CN104062034A - 一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法，通过采集管道和外部环境参数，以及确定内部流体流速，将管道传热过程分为管道外壁与空气自然对流传热、管壁热传导、管道内壁与水的强制对流传热三个层次，建立管道径向传热模型后得出传热表达式，并对该表达式进行多次迭代计算，得出所需的管程内流体温度值。该方法实现了管程内流体温度的非接触测量，适用性好，在保证实时性的前提下，提高了测量精度和检测效率，可适用于各种情况下的管程内流体温度快速测量。

Description

一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法

技术领域

本发明涉及管程流体温度测量方法，尤其涉及一种基于管道径向传热模型和管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法，属于流体测量技术领域。

背景技术

流体温度作为工业、科研领域的一项重要参数，其准确、快速的测量对工业生产与过程控制有着举足轻重的作用。

常见的流体温度测量方法包括直接接触式测量和间接式测量。直接接触式测量方法如专利CN203452771U、CN102998000A等，将传感器与被测对象直接接触，采集被测流体的温度信息，完成直接温度测量过程。其方法简单、直接，测量准确，但破坏了原有管道封闭结构，增加了装置的复杂程度，成本较高，对被测装置的气密性与稳定性可能造成较大影响，在某些特殊环境下不能使用。间接式测量方法如专利CN102706465A、CN103674310A等，通过测量管道外壁或管道外壁辅助装置的温度，结合相关热传导模型反演计算出管道内部流体温度，其方法采用非接触方式进行测量，对被测装置不会造成任何影响，适用性强，测量装置简单、成本低，有利于装置智能化、集成化控制，但未考虑管程流体流速与初始温度对传热速率的影响，准确性不易控制。

上述具体专利对比文件和相关文献为：

1)、“一种可拆卸式管线测温装置”，专利号CN203452771U。该实用新型提供一种可拆卸式管线测温装置，测温包壳体的两端为变径接头，变径接头的另一端与连接法兰连接，测温包壳体表面有测温孔，测温孔中斜插测温杆，测温杆的斜插角度为45度，测温杆的斜插深度为40mm；连接法兰有法兰外径、法兰片内径和均布的4个螺栓孔:连接法兰的另一端连接油井管线。但该实用新型需要对被测对象进行拆解安装，不适用于管路不允许拆解的液压系统油温测量。

2)、“温度测量方法”，专利号CN102706465A。该发明公开了一种温度测量方法，包括以下过程:在容器外部贴附一层测量介质，测量容器外壁温度与介质外壁温度，结合所述容器材质及测量介质的热传导速率，根据模型计算容器内壁温度。该方法贴附测量介质对被测装置温度场影响大；测量的温度为容器内壁温度，与容器内部流体温度存在偏差；且对于圆形管道，热传导速率简单以热导率λ代替，误差较大。

3)、“一种基于油管表面温度测量的油温测量方法”，专利号CN103674310A。该发明涉及一种基于油管表面温度测量的油温测量方法，包括：测量管道外壁温度T_wb与空气温度T₀，确定管道内径d_i与管道外径d_o，根据测量模型： $T=T_{\mathrm{wb}}+\frac{[h_1+\mathrm{\σ\ϵ}(T_{\mathrm{wb}}^4-T_0^4)]d_w}{2{\mathrm{\λ}}_1\ln (d_w/d_n)}+\frac{[h_1+\mathrm{\σ\ϵ}(T_{\mathrm{wb}}^4-T_0^4)]d_w}{\mathrm{Nu}{\mathrm{\λ}}_2};$ 计算出当前油液温度。该模型未考虑管程流体流速与初始温度对传热速率h₁的影响，若选用的定性温度与实际温度偏差大于10℃时，测得温度相对误差将大于5％。

4)、静冈理工大学机械工学科的朱宁与中国科学技术大学的邱榕发表在2002年第1期《火灾科学》上的《利用超声波CT的容器内温度测量》，该文章基于FDM模拟超声波穿过装满水的铝管的传播过程。其实质是将温度分布图与超声波传播时间建立查表关系，管道参数一旦变化，该方法就无法使用；其次，其针对静止流体建模，模型对于流动流体必然存在误差；最后，其声称整个测定系统的测量误差不超过±2度，精度无法满足工程需要。

5)、武汉理工大学的姜洪舟、唐莹、李娟娟、周建与袁润章在2006年第4期的《辽宁石油化工大学学报》上的《微波加热体的水量热法测温装置》，该文章提出水量热瓶内有质量为m₁、温度为t₁₁的水，将质量为m₂的材料完全浸没在水中，平衡后温度为t₁₂。则可得被测样品温度t₂₀＝[(c₂₁t₂₁+c₁₁t₁₁-c₁₀t₁₀)m₂/m₁]/c₂₀。该方法用于管程流体温度测量时，所使用水量热瓶体积应足够容纳管道，在实际应用中难以实现。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种基于管道径向传热模型和流体流速基础上的非接触式管程流体温度测量方法，以满足管程流体的实时、准确测量要求。提高测量效率和测量方法的适用性。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法，其特征在于，具体步骤包括：A、采集管道参数与外部环境参数，确定内部流体流速与管道外壁温度，具体参数包括：空气温度T_o、管道外壁温度T_wo、管程流体流速u、管道内径d_i和管道外径d_o；B、将管道的传热过程分为管道外壁与空气的自然对流传热、管壁热传导、管道内壁与水的强制对流传热三个层次，建立管道径向传热模型；C、汇总上述三个层次的传热模型，得出传热表达式，计算管程流体温度；D、以计算得出的管程流体温度作为初始温度，对该传热表达式进行多次迭代计算，最终得出所需的管程内流体温度值。

所述步骤B中，根据管道外壁与空气自然对流传热过程建立管道外壁与空气自然对流传热模型，包括：当空气温度T_o≤150℃时，在管或圆筒壁保温层外，热导率h_o与管道外壁温度T_wo、空气温度T_o之间的关系为：

h_o＝9.4+0.052(T_wo-T_o)

管道外壁与空气自然对流传热的传热速率Q_o与管道外壁温度T_wo、空气温度T_o、传热面积A_wo、热导率h_o之间的关系为：Q_O＝h_oA_wo(T_wo-T_o)。

所述步骤B中，根据管壁热传导过程建立管壁热传导模型，包括：对于单层圆筒壁热传导速率Q_w与管道外壁温度T_wo、管道内壁温度T_wi、管道外径d_o、管道内径d_i之间的关系为：

$Q_w=\frac{(T_{\mathrm{wi}}-T_{\mathrm{wo}})}{\frac{1}{2\mathrm{\π\λL}}\ln (d_0/d_i)}.$

所述步骤B中，根据管道内壁与水的强制对流传热过程建立管道内壁与水的强制对流传热模型，包括：

当雷诺数Re与普兰特数Pr满足以下条件时，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Re}>10000\\ 0.7<\mathrm{Rr}<120\end{array}\right.$

管道内壁与管程流体的强制对流传热速率h_i采用Boelter关联式计算，

$h_i=0.023\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d_i}{\left(\frac{d_i\mathrm{u\&rho;}}{\mathrm{\&mu;}}\right)}^{0.8}{\left(\frac{C_p\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^n$

其中为d_i管道内径，λ为管程流体热导率，u为管程流体流速，ρ为管程流体密度，μ为管程流体流动黏度，C_p为管程流体定压比热容；当流体被加热时n＝0.4，被冷却时n＝0.3。

管道内壁与管程流体的强制对流传热的传热速率Q_i与强制对流传热速率h_i、管道内壁温度T_wi、管程流体温度T_i、管道内壁面积A_wi之间的关系为：

Q_i＝h_iA_wi(T_wi-T_i)。

所述步骤C中，汇总建立管道径向传热模型过程包括：

当管道处于稳态时：

Q_i＝Q_w＝Q_o

根据Q_o＝Q_w和Q_i＝Q_o，分别得出：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{wi}}=T_{\mathrm{wo}}-\frac{h_o{d}_o(T_o-T_{\mathrm{wo}})\ln (d_o/d_i)}{2\mathrm{\&lambda;}}\\ T_i=T_{\mathrm{wi}}-\frac{h_o{d}_o}{h_i{d}_i}(T_o-T_{\mathrm{wo}})\end{array}\right.$

合并后得出的管程流体温度传热表达式：

$T_i=T_{\mathrm{wo}}-[\frac{1}{h_i{d}_i}+\frac{\ln (d_o/d_i)}{2\mathrm{\&lambda;}}]\left[h_o{d}_o(T_o-T_{\mathrm{wo}})\right].$

所述步骤D具体包括：将计算得到的管程流体温度T_i作为初始温度，确定管程流体的黏度μ、密度ρ、定压比热容C_p、管程流体的热导率λ，计算传热速率h_i，

$h_i=0.023\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d_i}{\left(\frac{d_i\mathrm{u\&rho;}}{\mathrm{\&mu;}}\right)}^{0.8}{\left(\frac{C_p\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^n$

对管程流体温度传热表达式进行单步定常线性迭代计算，直到指定迭代步数N，输出管程流体温度T_i＝T_i(N)。

本发明基于管道外壁与空气自然对流传热、管壁热传导、管道内壁与水的强制对流传热三个层次，建立管道径向传热模型，再经汇总后形成管道径向传热表达式，实现了管程内流体温度的非接触式测量，基于管程内流体流速测量，使模型更加精确，相比已有的非接触式测量方法，在保证实时性的前提下，较大地提高了测量精度；相比接触式测量方法，在保证精度的前提下，提高了检测的效率，实现了管程内流体温度的非破坏性测量，具有实时性好、适应性强、操作简单的优点，可适用于各种情况下的管程内流体温度快速测量。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，不构成对本发明限制。在附图中：

图1是本发明所述一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法的结构流程图。

具体实施方式

根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域一般技术人员可以提出本发明的多个结构方式和制作方法。因此以下具体实施方式以及附图仅是本发明技术方案的具体说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

下面结合实施例及附图1对本发明作进一步详细的描述：

本发明所述的一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法，具体步骤包括：

步骤10、利用采集装置采集管道参数与外部环境参数，确定内部流体流速与管道外壁温度。具体参数包括：空气温度T_o、管道外壁温度T_wo、管程流体流速u、管道内径d_i和管道外径d_o。

步骤20、根据管道内流体传热特点，将管道传热过程分为管道外壁与空气的自然对流传热、管壁热传导、管道内壁与水的强制对流传热三个层次，建立管道径向传热模型。其中，

1、根据管道外壁与空气自然对流传热过程建立管道外壁与空气自然对流传热模型，包括：

当空气温度T_o≤150℃时，在管或圆筒壁保温层外，热导率h_o与管道外壁温度T_wo、空气温度T_o之间的关系为：

h_o＝9.4+0.052(T_wo-T_o)

管道外壁与空气自然对流传热的传热速率Q_o与管道外壁温度T_wo、空气温度T_o、传热面积A_wo、热导率h_o之间的关系为：

Q_O＝h_oA_wo(T_wo-T_o)

其中，传热面积A_wo＝πLd_o，L为管道长度，d_o为管道外径。

2、根据管壁热传导过程建立管壁热传导模型，包括：

对于单层圆筒壁内热传导速率Q_w与管道外壁温度T_wo、管道内壁温度T_wi、管道外径d_o、管道内径d_i之间的关系为：

$Q_w=\frac{(T_{\mathrm{wi}}-T_{\mathrm{wo}})}{\frac{1}{2\mathrm{\&pi;\&lambda;L}}\ln (d_0/d_i)}.$

3、根据管道内壁与水的强制对流传热过程建立管道内壁与水的强制对流传热模型，包括：

当雷诺数Re与普兰特数Pr满足以下条件时，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Re}>10000\\ 0.7<\mathrm{Rr}<120\end{array}\right.$

管道内壁与管程流体的强制对流传热速率h_i采用Boelter关联式计算，

$h_i=0.023\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d_i}{\left(\frac{d_i\mathrm{u\&rho;}}{\mathrm{\&mu;}}\right)}^{0.8}{\left(\frac{C_p\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^n$

其中为d_i管道内径，λ为管程流体热导率，u为管程流体流速，ρ为管程流体密度，μ为管程流体流动黏度，C_p为管程流体定压比热容；当流体被加热时n＝0.4，被冷却时n＝0.3。

管道内壁与管程流体的强制对流传热的传热速率Q_i与强制对流传热速率h_i、管道内壁温度T_wi、管程流体温度T_i、管道内壁面积A_wi之间的关系为：

Q_i＝h_iA_wi(T_wi-T_i)。

其中，传热面积A_wi＝πLd_i，L为管道长度，d_i为管道内径。

步骤30、汇总上述三个层次的传热模型，得出总的管道径向传热表达式，计算管程流体温度。

由于管道处于稳态时：

Q_i＝Q_w＝Q_o

根据Q_o＝Q_w和Q_i＝Q_o，以及上述步骤20得出的相关关系式，分别得出：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{wi}}=T_{\mathrm{wo}}-\frac{h_o{d}_o(T_o-T_{\mathrm{wo}})\ln (d_o/d_i)}{2\mathrm{\&lambda;}}\\ T_i=T_{\mathrm{wi}}-\frac{h_o{d}_o}{h_i{d}_i}(T_o-T_{\mathrm{wo}})\end{array}\right.$

合并后得出的管程流体温度传热表达式：

$T_i=T_{\mathrm{wo}}-[\frac{1}{h_i{d}_i}+\frac{\ln (d_o/d_i)}{2\mathrm{\&lambda;}}]\left[h_o{d}_o(T_o-T_{\mathrm{wo}})\right]---\left(1\right)$

其中，管程流体温度只与空气温度T_o、管道外壁温度T_wo、管道内径d_i和管道外径d_o、管道内壁与水的强制对流传热速率h_i和热导率h_o有关。

步骤40、以计算得出的管程流体温度作为初始温度，对管程流体温度传热表达式进行多次迭代计算，最终得出所需的管程内流体温度值。

其中，首先将计算得到的管程流体温度T_i作为初始温度，确定管程流体的黏度μ、密度ρ、定压比热容C_p、管程流体热导率λ，计算传热速率h_i，

$h_i=0.023\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d_i}{\left(\frac{d_i\mathrm{u\&rho;}}{\mathrm{\&mu;}}\right)}^{0.8}{\left(\frac{C_p\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^n$

对上述表达式(1)进行单步定常线性迭代计算，直到指定迭代步数N，输出管程流体温度T_i＝T_i(N)，以非接触方式结合管道外壁温度测量的管程流体温度测量完成。

上述方式避免了对管道的破坏，提高了测量过程的适用性，同时，结合三层次传热模型的构建，使管程内流体温度测量更准确、直接、可靠。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法，其特征在于，具体步骤包括：

A、采集管道参数与外部环境参数，确定内部流体流速与管道外壁温度，具体参数包括：空气温度T_o、管道外壁温度T_wo、管程流体流速u、管道内径d_i和管道外径d_o；

B、将管道的传热过程分为管道外壁与空气的自然对流传热、管壁热传导、管道内壁与水的强制对流传热三个层次，建立管道径向传热模型；

C、汇总上述三个层次的传热模型，得出传热表达式，计算管程流体温度；

D、以计算得出的管程流体温度作为初始温度，对该传热表达式进行多次迭代计算，最终得出所需的管程内流体温度值。

2.根据权利要求1所述的一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法，其特征在于，所述步骤B中，根据管道外壁与空气自然对流传热过程建立管道外壁与空气自然对流传热模型，包括：

当空气温度T_o≤150℃时，在管或圆筒壁保温层外，热导率h_o与管道外壁温度T_wo、空气温度T_o之间的关系为：

h_o＝9.4+0.052(T_wo-T_o)

管道外壁与空气自然对流传热的传热速率Q_o与管道外壁温度T_wo、空气温度T_o、传热面积A_wo、热导率h_o之间的关系为：

Q_O＝h_oA_wo(T_wo-T_o)。

3.根据权利要求1所述的一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法，其特征在于，所述步骤B中，根据管壁热传导过程建立管壁热传导模型，包括：

对于单层圆筒壁热传导速率Q_w与管道外壁温度T_wo、管道内壁温度T_wi、管道外径d_o、管道内径d_i之间的关系为：

$Q_w=\frac{(T_{\mathrm{wi}}-T_{\mathrm{wo}})}{\frac{1}{2\mathrm{\&pi;\&lambda;L}}\ln (d_0/d_i)}.$

4.根据权利要求1所述的一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法，其特征在于，所述步骤B中，根据管道内壁与水的强制对流传热过程建立管道内壁与水的强制对流传热模型，包括：

当雷诺数Re与普兰特数Pr满足以下条件时，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Re}>10000\\ 0.7<\mathrm{Rr}<120\end{array}\right.$

管道内壁与管程流体的强制对流传热速率h_i采用Boelter关联式计算，

$h_i=0.023\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d_i}{\left(\frac{d_i\mathrm{u\&rho;}}{\mathrm{\&mu;}}\right)}^{0.8}{\left(\frac{C_p\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^n$

其中为d_i管道内径，λ为管程流体热导率，u为管程流体流速，ρ为管程流体密度，μ为管程流体流动黏度，C_p为管程流体定压比热容；当流体被加热时n＝0.4，被冷却时n＝0.3；

管道内壁与管程流体的强制对流传热的传热速率Q_i与强制对流传热速率h_i、管道内壁温度T_wi、管程流体温度T_i、管道内壁面积A_wi之间的关系为：

Q_i＝h_iA_wi(T_wi-T_i)。

5.根据权利要求1所述的一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法，其特征在于，所述步骤C中，汇总建立管道径向传热模型过程包括：

当管道处于稳态时：

Q_i＝Q_w＝Q_o

根据Q_o＝Q_w和Q_i＝Q_o，分别得出：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{wi}}=T_{\mathrm{wo}}-\frac{h_o{d}_o(T_o-T_{\mathrm{wo}})\ln (d_o/d_i)}{2\mathrm{\&lambda;}}\\ T_i=T_{\mathrm{wi}}-\frac{h_o{d}_o}{h_i{d}_i}(T_o-T_{\mathrm{wo}})\end{array}\right.$

合并后得出的管程流体温度传热表达式：

$T_i=T_{\mathrm{wo}}-[\frac{1}{h_i{d}_i}+\frac{\ln (d_o/d_i)}{2\mathrm{\&lambda;}}]\left[h_o{d}_o(T_o-T_{\mathrm{wo}})\right].$

6.根据权利要求1所述的一种基于管道外壁温度测量的非接触式管程流体温度测量方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：将计算得到的管程流体温度T_i作为初始温度，确定管程流体的黏度μ、密度ρ、定压比热容C_p、管程流体的热导率λ，计算传热速率h_i，

$h_i=0.023\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d_i}{\left(\frac{d_i\mathrm{u\&rho;}}{\mathrm{\&mu;}}\right)}^{0.8}{\left(\frac{C_p\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^n$

对管程流体温度传热表达式进行单步定常线性迭代计算，直到指定迭代步数N，输出管程流体温度T_i＝T_i(N)。