CN110058046B - 一种基于对流传热的流体流速测量方法及装置 - Google Patents

一种基于对流传热的流体流速测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于对流传热的流体流速测量方法及装置，所述方法包括以下步骤：S1、选择测量探头，并使所选择的测量探头内部具有供介质流进流出的流道；S2、向流道内部输送温度恒定的冷却流体，并将测量探头置入被测流体中；S3、当测量探头与被测流体之间的传热为稳态传热时，获取被测流体温度Tk、测量探头表面温度Tw、以及流道出口端冷却流体的温度T2；S4、基于Tk、Tw、T2和预设的公式计算得到被测流体的流速u。所述装置包括：测量探头、泵送机构、流量计、第一温度测量计、第二温度测量计、第三温度测量计和控制器。本发明不受流体干扰，不存在毕托管测量孔堵塞和热线风速仪热线断裂问题，测量准确。

Description

一种基于对流传热的流体流速测量方法及装置
技术领域
本发明涉及测速技术领域，尤其涉及一种基于对流传热的流体流速测量方法及装置。
背景技术
目前常用测速仪器，主要是热式风速仪和皮托管，由于热式风速仪的工作原理是，将一根通电加热的细金属丝(称热线)置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。而皮托管是根据伯努利方程原理，测量气流总压和静压以确定气流速度。而这两种测速仪器在测流体流速工作中均存在不足之处，如：用皮托管测流速时，当流体中含有少量颗粒时，有可能堵塞测量孔，影响测量，且测量时正对测点处的流速方向也不易实现；而热线风速仪中的热元件在受到来自各个方向的气流冲击时，会影响到测量结果的准确性，且探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。
发明内容
基于上述背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于对流传热的流体流速测量方法及装置。
本发明提出的一种基于对流传热的流体流速测量方法，包括以下步骤：
S1、选择测量探头，并使所选择的测量探头内部具有供介质流进流出的流道；
S2、向流道内部输送温度恒定的冷却流体，并将测量探头置入被测流体中；
S3、当测量探头与被测流体之间的传热为稳态传热时，获取被测流体温度Tk、测量探头表面温度Tw、以及流道出口端冷却流体的温度T2；
S4、基于Tk、Tw、T2和预设的公式计算得到被测流体的流速u。
优选地，步骤S3中，所述当测量探头与被测流体之间的传热为稳态传热，具体为：一个Δt时间内，Tk温度不变，且输入的冷却流体进入测量探头的温度T0不变。
优选地，步骤S4中，所述基于Tk、Tw、T2和预设的换热公式计算得到被测流体的流速u，具体为：
S41、基于Tk、Tw、T2和预设的公式计算出对流换热系数h；
S42、基于计算出的对流换热系数h和预设的公式计算出努塞尔数Num，
S43、基于计算出的努塞尔数Num和预设的公式计算出流体雷诺数Re，
S44、基于计算出的流体雷诺数Re和预设的公式计算出流体流速u。
优选地，步骤S41中，所述预设的公式，具体为：
Figure BDA0002037001600000021
其中，Q为冷却流体的吸热量，A为测量探头换热面积，c为比热容，qm为冷却流体质量流量，T0为冷却流体的初始温度。
优选地，步骤S42中，所述预设的公式，具体为：
Figure BDA0002037001600000022
其中，L为测量探头长度，λ为导热系数，h为计算得出的对流换热系数。
优选地，步骤S43中，所述预设的公式，具体为：对流换热公式。
优选地，步骤S44中，所述预设的公式，具体为：
Figure BDA0002037001600000023
其中，Re为计算得出的流体雷诺系数，ν为运动粘度，L为测量探头长度。
优选地，步骤S43中、所述预设的对流换热公式，具体为：
当测量探头与被测流体接触的部位为平板结构时，对流换热公式为：
Figure BDA0002037001600000031
其中，Pr为普朗特数，Num为计算得出的努塞尔数；
当测量探头与被测流体接触的部位为圆管结构时，对流换热公式为：Num＝CRenPr1/3，其中，Pr为普朗特数，Num为计算得出的努塞尔数；
当测量探头与被测流体接触的部位为圆球结构时，对流换热公式为：
Figure BDA0002037001600000032
其中，Pr为普朗特数，Num为计算得出的努塞尔数。
一种基于对流传热的流体流速测量装置，包括：测量探头、泵送机构、流量计、第一温度测量计、第二温度测量计、第三温度测量计和控制器，其中：
测量探头内部设有流道；泵送机构用于向流道内输送冷却流体；流量计用于测量冷却流体的流速；第一温度测量计用于探测被测流体的温度，第二温度测量计用于探测进入冷却流体进入流道时的温度，第三温度测量计用于探测冷却流体流出流道时的温度，第一温度测量计、第二温度测量计和第三温度测量计和流量计均与控制器连接。
优选地，流道的一端连接有进液管，流道的另一端连接有回液管，回液管经冷却机构和加热机构与进液管连接以形成循环回路，所述冷却机构用于对循环回路中的流体进行冷却，所述加热机构用于对循环回路中的流通进行加热，且冷却机构和加热机构均与控制器连接；泵送机构和流量计均安装循环回路中。
优选地，第二温度测量计固定安装在流道的进口处。
优选地，第三温度测量计固定安装在流道的出口处。
优选地，流道内安装有扰流片。
本发明中，通过采用特定的测量探头与被测流体接触进行流速测试，这种测量方式不受流体干扰，不存在毕托管测量孔堵塞和热线风速仪热线断裂问题，测量准确。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于对流传热的流体流速测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，图1为本发明提出的一种基于对流传热的流体流速测量装置的结构示意图。
本发明提出的一种基于对流传热的流体流速测量方法，包括以下步骤：
S1、选择测量探头，并使所选择的测量探头内部具有供介质流进流出的流道；
S2、向流道内部输送温度恒定的冷却流体，并将测量探头置入被测流体中；
S3、当测量探头与被测流体之间的传热为稳态传热时，获取被测流体温度Tk、测量探头表面温度Tw、以及流道出口端冷却流体的温度T2；
S4、基于Tk、Tw、T2和预设的公式计算得到被测流体的流速u，其具体计算过程如下：
S41、对于稳态传热，冷却流体带走的热量Q等于对流换热量Φ，即Q＝Φ＝AhΔTm＝Ah(Tk-Tw)，因此，根据热量计算公式
Figure BDA0002037001600000041
可推导出对流换热系数h的计算公式：
Figure BDA0002037001600000042
其中，A为测量探头换热面积，c为比热容，qm为冷却流体质量流量，T0为冷却流体的初始温度；
S42、根据公式
Figure BDA0002037001600000051
计算出努塞尔数Num，其中，L为测量探头长度，λ为导热系数，h为计算得出的对流换热系数；
S43、根据预设的对流换热公式计算出流体雷诺数Re；
S44、根据公式
Figure BDA0002037001600000052
计算出流体流速u，其中，Re为计算得出的流体雷诺系数，ν为运动粘度，L为测量探头长度。
实施例1
当测量探头与被测流体接触的部位为平板结构时，列出如下换热公式：
Figure BDA0002037001600000053
Figure BDA0002037001600000054
Figure BDA0002037001600000055
Figure BDA0002037001600000056
其中：Pr为普朗特数，ν为运动粘度，λ为导热系数，L为测量探头，
对于稳态换热，因临界雷诺数Rec是常数，而对于特定的流体，普朗特数Pr、运动粘度ν和导热系数λ，只与温度有关，因此普朗特数Pr、运动粘度ν和导热系数λ均可根据Tk和Tw获得，测量探头长度L已知，由公式(1)、(2)、(3)联立，可以得到
Figure BDA0002037001600000057
即流体流速u与换热系数h一一对应，将公式(4)带入公式
Figure BDA0002037001600000058
由于测量探头换热面积A、及测量探测长度L为已知，因此，当获取Tk、Tw、T2便可求得对应的流体流速u。
实施例2
当测量探头与被测流体接触的部位为圆管结构时，列出如下换热公式：
Num＝CRenPr1/3 (1)
Figure BDA0002037001600000061
Figure BDA0002037001600000062
Figure BDA0002037001600000063
其中：Pr为普朗特数，ν为运动粘度，λ为导热系数，L为测量探头，C和n为可根据Re的范围查表所得的已知常数；
通过公式(1)、(2)、(3)、(4)计算出流体流速u。
实施例3
当测量探头与被测流体接触的部位为圆球结构时，列出如下换热公式：
Figure BDA0002037001600000064
Figure BDA0002037001600000065
Figure BDA0002037001600000066
Figure BDA0002037001600000067
其中：Pr为普朗特数，ν为运动粘度，λ为导热系数，L为测量探头，ηk为被测流体在温度Tk下的动力粘度，ηw为被测流体在测量探头壁面温度Tw下的动力粘度，且当被测流体种类和温度已知时，则ηk和ηw为已知常数。
通过公式(1)、(2)、(3)、(4)计算出流体流速u。
此外，步骤S3中，所述当测量探头与被测流体之间的传热为稳态传热，具体为：一个ΔT时间内，Tk温度不变，且输入的冷却流体进入测量探头的温度T0不变。
由上可知，本发明利用传热学原理将稳态对流换热过程中传热系数与传热量联系起来，根据传热量计算出被测流体流速，这种测量方式具有以下优势：
1、不受流体介质干扰，不存在毕托管测量中测孔堵塞问题；
2、测量探头表面为一固定形状，不存在热线风速仪热线断裂的问题；
3、本发明基于传热量测量流速，毕托管基于差压测量风速，而实际过程中温度测量比差压测量更为精确，故本发明的风速测量更为精确；
4、对于固定的测量探头，被测流体的温度Tk和测量探头的换热表面温度Tw一定时，对流换热量Φ(Q)与换热系数h有唯一对应值，对流换热量Φ(Q)与流体流速u有唯一对应值，工作中，只需采用上述方法提前标定在不同测量流体风速u和温度Tk下对应的换热量Φ，储存到PLC控制器中，从而在实际测量中只需测得测量流体温度Tk和冷却流体带入或带出的热量Q，PLC即可直接输出测量流体流速u。
综上所述，本发明通过采用特定的测量探头与被测流体接触进行流速测试，这种测量方式不受流体干扰，不存在毕托管测量孔堵塞和热线风速仪热线断裂问题，测量准确。
参照图1，一种基于对流传热的流体流速测量装置，包括：测量探头1、流量计2、泵送机构8、冷却机构9、加热机构11、第一温度测量计(图中未画出)、第二温度测量计3、第三温度测量计4和控制器5，其中：
测量探头1内部设有流道，流道内安装有扰流片10，流道的一端连接有进液管6，流道的另一端连接有回液管7，回液管7经冷却机构9和加热机构11与进液管6连接以形成循环回路，所述冷却机构9用于对循环回路中的流体进行冷却，所述加热机构11用于对循环回路中的流通进行加热，且冷却机构和加热机构均与控制器连接。泵送机构8安装循环回路中以用于向流道内输送冷却流体，流量计2安装在循环回路中以用于对循环回路中冷却流体的流速进行测量。第一温度测量计用于探测被测流体的温度，第二温度测量计3固定安装在流道的进口处以用于探测进入流道的冷却流体温度，第三温度测量计4固定安装在流道的出口处以用于探测流出流道的冷却流体温度，第一温度测量计、第二温度测量计3和第三温度测量计4和流量计2均与控制器5连接。
本发明工作时，冷却流体由泵送机构从进液管6经第二温度测量计3进入测量探头1的流道内，并在扰流片10的扰动下沿流道的内壁面与被测流体发生稳定的对流换热，换热后的冷却流体在泵送机构的作用下经第三温度测量计4流入回液管7，并经回液管7上的流量计2、以及冷却机构9和加热机构11，完成一个循环。且为保证进入测量探头1内的冷却流体温度T0不变，控制器5通过第二温度测量计3所测量的温度T1控制冷却机构9和加热机构11动作，其具体控制方法如下：
当温度T1满足T1-T0>N，其中，N为阈值，T0为预设的温度值，控制器5控制冷却机构9启动，以冷却冷却流体；当温度T1满足T0-T1>N，其中，N为阈值，T0为预设的温度值，控制器5控制热机构11启动，以加热冷却流体。通过测流体温度Tk、测量探头表面温度Tw、以及流道出口端冷却流体的温度T2，便由PLC控制器5计算出被测流体对应的流速u。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于对流传热的流体流速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选择测量探头，并使所选择的测量探头内部具有供介质流进流出的流道；
S2、向流道内部输送温度恒定的冷却流体，并将测量探头置入被测流体中；
S3、当测量探头与被测流体之间的传热为稳态传热时，获取被测流体温度Tk、测量探头表面温度Tw、以及流道出口端冷却流体的温度T2；
S4、基于Tk、Tw、T2和预设的公式计算得到被测流体的流速u；
步骤S4中，所述基于Tk、Tw、T2和预设的换热公式计算得到被测流体的流速u，具体为：
S41、基于Tk、Tw、T2和预设的公式计算出对流换热系数h；
S42、基于计算出的对流换热系数h和预设的公式计算出努塞尔数Num，
S43、基于计算出的努塞尔数Num和预设的公式计算出流体雷诺数Re，
S44、基于计算出的流体雷诺数Re和预设的公式计算出流体流速u；
步骤S43中，所述预设的公式，具体为：对流换热公式；
步骤S43中、上述预设的对流换热公式，具体为：
当测量探头与被测流体接触的部位为平板结构时，对流换热公式为：
Figure FDA0002818936070000011
其中，Pr为普朗特数，Num为计算得出的努塞尔数；
当测量探头与被测流体接触的部位为圆管结构时，对流换热公式为：Num＝CRenPr1/3，其中，Pr为普朗特数，Num为计算得出的努塞尔数；
当测量探头与被测流体接触的部位为圆球结构时，对流换热公式为：
Figure FDA0002818936070000012
其中，Pr为普朗特数，Num为计算得出的努塞尔数；ηk为被测流体在温度Tk下的动力粘度，ηw为被测流体在测量探头壁面温度Tw下的动力粘度。
2.根据权利要求1所述的基于对流传热的流体流速测量方法，其特征在于，步骤S3中，所述当测量探头与被测流体之间的传热为稳态传热，具体为：一个Δt时间内，Tk温度不变，且输入的冷却流体进入测量探头的温度T0不变。
3.根据权利要求1所述的基于对流传热的流体流速测量方法，其特征在于，步骤S41中，所述预设的公式，具体为：
Figure FDA0002818936070000021
其中，Q为冷却流体的吸热量，A为测量探头换热面积，c为比热容，qm为冷却流体质量流量，T0为冷却流体的初始温度。
4.根据权利要求1所述的基于对流传热的流体流速测量方法，其特征在于，步骤S42中，所述预设的公式，具体为：
Figure FDA0002818936070000022
其中，L为测量探头长度，λ为导热系数，h为计算得出的对流换热系数。
5.根据权利要求1所述的基于对流传热的流体流速测量方法，其特征在于，步骤S44中，所述预设的公式，具体为：
Figure FDA0002818936070000023
其中，Re为计算得出的流体雷诺系数，ν为运动粘度，L为测量探头长度。
6.一种基于对流传热的流体流速测量装置，包括：测量探头(1)、流量计(2)、泵送机构(8)、第一温度测量计、第二温度测量计(3)、第三温度测量计(4)和控制器(5)，其中：
测量探头(1)内部设有流道；泵送机构(8)用于向流道内输送冷却流体；流量计(2)用于对循环回路中冷却流体的流速进行测量；第一温度测量计用于探测被测流体的温度，第二温度测量计(3)用于探测进入流道的冷却流体温度，第三温度测量计(4)用于探测流出流道的冷却流体温度，第一温度测量计、第二温度测量计(3)和第三温度测量计(4)和流量计(2)均与控制器(5)连接；
流道的一端连接有进液管(6)，流道的另一端连接有回液管(7)，回液管(7)经冷却机构(9)和加热机构(11)与进液管(6)连接以形成循环回路，所述冷却机构(9)用于对循环回路中的流体进行冷却，所述加热机构(11)用于对循环回路中的流通进行加热，且冷却机构和加热机构均与控制器连接；所述泵送机构(8)和流量计(2)均安装在循环回路中；第二温度测量计(3)固定安装在流道的进口处；第三温度测量计(4)固定安装在流道的出口处；流道内安装有扰流片(10)。
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