CN105372293B - 一种测量金属板表面对介质的散热系数方法 - Google Patents

一种测量金属板表面对介质的散热系数方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测量金属板表面对介质的散热系数方法，属于材料热测量技术应用领域。技术方案是：包含程控电源（1）、功率分析仪（2）、金属板（3）、电热管（4）、温度巡检仪（5）和绝缘油箱（6），金属板的表面上焊接多个热电偶，热电偶的输出端连接温度巡检仪（5）；通过程控电源（1）给电热管（4）输入恒定的功率加热金属板（3），用功率分析仪（2）计量恒定的功率；通过金属板（3）表面进行散热，得到金属板表面温升，温度由温度巡检仪（5）经热电偶测得。本发明可以测量不同型号、厚度超过电热管直径的所有应用中涉及的金属板，可以测量平面和竖面两种条件的散热系数，实验装置制作简单，实验操作简便易行。

Description

一种测量金属板表面对介质的散热系数方法
技术领域
本发明涉及一种测量金属板表面对介质的散热系数方法，通过本装置可以测量金属板表面（竖面和平面）在介质（空气和油）中的散热能力，属于材料热测量技术应用领域。
背景技术
在变压器的结构件中，主要为金属材料，包括导磁钢板、低磁钢板、铜板、铝板等。运行状态的变压器外表面接触的是空气，内侧流动的为变压器油。金属板除了本身的传导作用，主要对变压器油和空气产生散热。散热能力的大小直接影响变压器构件是否产生过热。为了更直观、有效地了解变压器的散热情况，进行有效的热场仿真必不可少。在热场仿真中，介质的流动性对散热的影响不设定独立的控制参数，将其归结为金属表面的综合散热能力的一部分，综合的表面散热系数是热场仿真的主要参数。所以掌握金属板对介质的表面散热能力，数据化金属板对介质的表面散热系数，在仿真计算中模拟变压器的散热情况，求取变压器主体和介质的温度，掌握变压器运行的温度效应成为变压器产品的发展需求。背景技术没有金属板表面散热系数的测量，这样的热场仿真，很难完成。
发明内容
本发明目的是提供一种测量金属板表面对介质的散热系数方法，得到仿真需要的散热系数这一数据。
本发明的技术方案是：
一种测量金属板表面对介质的散热系数装置，包含程控电源、功率分析仪、金属板、电热管、温度巡检仪和绝缘油箱，金属板为方形板，金属板内部设有平行布置的多个圆孔，圆孔的一端封闭，另一端开口，开口位于金属板厚度方向的侧面上，多个圆孔的开口在金属板侧面沿长度方向排列，多个圆孔均匀分布在金属板表面的内部；每个圆孔内均设有阻值相同的电热管，所有的电热管并联后连接功率分析仪和程控电源；金属板的表面上焊接多个热电偶，热电偶的输出端连接温度巡检仪；通过程控电源给电热管输入恒定的功率加热金属板，用功率分析仪计量恒定的功率；通过金属板表面进行散热，得到金属板表面温升，温度由温度巡检仪经热电偶测得。
所述金属板为长方形，具有六个表面，分别是上面、下面、左面、右面、前面和后面，上面和下面的面积相等，左面、右面、前面和后面的面积相等，上面和下面的面积较大，左面、右面、前面和后面的面积较小；多个圆孔的开口位于右面上。
所述金属板，可以是导磁钢板、低磁钢板、铜板、铝板等，对其型号没有要求。金属板放置的环境介质可以是空气，也可以是变压器油，能够满足变压器产品应用介质的需求；如果环境介质是变压器油，还设有绝缘油箱，内置变压器油，金属板放置在绝缘油箱内。
所述电热管出口与圆孔的开口之间通过用耐热、耐油胶进行密封，降低热量的散失。
所述金属板为100mm×100mm的长方形，厚度为10mm，沿其中一个厚度方向的侧面进行打孔，直径7mm、深度95mm，数量为十个，均匀分布。
一种测量金属板表面对介质的散热系数方法，包含如下工艺步骤：
①金属板为方形板，长度与宽度相等，沿其中一个厚度方向的竖面进行打圆孔，圆孔深度小于金属板的宽度，圆孔的开口位于金属板厚度方向的侧面上，多个圆孔的开口在金属板侧面沿长度方向排列，多个圆孔均匀分布在金属板内部；所述金属板为长方形，具有六个表面，分别是上面、下面、左面、右面、前面和后面，上面和下面的面积相等，左面、右面、前面和后面的面积相等，上面和下面的面积较大，左面、右面、前面和后面的面积较小；多个圆孔的开口位于右面上；
②每个圆孔内均插入阻值相同的电热管，电热管的长度小于圆孔的深度，电热管均匀分布在圆孔的中间部位，电热管出口位置进行密封；
③所有的电热管并联后连接功率分析仪和程控电源；
④金属板的上面和下面上焊接多个热电偶，用于测量金属板表面的温度，热电偶的输出端连接温度巡检仪；
⑤通过程控电源给电热管施加恒定功率，金属板发热，通过表面散热；利用温度巡检仪记录各个热电偶的温度，直至金属板表面温度与环境温度的差（温升）达到稳定；以此温升和金属板表面积、输入功率值为基础，计算出金属板表面散热系数；
⑥金属板放置在介质中，平放和竖放，其表面的散热系数不同，需要分别进行实验测量；同时，由于金属板是立体结构，金属板的各面在测试中有同时存在散热的因素；
⑦计算方法：金属板表面散热系数分为上表面（上面）散热系数h s 、下表面（下面）散热系数h x 、竖面（左面、右面、前面和后面）散热系数h l ；已知条件：输入功率P, 上表面（上面）温升K s ,下表面（下面）温升K x ,竖面（左面、右面、前面和后面）温升K l ,上表面（上面）面积S s ，下表面（下面）面积S x ，竖面（左面、右面、前面和后面）面积S l ，且S s =S x ；P= h s ×S s ×K s + h x ×S x ×K x + h l ×S l ×K l ；
上面和下面为较大平面，是主要的散热面；将金属板竖起测试时，存在两个较小平面（后面和前面）散热，计算竖面散热系数时忽略较小平面的效果；
将金属板平放的测试中，存在四个较小平面（左面、右面、前面和后面）散热，由于较小平面比例偏高，以同功率条件得到的竖面散热系数h 1 带入上表面散热系数和下表面散热系数计算公式，按上表面和下表面散热能力相同进行求解。
为了保证电热管发热、散热均匀，需要将电热管沿长度水平放置；散热介质为变压器油时，将变压器油和金属板置于绝缘油箱中。
本发明的有益效果是：可以测量不同型号、厚度超过电热管直径的所有应用中涉及的金属板，可以测量平面和竖面两种条件的金属板表面散热系数，实验装置制作简单，实验操作简便易行。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明金属板平放示意图；
图3是本发明金属板竖放示意图；
图4是本发明金属板插入电热管、表面焊接热电偶的布置照片；
图中：程控电源1、功率分析仪2、金属板3、电热管4、温度巡检仪5、绝缘油箱6、上面11、下面12、右面13、左面14、后面15、前面16。
具体实施方式
以下结合附图，通过实例对本发明作进一步说明。
一种测量金属板表面对介质的散热系数装置，包含程控电源1、功率分析仪2、金属板3、电热管4、温度巡检仪5和绝缘油箱6，金属板3为方形板，金属板内部设有平行布置的多个圆孔，圆孔的一端封闭，另一端开口，开口位于金属板厚度方向的侧面上，多个圆孔的开口在金属板侧面沿长度方向排列，多个圆孔均匀分布在金属板表面的内部；每个圆孔内均设有阻值相同的电热管4，所有的电热管并联后连接功率分析仪2和程控电源1；金属板的表面上焊接多个热电偶，热电偶的输出端连接温度巡检仪5；通过程控电源1给电热管4输入恒定的功率加热金属板3，用功率分析仪2计量恒定的功率；通过金属板3表面进行散热，得到金属板表面温升，温度由温度巡检仪5经热电偶测得。
所述金属板为长方形，具有六个表面，分别是上面11、下面12、左面14、右面13、前面16和后面15，上面11和下面12的面积相等，左面14、右面13、前面16和后面15的面积相等，上面11和下面12的面积较大，左面14、右面13、前面16和后面15的面积较小；多个圆孔的开口位于右面13上。
所述金属板，是导磁钢板、低磁钢板、铜板、铝板之一，金属板放置的环境介质可以是空气，也可以是变压器油，能够满足变压器产品应用介质的需求；如果环境介质是变压器油，还设有绝缘油箱，内置变压器油，金属板放置在绝缘油箱内。
所述电热管出口与圆孔的开口之间通过用耐热、耐油胶进行密封，降低热量的散失。
所述金属板为100mm×100mm的长方形，厚度为10mm，沿其中一个厚度方向的侧面进行打孔，直径7mm、深度95mm，数量为十个，均匀分布。
一种测量金属板表面对介质的散热系数方法，包含如下工艺步骤：
①金属板3为方形板，长度与宽度相等，沿其中一个厚度方向的竖面进行打圆孔，圆孔深度小于金属板的宽度，圆孔的开口位于金属板厚度方向的侧面上，多个圆孔的开口在金属板侧面沿长度方向排列，多个圆孔均匀分布在金属板内部；所述金属板为长方形，具有六个表面，分别是上面11、下面12、左面14、右面13、前面16和后面15，上面11和下面12的面积相等，左面14、右面13、前面16和后面15的面积相等，上面11和下面12的面积较大，左面14、右面13、前面16和后面15的面积较小；多个圆孔的开口位于右面13上；
②每个圆孔内均插入阻值相同的电热管4，电热管的长度小于圆孔的深度，电热管均匀分布在圆孔的中间部位，电热管出口位置进行密封；
③所有的电热管并联后连接功率分析仪2和程控电源1；
④金属板的上面11和下面12上焊接多个热电偶，用于测量金属板表面的温度，热电偶的输出端连接温度巡检仪5；
⑤通过程控电源给电热管施加恒定功率，金属板发热，通过表面散热；利用温度巡检仪记录各个热电偶的温度，直至金属板表面温度与环境温度的差（温升）达到稳定；以此温升和金属板表面积、输入功率值为基础，计算出金属板表面散热系数；
⑥金属板放置在介质中，平放和竖放，其表面的散热系数不同，需要分别进行实验测量；同时，由于金属板是立体结构，金属板的各面在测试中有同时存在散热的因素；
⑦计算方法：金属板表面散热系数分为上表面（上面11）散热系数h s 、下表面（下面12）散热系数h x 、竖面（左面14、右面13、前面16和后面15）散热系数h l ；已知条件：输入功率P,上表面（上面11）温升K s ,下表面（下面12）温升K x ,竖面（左面14、右面13、前面16和后面15）温升K l ,上表面（上面11）面积S s ，下表面（下面12）面积S x ，竖面（左面14、右面13、前面16和后面15）面积S l ，且S s =S x ；P= h s ×S s ×K s + h x ×S x ×K x + h l ×S l ×K l ；
上面11和下面12为较大平面，是主要的散热面；将金属板竖起测试时，存在两个较小平面（后面15和前面16）散热，计算竖面散热系数时忽略较小的平面的效果；
将金属板平放的测试中，存在四个较小平面（左面14、右面13、前面16和后面15）散热，由于较小平面比例偏高，以同功率条件得到的竖面散热系数h 1 带入上表面散热系数和下表面散热系数计算公式，按上表面和下表面散热能力相同进行求解。
为了保证电热管发热、散热均匀，需要将电热管沿长度水平放置；散热介质为变压器油时，将变压器油和金属板置于绝缘油箱中。
本实施例中，金属板在其厚度方向上的一个侧面，也就是右面13上开十个圆孔，将电热管放置其中，十个电热管均匀分布。
本实施例金属板是10mm厚导磁钢板。
一种测量金属板表面对介质的散热系数方法，步骤如下：
①10mm厚的导磁钢板Q235B，切成100mm×100mm的长方形。沿其中一个侧面进行打孔，直径7mm、深度95mm，十个圆孔均匀分布；
②将电阻值基本相等的十根电热管插入圆孔内，电热管的两根电源引线进行并联连接；金属板上的电热管出口位置用耐热、耐油胶进行密封，降低热量的散失；
③在金属板表面焊接热电偶，保证热电偶有效牢固接触金属板表面，测量金属板表面的真实温度；
④将金属板侧面水平、较大表面竖直放置在空气中，进行空气中的竖面散热系数测量；
⑤用程控电源对电热管进行加热，采用恒定功率的加热方式；用功率分析仪记录电压、电流和功率，用温度巡检仪记录金属板表面热电偶测点的温度，直至金属板表面温度与环境温度的差（温升）达到稳定，得到竖面温升K l ；
⑥根据已知功率P,竖面温升K l ,竖面面积S l ，P= h l * S l *K l ，求得空气中的竖面散热系数h l 。

Claims (2)

1.一种测量金属板表面对介质的散热系数方法，其特征在于包含如下工艺步骤：
①金属板（3）为方形板，长度与宽度相等，沿其中一个厚度方向的竖面进行打圆孔，圆孔深度小于金属板的宽度，圆孔的开口位于金属板厚度方向的侧面上，多个圆孔的开口在金属板侧面沿长度方向排列，多个圆孔均匀分布在金属板内部；所述金属板为长方形，具有六个表面，分别是上面（11）、下面（12）、左面（14）、右面（13）、前面（16）和后面（15），上面（11）和下面（12）的面积相等，左面（14）、右面（13）、前面（16）和后面（15）的面积相等，上面（11）和下面（12）的面积较大，左面（14）、右面（13）、前面（16）和后面（15）的面积较小；多个圆孔的开口位于右面（13）上；
②每个圆孔内均插入阻值相同的电热管（4），电热管的长度小于圆孔的深度，电热管均匀分布在圆孔的中间部位，电热管出口位置进行密封；
③所有的电热管并联后连接功率分析仪（2）和程控电源（1）；
④金属板的上面（11）和下面（12）上焊接多个热电偶，用于测量金属板表面的温度，热电偶的输出端连接温度巡检仪（5）；
⑤通过程控电源给电热管施加恒定功率，金属板发热，通过表面散热；利用温度巡检仪记录各个热电偶的温度，直至金属板表面温度与环境温度的差值达到稳定；以此差值和金属板表面积、输入功率值为基础，计算出金属板表面散热系数；
⑥金属板放置在介质中，平放和竖放，其表面的散热系数不同，需要分别进行实验测量；同时，由于金属板是立体结构，金属板的各面在测试中有同时存在散热的因素；
⑦计算方法：金属板表面散热系数分为上表面散热系数h s 、下表面散热系数h x 、竖面散热系数h l ；已知条件：输入功率P, 上表面温升K s ,下表面温升K x ,竖面温升K l ,上表面面积S s ，下表面面积S x ，竖面面积S l ，且S s =S x ；P= h s ×S s ×K s + h x ×S x ×K x + h l ×S l ×K l ；
上面（11）和下面（12）为较大平面，是主要的散热面；将金属板竖起测试时，存在两个较小平面散热，计算竖面散热系数时忽略较小的平面的效果；
将金属板平放的测试中，存在四个较小平面散热，由于较小平面比例偏高，以同功率条件得到的竖面散热系数h 1 带入上表面散热系数和下表面散热系数计算公式，按上表面和下表面散热能力相同进行求解。
2.根据权利要求1所述的一种测量金属板表面对介质的散热系数方法，其特征在于：散热介质为变压器油时，将变压器油和金属板置于绝缘油箱中。
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