CN105548251B - 一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置，包括一块聚苯乙烯塑料布，聚苯乙烯塑料布上固定设置有三条属性相同间距相等的镍铬铁合金扁片，整流电源通过并联方式与三条镍铬铁合金扁片连接，对三条镍铬铁合金扁片供电；在每条镍铬铁合金扁片上均设置有一组热电偶，每组热电偶包括均等布置三个热电偶。解决了现有技术中存在的实验无法灵活多组，数据无法实时、在线、准确监测尤其是异形覆冰模型的对流换热系数问题，本发明还公开了提供利用该导线覆冰过程对流换热系数测量装置进行测量的方法，具体步骤为：步骤1，采集数据，步骤2，输入相关数据参数，步骤3，进行换热系数模拟计算。

Description

一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于输电线路监测设备领域，涉及一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置，本发明还涉及利用该测量装置进行的测量方法。
背景技术
冻雨、冻雾、湿雪引起的覆冰可以导致输电线路荷重增加，绝缘性能下降，严重时可引起断线、倒杆塔，导致输电线路大面积瘫痪。且事故发生在严冬季节，大雪封山，公路结冻，难于抢修，造成长时间停电，造成巨大的经济损失。自20世纪40年代以来，冰灾的威胁是半个多世纪来电力系统工业界与学术界一直竭力应对的一大技术难题。
为抗击冰害对电网系统的影响，各国除了在线路设计阶段已经针不同地区气象条件的差异，制定相关的设计规范和导则之外，还投入了很大力量研究线路在冰灾条件下的抗冰融冰技术。目前，分析覆冰融冰机理，研究导线覆冰热平衡过程，实时监测融冰模型中影响因素最大的对流换热系数，更有效地对抗冰融冰采取有效措施显得尤为重要。
对流换热系数表达了流体与固体表面的换热能力，仅受结冰对象形状、部位以及流体物理特性影响，而与结冰对象的密度、导热率、比热容无关，因此覆冰导线多以圆柱模型近似计算。
目前针对导线覆冰过程对流换热系数的测量方法通常在实验室内，通过改变环境参数，对圆柱模型进行实验。测量费时、费材，且未能灵活地对不同规格圆柱模型、圆柱模型局部对流换热系数重复、多组的进行实验。特别是对椭圆形、扇形、D形等异形覆冰模型的对流换热系数进行实验，测量数据人工计算，任务重，效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置，解决了现有技术中存在的实验无法灵活多组，数据无法实时、在线、准确监测尤其是异形覆冰模型的对流换热系数问题。
本发明的技术方案是，一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置，包括一块聚苯乙烯塑料布，聚苯乙烯塑料布上固定设置有三条属性相同间距相等的镍铬铁合金扁片，整流电源通过并联方式与三条镍铬铁合金扁片连接，对三条镍铬铁合金扁片供电；
在每条镍铬铁合金扁片上均设置有一组热电偶，每组热电偶包括均等布置三个热电偶、与热电偶安装位置相对应的镍铬铁合金扁片处掏空，并从掏空处引线将每个热电偶均与多通道温度采集处理模块连接。
本发明的特点还在于：
多通道温度采集处理模块，包含主控芯片，主控芯片上分别连有环境温湿度采集模块、环境风速采集模块、电源模块、通讯模块、数据存储模块、液晶显示器、信号调理电路，信号调理电路还连接有多通道温度传感器。
本发明的另一目的是提供利用该导线覆冰过程对流换热系数测量装置进行测量的方法。
本发明的另一技术方案是，利用导线覆冰过程对流换热系数测量装置进行测量的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，采集数据，包括主控芯片定时采集稳定下的环境温度T、来流风速V、每条镍铬铁合金扁片上均等布置的三个热电偶，的温度为Tsij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)，
步骤2，输入相关数据参数，
步骤3，进行换热系数模拟计算。
本发明的特征还在于，
步骤2具体为，输入步骤1中的Tsij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)；稳定后的电流值为I、导线半径为r，设冰形模型表面温度Tsi(i＝1,2,3)为三条镍铬铁合金扁片上三个热电偶温度均值。
步骤3的具体步骤为，
建立关于环境温度T、波尔兹曼常数δ、线性辐射常数a、每条镍铬铁合金扁片电阻R、冰形模型表面温度Tsi(i＝1,2,3)的方程，
根据热传递的基本原理，直流融冰的热平衡过程可表示为：
QJ＝Qc+QE (1)
式中QJ为电流焦耳热，可表示为：
QJ＝I2R (2)
I为流过镍铬合金扁片电流有效值，R为镍铬合金扁片电阻。
式中Qc为对流热损失，可表示为：
Qc＝π2rhi(Tsi-T)(i＝1,2,3) (3)
式中QE为辐射散热,可表示为：
QE＝8πraδ(T+273)3(Tsi-T)(i＝1,2,3) (4)
则，冰形模型表面温度Tsi(i＝1,2,3)表示如下：
将式(2)、(3)、(4)、(5)带入(1)式，整理得到公式(6)
利用公式(6)即可计算出对流换热系数hi。
本发明的有益效果是：
(1)设备成本低，易操作，效率高。可得到具有较高准确度的导线局部对流换热系数。
(2)可实时、在线监测冰形模型局部对流换热系数，灵活、重复、多组地对不同规格导线进行测量。
(3)通过多通道温度采集处理采集三条镍铬铁合金扁片上的三个热电偶温度、环境温度、环境风速，利用已建立好的方程式编程推导出具有较高准确度的冰形模型局部对流换热系数。
附图说明
图1是本发明型一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置的结构示意图；
图2是本发明型多通道温度采集处理模块的结构示意图。
图中，1.整流电源，2.聚苯乙烯塑料布，3.镍铬铁合金扁片，4.热电偶，5.多通道温度采集处理模块，6.液晶显示器，7.主控芯片，8.环境温湿度采集模块，9.环境风速风向采集模块，10.电源模块，11.通讯模块，12.数据存储模块，13.信号调理电路，14.多通道温度传感器，15.冰形模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置，如图1所示，包括一块聚苯乙烯塑料布2，聚苯乙烯塑料布2上固定设置有三条属性相同间距相等的镍铬铁合金扁片3，整流电源1通过并联方式与三条镍铬铁合金扁片3连接，对三条镍铬铁合金扁片3供电。
每条镍铬铁合金扁片3上均设置有一组热电偶4，每组热电偶包括均等布置三个热电偶4、与热电偶安装位置相对应的镍铬铁合金扁片处掏空，并从掏空处引线将每个热电偶4均与多通道温度采集处理模块5连接。实际操作时，只需将导线覆冰过程对流换热系数测量装置包裹在冰形模型表面15上，即可进行试验。
多通道温度采集处理模块5，如图2所示，包含主控芯片7，主控芯片7上分别连有环境温湿度采集模块8、环境风速采集模块9、电源模块10、通讯模块11、数据存储模块12、液晶显示器6、信号调理电路13，信号调理电路13还连接有多通道温度传感器14。
其中，主控制芯片7用于测量环境温度、来流风速、导线模型表面温度等数据并进行存储；此外，该模块还控制通信模块的工作方式与工作状态等。聚苯乙烯塑料布2具有良好的绝热绝缘性，可保证三条镍铬铁合金扁片3之间温度互不干扰。选用镍铬铁合金扁片3电阻率大，耐热且导电性差，适用于局部测温实验。每条镍铬铁合金扁片3上布置的三个热电偶4，在相对应的镍铬铁合金扁片3处掏空，并从掏空处引线逐一与多通道温度传感器14中的接口连接，共9个接口。使布线清晰明了，便于操作。
聚苯乙烯塑料布具有良好的绝热绝缘性，可保证三条镍铬铁合金扁片之间温度互不干扰。镍铬铁合金扁片电阻率大，耐热且导电性差，适用于局部测温实验。
冰形模型15这里是根据真实覆冰导线样子设计的不锈钢筒，可定制不同尺寸、形状，如：椭圆形、D型、翼型等。
本发明提供一种导线覆冰过程对流换热系数测量方法，具体步骤包括：
步骤1、采集数据，包括主控芯片7定时采集稳定下的环境温度T、来流风速V、每条镍铬铁合金扁片3上均等布置的三个热电偶4，的温度为Tsij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)，
其中，定义最上端镍铬铁合金扁片3自左向右的热电偶温度值为Ts1j(j＝1,2,3)，中端镍铬铁合金扁片3自左向右的热电偶温度值为Ts2j(j＝1,2,3)，底端镍铬铁合金扁片3自左向右的热电偶温度值为Ts3j(j＝1,2,3)。
步骤2，输入相关数据参数，
输入步骤1中的Tsij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)；稳定后的电流值为I、导线半径为r，设冰形模型表面温度Tsi(i＝1,2,3)为三条镍铬铁合金扁片3上三个热电偶4温度均值；
步骤3，进行换热系数模拟计算，
建立关于环境温度T、波尔兹曼常数δ、线性辐射常数a、每条镍铬铁合金扁片3电阻R、冰形模型表面温度Tsi(i＝1,2,3)的方程，
根据热传递的基本原理，直流融冰的热平衡过程可表示为：
QJ＝Qc+QE (1)
式中QJ为电流焦耳热，可表示为：
QJ＝I2R (2)
I为流过镍铬合金扁片电流有效值，R为镍铬合金扁片电阻。
式中Qc为对流热损失，可表示为：
Qc＝π2rhi(Tsi-T)(i＝1,2,3) (3)
式中QE为辐射散热,可表示为：
QE＝8πraδ(T+273)3(Tsi-T)(i＝1,2,3) (4)
则，冰形模型表面温度Tsi(i＝1,2,3)表示如下：
将式(2)、(3)、(4)、(5)带入(1)式，整理得到公式(6)
利用公式(6)即可计算出对流换热系数hi。
在主控芯片7将采集到的原始数据、和利用上述方法计算得到的完成对流换热系数以及时间信息就地存储并通过通信模块11发送到电脑终端以便于对导线覆冰状况进行下一步的分析，同时在电脑终端对采集数据进行存储、显示、分析。还可以进行远程控制，来更改主控芯片7中预存的参数值，比如采样间隔、波尔兹曼常数δ、线性辐射常数a、每条镍铬铁合金扁片3电阻大小R等。
导线覆冰过程是过冷液滴在导线表面凝结的一个复杂的传热传质过程，传热过程包括导线焦耳热，对流换热，热辐射换热，水分蒸发潜热等多个不同的传热过程，而对流换热量在导线表面热量传递过程中占有很大比重，要研究对流换热过程，对流换热系数的确定就变的至关重要。
本发明的一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置及方法，由于导线自身良好的传热性能，无法采集导线表面局部温度，获取局部对流换热系数。本发明旨在用聚苯乙烯塑料布，其良好的绝缘绝热性能，易于服帖，可针对不同规格冰形模型包裹进行实验；通过整流电路对三条属性相同的镍铬铁合金扁片加热，三者之间温度互不干扰；多通道温度采集处理模块分别采集三条镍铬铁合金扁片上的三个热电偶温度，并计算各条镍铬铁合金扁片的温度均值，同时采集环境温度、环境风速。主芯片编程存储数据波尔兹曼常数δ、线性辐射常数a、每条镍铬铁合金扁片电阻大小R，液晶显示器输入冰形模型表面温度稳定后的电流值以及冰形模型半径，利用已建立好的方程式编程即可实时、准确的测量冰形模型的局部对流换热系数。
本发明的装置和方法能够实时、在线、准确监测尤其是异形覆冰模型的对流换热系数。通过已建立好的方程式编程推导出具有较高准确度的冰形模型局部对流换热系数，效率高且数据易获取。设备成本低，易操作，灵活度高。

Claims (3)

1.一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置，其特征在于，包括一块聚苯乙烯塑料布(2)，聚苯乙烯塑料布(2)上固定设置有三条属性相同间距相等的镍铬铁合金扁片(3)，整流电源(1)通过并联方式与三条镍铬铁合金扁片(3)连接，对三条镍铬铁合金扁片(3)供电；
在所述的每条镍铬铁合金扁片(3)上均设置有一组热电偶，每组热电偶包括均等布置的 三个热电偶(4)、与所述的热电偶安装位置相对应的镍铬铁合金扁片处掏空，并从掏空处引线将每个热电偶均与多通道温度采集处理模块(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置，其特征在于，所述的多通道温度采集处理模块(5)，包含主控芯片(7)，所述的主控芯片(7)上分别连有环境温湿度采集模块(8)、环境风速采集模块(9)、电源模块(10)、通讯模块(11)、数据存储模块(12)、液晶显示器(6)、信号调理电路(13)，所述的信号调理电路(13)还连接有多通道温度传感器(14)。
3.一种利用权利要求1所述的一种导线覆冰过程对流换热系数测量装置进行测量的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，采集数据，包括主控芯片(7)定时采集稳定下的环境温度T、来流风速V、每条镍铬铁合金扁片(3)上均等布置的三个热电偶(4)的温度为Tsij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)，
步骤2，输入相关数据参数，所述的步骤2具体为，输入步骤1中的Tsij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)；稳定后的电流值为I、导线半径为r，设冰形模型表面温度Tsi(i＝1,2,3)为三条镍铬铁合金扁片(3)上三个热电偶(4)温度均值；
步骤3，进行换热系数模拟计算，所述的步骤3的具体步骤为，
建立关于环境温度T、波尔兹曼常数δ、线性辐射常数a、每条镍铬铁合金扁片(3)电阻R、冰形模型表面温度Tsi(i＝1,2,3)的方程，
根据热传递的基本原理，直流融冰的热平衡过程可表示为：
QJ＝Qc+QE (1)
式中QJ为电流焦耳热，可表示为：
QJ＝I2R (2)
I为流过镍铬合金扁片电流有效值，R为镍铬合金扁片电阻；
式中Qc为对流热损失，可表示为：
Qc＝π2rhi(Tsi-T)(i＝1,2,3) (3)
式中QE为辐射散热,可表示为：
QE＝8πraδ(T+273)3(Tsi-T)(i＝1,2,3) (4)
则，冰形模型表面温度Tsi(i＝1,2,3)表示如下：
将式(2)、(3)、(4)、(5)带入(1)式，整理得到公式(6)
利用公式(6)即可计算出对流换热系数hi。
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