达到测量被测物体温度的目的。通过弹性金属头与被测物体的接触，准确的测量了被测物的温度，提高了测量的精确性，从而提高了测量热流密度的准确性。

工作时，通过采集不锈钢管内设置的多点热电偶的感知的被测物体内不同位置的温度，通过计算得到热流密度。在应用过程中所有的热电偶信号均通过实时数据采集系统进行温度的采集和计算，可在被测物体内部不同位置的温度发生变化的，得出该物体的热流密度变化。

通过所提供的描述将更明显看到本发明更多的适用领域。应当理解，本部分的描述和特定例子仅用于说明，并不限制本发明的范围。

附图说明

结合附图，通过本文提供的优选实施例，将能够更好地理解本发明。本文提供的附图只是为了说明目的，而不会限制本发明的范围，在附图中：

图1是本发明的热电偶结构图。

图2是本发明的热电偶接管安装示意图。

图3是本发明的热流密度计的安装示意图。

图4是本发明的热流密度的测试试验示意图。

图5是本发明的循环水工况下探针X热流误差。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述本发明的实施例。下列描述本质上仅仅是示例性的，并不限制本发明及其应用或使用。

本发明的热流探针由多个热电偶组成，例如由4个热电偶组成。参照图1，其示出了本发明的热电偶结构图。本发明通过精密机床加工出一根内部中空的不锈钢管，管的一端为封闭状态，另一端为开口状态。管的封闭端位于管的下部。在不锈钢管的侧面上距封闭端部为0mm，8mm，16mm和24mm的位置（位置精度在加工完后通过X光透视检定）上钻有四个直径为1.5mm的小孔，开孔位置均在一条垂直直线上。将4个T型热电偶丝分别从小孔穿出，在每根T型热电偶丝的穿出部分通过熔焊的方式焊接一个银质的金属头，金属头的直径在1mm左右。这样可以保证让金属头可以从不锈钢管外缩进管内。管内的下部均用硅胶作为填充材料，每支热电偶丝的金属头都可以和硅胶充分接触，保证金属头不会缩进管内，这样可以让偶丝具有弹性，并通过调节硅胶的填充程度来调节金属头的弹性。与热电偶尾部相连接的各导线从不锈钢管的开口端分别引出，相互间独立不扭曲，所述的不扭曲是指所有引出的导线不会相互扭曲，即不会互相缠绕，因此不会造成信号干扰。最后在不锈钢管内的非硅胶填充部分用氧化镁填充绝缘密封。

参照图2，其示出了本发明的热电偶接管的安装示意图。热流密度计采用金属旋紧件的连接方式进行安装。由于本应用的特殊性，是用在了两块钢板的位于下方的一块，使用了接管和焊接的方式在两块钢板的接合处进行了密封设计。在安装过程中，首先把接管安装焊接完成，再把规格例如为M20*1.5的金属旋紧件2安装在钢板1上，用于接管的密封和固定。当接管安装完毕后，将热电偶从接管内穿入，使得不锈钢管,不开口端部与钢板2的开孔底端紧密接触并基本平齐。再将热电偶上端的金属旋紧件1在接管的上端旋紧，完成安装。

参照图3，其示出了本发明的热流密度计的安装示意图。其中，安装套件由金属旋紧件1、金属旋紧件2、接管组成。首先把金属旋紧件2套在接管上，再用探针穿过金属旋紧件1并使其穿入接管内，然后旋紧金属旋紧件1。

本发明在不锈钢管的统一轴向上至少设置了两个或多个热电偶丝，使用时在测量被测钢板2壁面内轴向的温度梯度，再通过已知的温度梯度通过热流密度公式（1）计算得到钢板内的热流密度。

q=∧(T1-T2)/d    公式（1）

其中，∧--表示材料导热系数；T1--表示热表面的温度；T2--表示冷表面的温度；d--表示材料厚度（开孔的间距）；（T1-T2)/d为材料温度梯度。

参照图4，其示出了本发明的热流密度的测试试验示意图。热通量测量试验装置采用尺寸为400mm×200mm×20mm，厚度40mm的钢板作为试验的测试本体，上下表面均经过机械抛光，表面较光滑。钢板上加工安装热电偶、热流探针的测量孔，测量板的材料热导率为43.9W/（m·K）（不同批次钢材可能有所出入）。

测量板下表面在一定位置开矩形槽，槽道深1.5mm，对应位置安装固定K型热电偶测量冷凝板下表面温度。试验的热量由布置在测量板下端的电加热铜板产生，其厚度为20mm，功率为4.5KW，为了保证加热板加热的均匀性，或者说为了减少加热板加热时的不均匀性，减少加热板加热时的不均匀性，增加了一块厚度20mm的加热板，其布置在加热板上。试验时使水箱内的水循环换热，通过流量计和阀门调节进口水的流量和出口水的流量并使其相等。

试验采用两种热通量测量方式，分别为侧面T型热电偶测量（左右各一对）和热流探针。同时为验证冷凝板底面温度推导是否准确，在冷凝板底面开槽处加装10支K型热电偶。表1示出了测量方式。

表1 测量方式介绍

试验结果如图5所示。在循环水工况下，编号X测量热流同推算值符合较好，除个别工况点之外，其他均相差10%以内，优于SAB和SAB的测量结果。循环水工况下探针X的热流测量结果见图5。不同字母代表了加热功率的高低，H为高，M为中，L为低。从上面的对比可见，本发明具有明显的优势。

上面已经参照具体实施例详细描述了本发明，显然，在不脱离所附权利要求中所限定的本发明范围的情况下，可以进行更改和变化。更具体地，尽管本发明的一些方面在本文中被确定为优选的或者有利的，但是本发明不必限制于本发明的这些优选实施例。

Claims (10)

1.一种用于热流密度测量的装置，包括：

内部中空的不锈钢管，管的一端为封闭端，另一端为开口端，在不锈钢管的侧面上钻有多个小孔，将多个热电偶丝分别从多个小孔穿出，在热电偶丝的穿出部分焊接金属头，管内的封闭端用硅胶作为填充材料，与热电偶尾部相连接的各导线从不锈钢管的开口端分别引出，在不锈钢管内的非硅胶填充部分用氧化镁填充绝缘密封。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在不锈钢管的侧面上距封闭端部为0mm，8mm，16mm和24mm的位置上钻有4个小孔，并且，小孔的直径为1.5mm，开孔位置在一条直线上。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，各导线相互之间独立不扭曲。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，金属头为银质的，并且金属头的直径为1mm。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，通过调节硅胶的填充程度来调节金属头的弹性。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其为热流密度计，并且其采用金属旋紧件的连接方式进行安装。

7.一种用于测量热流密度的方法，包括：

提供测试本体，上下表面均经过机械抛光；

在测试本体上加工用于安装测量装置的测量孔；

使用热电偶测量冷凝板下表面温度；

试验的热量由布置在测量板下端的电加热铜板产生；

试验时使水箱内的水循环换热；

通过流量计和阀门调节进口水的流量和出口水的流量并使其相等。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，测量板下表面于一定位置开矩形槽，槽道深1.5mm。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，电加热铜板厚度为20mm，功率为4.5KW。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，其还包括一块额外的加热板，其布置在所述电加热铜板上。

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