CN104568185B - 高温抽气式测温枪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型高温抽气式测温枪，包括端头保护组件、冷却组件、金属基座以及热电偶偶芯。本发明解决了现有的测量锅炉内烟气温度的设备存在测量误差的技术问题。本发明采用水冷技术对其内外壁面进行冷却，使测量距离大大延长，并通过前期实验验证了该冷却措施的有效性，从而保证了热电偶不被烧断以及测温的灵敏性，满足了工业锅炉长距离(3～5米)、高温测量的要求。

Description

高温抽气式测温枪

技术领域

本发明涉及一种新型高温抽气式测温枪。

背景技术

工业用锅炉内的烟气温度是评价其设计性能的重要参数，在试运行阶段经常需要对其进行直接测量。对于燃油锅炉，烟气温度往往高达1400℃-1600℃，超过了普通合金(如不绣钢)的承受范围(<1400℃)。在如此严酷的条件下，测量烟气温度难度很高。如果不借助任何的热防护措施，测温热电偶的补偿导线(长度：3-5米)会在极短时间内被烧毁，导致测量无法进行。另外，考虑到炉膛内壁面的温度同样很高(>1000℃)，其热辐射效应对测量结果的影响也不能被忽视。

因此，需要设计这样一种装置，在有效屏蔽来自外界的辐射传热干扰、保证热电偶补偿导线不被烧毁的前提下，实现炉内烟气温度的测量。

目前市场上尚未出现符合上述要求的类似产品，一些工业锅炉生产厂商对锅炉温度进行测量时大多采用短距离测量装置，通过对不同测点测量数据的拟合，并进一步外推从而获得炉膛中心的温度分布，这样做虽然避免了长距离测量的困难，但一方面增加了人为误差，另一方面未采用有效冷却措施的测量不仅容易烧毁热电偶补偿导线，而且必然会引起测量误差。

发明内容

为了解决现有的测量锅炉内烟气温度的设备存在测量误差的技术问题，本发明提供一种新型高温抽气式测温枪。

本发明的技术解决方案：

高温抽气式测温枪，包括端头保护组件、冷却组件、金属基座以及热电偶偶芯；

所述冷却组件由外至内依次包括外水冷套管、中间水冷套管和内水冷套管，所述内水冷套管的一端通过金属基座固定在外水冷套管上，所述中间水冷套管的一端设置有末端密封件，所述中间水冷套管的另一端与金属基座固定连接，所述内水冷套管的另一端固定在中间水冷套管上，所述外水冷套管设置有冷却水入口，所述中间水冷套管上设置有冷却水出口，所述外水冷套管与中间水冷套管之间形成第一冷却水通道，所述中间水冷套管和内水冷套管之间形成第二冷却水通道，所述中间水冷套管上设置有多个流通孔，所述第一冷却水通道与第二冷却水通道通过流通孔连通，所述内水冷套管内为第一热电偶腔；所述中间水冷套管靠近末端密封件的一端上设置有燃气出口，所述燃气出口与第一热电偶腔连通；

所述端头保护组件包括内陶瓷避热罩和外陶瓷避热罩，所述内陶瓷避热罩位于外陶瓷避热罩内，内陶瓷避热罩和外陶瓷避热罩的一端均固定在金属基座的一端上，所述外陶瓷避热罩上设置有燃气进气孔，所述内陶瓷避热罩内形成第二热电偶腔，所述第一热电偶腔与第二热电偶腔连通；

所述热电偶依次穿过末端密封件，经过第一热电偶腔，并到达第二热电偶腔内，所述热电偶通过支撑肋片固定。

上述金属基座包括中空柱状底座以及中空柱状突台，所述突台的一端与底座固定连接且同轴设置，所述突台的另一端圆周均匀设置有多个安装槽，所述突台的侧面圆周均匀设置有多个冷却槽道；

所述外水冷套管固定在底座上，所述中间水冷套管固定在突台上且流通孔与冷却槽道的位置正对，所述支撑肋片固定在安装槽上用于固定热电偶；

所述内陶瓷避热罩和外陶瓷避热罩均固定在突台上。

上述金属基座上设置有两个沉孔，沉孔深度在10～20cm之间。

上述中间水冷套管头部的流通孔为双排设置。

上述热电偶偶芯包括偶头、补偿导线和金属套管，所述偶头和补偿导线固定连接且均包裹在金属套管内。

上述外水冷套管、中间水冷套管和内水冷套管满足以下关系：

R3²-R2²＝R2²-R1²

其中：

R1为内水冷套管的半径；

R2为中间水冷套管的半径；

R3为外水冷套管的半径。

上述金属肋片圆周均布在金属套管的外侧且与安装槽相匹配。

上述内陶瓷避热罩和外陶瓷避热罩均通过耐热胶泥固定在突台上，所述耐热胶泥的厚度在1-1.5mm之间。

本发明所具有的优点：

本发明满足工业锅炉长距离(3～5米)、高温测量的要求。由于在此过程中，测温热电偶及其补偿导线通常暴露在1400℃以上的高温中。为了保证热电偶不被烧断以及测温的灵敏性，本发明采用水冷技术对其内外壁面进行冷却，使测量距离大大延长，并通过前期实验验证了该冷却措施的有效性。

附图说明

图1为测温枪总体效果图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为金属基座的结构示意图；

图4为图1中B处的局部放大图；

其中：图4a为剖视图；图4b为一种角度的侧视图；图4c为图4b的俯视图；图4d为另一种角度的侧视图；图4e为图4d的俯视图；

图5为中间水冷管头部流阻k随开孔个数n的变化关系示意图；

图6管径关系示意图；

图7图1中C处的局部放大图；

其中：图7a为热电偶的结构示意图；

图7b为图7a的L-L剖面图；

图7c为图7a的K-K剖面图；

图8为金属套管温度沿燃气进入方向上的分布示意图；

其中附图标记为：1-外水冷套管，2-外陶瓷避热罩，3-内陶瓷避热罩，4-冷却水入口，5-冷却水出口，6-高温燃气出口，7-中间水冷套管，8-金属基座，9-内水冷套管，10-热电偶，101-偶头，102-金属套管，103-补偿导线，104-支撑肋片，11-高温燃气入口，12-末端密封件。

具体实施方式

如图1、图2、图4所示，新型高温抽气式测温枪，包括端头保护组件、冷却组件、金属基座8以及热电偶10；

冷却组件由外至内依次包括外水冷套管1、中间水冷套管7和内水冷套管9，内水冷套管的一端通过金属基座8固定在外水冷套管1上，中间水冷套管7的一端设置有末端密封件12，中间水冷套管7的另一端与金属基座8固定连接，内水冷套管9的另一端固定在中间水冷套管7上，外水冷套管1设置有冷却水入口4，中间水冷套管7上设置有冷却水出口5，外水冷套管1与中间水冷套管之间形成第一冷却水通道，中间水冷套管和内水冷套管之间形成第二冷却水通道，中间水冷套管上设置有多个流通孔，第一冷却水通道与第二冷却水通道通过流通孔连通，内水冷套管内为第一热电偶腔；中间水冷套管靠近末端密封件12的一端上设置有燃气出口，燃气出口与第一热电偶腔连通；

端头保护组件包括内陶瓷避热罩3和外陶瓷避热罩2，内陶瓷避热罩3位于外陶瓷避热罩2内，内陶瓷避热罩2和外陶瓷避热罩3的一端均固定在金属基座8的一端上，外陶瓷避热罩上设置有燃气进气孔，内陶瓷避热罩内形成第二热电偶腔，第一热电偶腔与第二热电偶腔连通；热电偶依次穿过末端密封件12，经过第一热电偶腔，并到达第二热电偶腔内，热电偶通过支撑肋片104固定。金属基座包括中空柱状底座以及中空柱状突台，突台的一端与底座固定连接且同轴设置，突台的另一端圆周均匀设置有多个安装槽，突台的侧面圆周均匀设置有多个冷却槽道，外水冷套管固定在底座上，中间水冷套管固定在突台上且流通孔与冷却槽道的位置正对，支撑肋片固定在安装槽上用于固定热电偶；内陶瓷避热罩和外陶瓷避热罩均固定在突台上。

如图2所示，为了陶瓷避热罩与金属底座粘接良好，确保能经受得住长时间高温烘烤，采用了双沉孔设计，沉孔深度在10～20cm之间。金属底座的热环境较为恶劣，与高温陶瓷避热罩相连，后者暴露在炉内高温燃气中，受热后对金属底座有加热作用。其次是此处左侧的冷却水冷却效率急剧下降(原因是几何复杂，流场不够平滑，流动换向)。所以陶瓷避热罩与金属基座通过耐热胶泥(由西安电仪自动化有限公司提供的腻子粉和玻璃水按一定配比制成)进行密封固定。耐热胶泥的厚度在1～1.5mm之间。这样的范围内既能确保陶瓷有效粘合又能在使用后便于拆卸。

如图3所示，突台是为了内水冷管焊接的可靠性，但为了能够将偶心由头部装入水冷枪，突台中间进行了开槽，槽的分布和尺寸由支撑勒片决定。为了强化换热，确保金属底座的冷却，此处设计了四个冷却槽道，考虑到结构强度，冷却槽道在此处的最大深度h_max控制在0.45B以下。

水冷技术由于其冷却介质易于获得而备受青睐，其关键点在于对整个换热过程有一个较为精准的预测。具体到本发明的重点之一是对陶瓷避热罩与金属底座之间的换热设计。此过程中需要在结构热强度满足的前提下进一步减少两者之间的热传导，增加水冷侧的换热效率。另外，如何确保在有限水压下水冷枪内外壁的温度在所用不锈钢材料的承受范围之内也是需要解决的难点之一。

金属基座位于水冷组件头部，用来固定陶瓷避热罩。由于中间水冷套管两侧的冷却水需要在此进行转向，加之基座本身所需的厚度相对较大，该处的对流换热情况将被恶化。为了强化此处对流换热，中间水冷套管头部设计了交错布置的流通孔。同时，为了防止高温下可能带来的金属互焊，采用了整体式金属基座，即端头保护组件和水冷组件采用整体设计。虽然增加了装配难度，但结果证明，这样做能有效的降低金属基座温度过高的风险。

如图4所示，中间水冷套管的头部设计了双排流通孔。由于圆形孔在结构强度上更具有优势，并且在相同的流通面积下流动阻力较小，故两排孔均采用圆形孔设计。根据流速和流阻的关系，第一排孔设计通过70-80％的流量，第二排孔设计通过30-20％的流量。

由于水冷枪设计选用自来水作冷却剂，而工业用自来水的压强小于2Mpa，因此为了保证足够的流速，需要尽可能低的降低流阻。另一方面，中间水冷套管在使用时的受力情况不能忽视。因此，孔的设计基于流阻最小化、强度最大化原则进行，即在强度允许的范围内确保孔引起的局部压降最小。在金属管半径R一定的情况下，中间水冷套管头部结构强度P随开孔面积S的变换曲线如图所示(S₀为参考取值)。相同开孔面积条件下开孔个数n随流阻k的关系如图5所示(n₀为参考取值，一般取n＝4)。

如图6所示，外水冷套管、中间水冷套管和内水冷套管满足以下关系：

R3²-R2²＝R2²-R1²

其中：

R1为内水冷套管的半径；

R2为中间水冷套管的半径；

R3为外水冷套管的半径。

如图7所示，热电偶偶芯包括偶头、补偿导线和金属套管，所述偶头和补偿导线固定连接且均包裹在金属套管内。金属肋片圆周均布在金属套管的外侧且与安装槽相匹配。其中偶头采用双铂铹制成，属于贵重金属。而补偿导线的耐受温度为T₀，为了保证补偿导线在使用中不被烧断，须保证补偿导线周围的温度在该温度以下。因此，通过传热原理计算得到的金属套管温度沿燃气进入方向的分布可以确定所需要的最短的偶头长度L(300mm左右)。如图8所示，在L以后的金属套管温度降到了T₀以下，因此采用补偿导线代替，从而大大节省了成本。金属套管采用金属支撑肋片进行定位，肋片的布置如图所示，肋片厚度控制在套管半径的40％左右。

Claims (8)

1.高温抽气式测温枪，其特征在于：包括端头保护组件、冷却组件、金属基座以及热电偶偶芯；

所述冷却组件由外至内依次包括外水冷套管、中间水冷套管和内水冷套管，所述内水冷套管的一端通过金属基座固定在外水冷套管上，所述中间水冷套管的一端设置有末端密封件，所述中间水冷套管的另一端与金属基座固定连接，所述内水冷套管的另一端固定在中间水冷套管上，所述外水冷套管设置有冷却水入口，所述中间水冷套管上设置有冷却水出口，所述外水冷套管与中间水冷套管之间形成第一冷却水通道，所述中间水冷套管和内水冷套管之间形成第二冷却水通道，所述中间水冷套管上设置有多个流通孔，所述第一冷却水通道与第二冷却水通道通过流通孔连通，所述内水冷套管内为第一热电偶腔；所述中间水冷套管靠近末端密封件的一端上设置有燃气出口，所述燃气出口与第一热电偶腔连通；

所述端头保护组件包括内陶瓷避热罩和外陶瓷避热罩，所述内陶瓷避热罩位于外陶瓷避热罩内，内陶瓷避热罩和外陶瓷避热罩的一端均固定在金属基座的一端上，所述外陶瓷避热罩上设置有燃气进气孔，所述内陶瓷避热罩内形成第二热电偶腔，所述第一热电偶腔与第二热电偶腔连通；

所述热电偶依次穿过末端密封件，经过第一热电偶腔，并到达第二热电偶腔内，所述热电偶通过支撑肋片固定。

2.根据权利要求1所述的高温抽气式测温枪，其特征在于：所述金属基座包括中空柱状底座以及中空柱状突台，所述突台的一端与底座固定连接且同轴设置，所述突台的另一端圆周均匀设置有多个安装槽，所述突台的侧面圆周均匀设置有多个冷却槽道；

所述外水冷套管固定在底座上，所述中间水冷套管固定在突台上且流通孔与冷却槽道的位置正对，所述支撑肋片固定在安装槽上用于固定热电偶；

所述内陶瓷避热罩和外陶瓷避热罩均固定在突台上。

3.根据权利要求1所述的高温抽气式测温枪，其特征在于：所述金属基座上设置有两个沉孔，沉孔深度在10～20cm之间。

4.根据权利要求1-3之任一所述的高温抽气式测温枪，其特征在于：所述中间水冷套管头部的流通孔为双排设置。

5.根据权利要求4所述的高温抽气式测温枪，其特征在于：所述热电偶偶芯包括偶头、补偿导线和金属套管，所述偶头和补偿导线固定连接且均包裹在金属套管内。

6.根据权利要求5所述的高温抽气式测温枪，其特征在于：所述外水冷套管、中间水冷套管和内水冷套管满足以下关系：

R3²-R2²＝R2²-R1²

其中：

R1为内水冷套管的半径；

R2为中间水冷套管的半径；

R3为外水冷套管的半径。

7.根据权利要求6所述的高温抽气式测温枪，其特征在于：所述金属肋片圆周均布在金属套管的外侧且与安装槽相匹配。

8.根据权利要求2所述的高温抽气式测温枪，其特征在于：所述内陶瓷避热罩和外陶瓷避热罩均通过耐热胶泥固定在突台上，所述耐热胶泥的厚度在1-1.5mm之间。