CN110220939A - 一种水冷壁受热面热流密度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水冷壁受热面热流密度测量装置及其测量方法。装置包括数据采集及处理系统和至少一对热电偶，包括冷端热电偶和热端热电偶。热电偶外均设置有保护套管，且保护套管末端设置有固定架，固定架固定连接在水冷壁受热面上。保护套管和固定架使得冷端热电偶和热端热电偶定位误差不大于2mm。将冷端测点和热端测点布置在待测水冷壁受热面背火侧的同一高度的水冷壁受热面上，且冷端测点设置在待测水冷管远火端，热端测点设置在与水冷管最近鳍片的中心轴线点。通过数据采集及处理系统获取冷端热电偶和所述热端热电偶的温度值T冷和T热，计算得到热流密度。本发明具有布点方便、测量成本低且测量结果可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种水冷壁受热面热流密度测量装置及测量方法，属于热工测试领域。
背景技术
在高温运行设备中，热流密度是设备是否安全稳定运行的重要参数。在高温设备的设计、检修及校验等方面，热流密度分析均是重要步骤。因此，获得准确的热流密度对高温设备安全稳定运行具有重要意义，如何提高热流密度测量精度是需要解决的重要问题。
目前热流密度测试方法主要采用热流计，已有热流计主要采用的是在导热部件中打孔，将热电偶埋入的技术方案。但在实际高温设备热流密度测试中，由于温度较高，热流计需加装冷却装置，使得热流计体积大，成本高，安装复杂，需要对高温设备进行改造，因而极大的限制了高温热流计的使用场景。
现代电站智能化迫切需要先进的电站锅炉结渣监测即水冷壁热流密度测试技术，能够满足测量成本低、预测准确程度高、易于安装维护的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水冷壁受热面热流密度测量装置及测量方法，通过在水冷壁受热面的背火侧设定测点分别测量冷端测点温度和热端测点温度，计算得到热流密度。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种水冷壁受热面热流密度测量装置，能够用于水冷壁受热面热流密度测试，所述水冷壁受热面作为炉墙，其包括若干水冷管及连接相邻水冷管的鳍片；所述装置包括数据采集及处理系统和至少一对热电偶，所述任一对热电偶均包括对应的一个冷端热电偶和一个热端热电偶；所述冷端热电偶和热端热电偶分别被固定连接在所述水冷壁受热面的冷端测点和热端测点，分别用于测定冷端测点温度和热端测点温度；所述任一个热电偶均设有数据线与所述数据采集及处理系统相连。
上述技术方案中，所述热电偶外均设置有保护套管，且所述保护套管末端设置有固定架，所述固定架固定连接在所述水冷壁受热面上。
一种水冷壁受热管热流密度测量方法，所述方法包括：
选定待测水冷壁受热面，获得其特征参数，通过数值模拟，标定出待测水冷壁受热面的热流密度系数k；
将所述冷端测点和热端测点布置在待测水冷壁受热面背火侧，且所述冷端测点设置在待测水冷管远火端，所述热端测点设置在与所述水冷管最近鳍片的中心轴线点；
通过数据采集及处理系统获取所述冷端热电偶和所述热端热电偶的温度值T冷和T热，并通过公式q＝k(T热-T冷)计算得到所述水冷壁受热面的热流密度。
上述技术方案中，所述保护套管和固定架使得所述冷端热电偶和所述热端热电偶定位误差不大于2mm。
上述技术方案中，所述冷端测点和热端测点设置在同一水平高度。
上述技术方案中，所述水冷壁受热面的特征参数包括其壁厚、水冷管管径、水冷管和鳍片结构及鳍片宽度。
上述技术方案中，所述数值模拟标定方法包括：
根据水冷壁受热面的水冷管及鳍片的几何结构，选取周期计算域开展二维传热数值计算，设定管内壁为等对流换热系数边界条件，对流传热系数h根据如下公式计算：
其中，下标b表示水冷壁受热面截面的工质温度，下标w表示水冷壁受热面向火侧壁面处的工质温度；Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数；ρ为密度，kg/m3；L为水冷壁管内径；k1为静止工质的导热系数，W/m·K；
获得待测水冷壁受热面的管材，并根据温度区间选用导热系数k1，通过数值模拟求出待测水冷壁受热面的热流密度系数k随水冷管外壁热流密度变化的函数关系k＝f(q,T热,T冷)；
通过至少输入五个热流密度值并获得相对应的至少三组温度值[T热,T冷]标定得到待测水冷壁受热面的热流密度系数k。
本发明具有以下优点及有益效果：通过水冷壁受热面背火侧设定测点，通过水冷管内工质温度和鳍片管中心温度计算得到热流密度，避免了高温测量，使得布点方便、测量成本低且测量结果可靠。
附图说明
图1为本发明所涉及的水冷壁受热面热流密度测量装置示意图。
图中：1－水冷管；2－鳍片；3－冷端热电偶；4－热端热电偶；5－数据采集及处理系统；6－保护套管；7－固定架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
如图1所示，一种水冷壁受热面热流密度测量装置，能够用于水冷壁受热面热流密度测试，而且通常水冷壁受热面作为炉墙，其包括若干水冷管1及连接相邻水冷管的鳍片2。鳍片水冷管结构的水冷壁是本领域的常见水冷壁受热面结构，本领域一般技术人员均能理解和想象其详细结构。
装置包括数据采集及处理系统5和至少一对热电偶。任一对热电偶均包括一个冷端热电偶3和一个热端热电偶4。冷端热电偶3和热端热电偶4分别被固定连接在所述水冷壁受热面的冷端测点和热端测点，分别用于测定冷端测点温度和热端测点温度。任一个热电偶末端均设有数据线与数据采集及处理系统5相连，从而能够采集和存储热电偶温度数据。任一个热电偶外均设置有保护套管6，且保护套管6末端设置有固定架7。固定架7通过焊接等方式固定连接在水冷壁受热面上。固定架7选用刚性材料，如槽钢等，尽可能避免其形变影响，保护套6与固定架7之间可以选用自锁螺母进行连接，利用刚性材料的固定架7加强保护套6的稳定性，从而减少锅炉运行过程的震动造成的热电偶移动引起的定位偏差。保护套管6和固定架7使得冷端热电偶3和热端热电偶4定位误差不大于2mm，从而保证了其测量位置的精确度。
选定待测水冷壁受热面，获得包括水冷壁受热面的特征参数包括其壁厚、水冷管管径、水冷管和鳍片结构及鳍片宽度等的特征参数，通过数值模拟，标定出待测水冷壁受热面的热流密度系数k。
数值模拟和标定过程包括：
根据水冷壁受热面的水冷管及鳍片的几何结构，选取周期计算域开展二维传热数值计算，设定管内壁为等对流换热系数边界条件，对流传热系数h根据如下公式计算：
其中，下标b表示水冷壁受热面截面的工质温度，下标w表示水冷壁受热面向火侧壁面处的工质温度；Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数；ρ为密度，kg/m3；L为水冷壁管内径；k1为静止工质的导热系数，W/m·K；
获得待测水冷壁受热面的管材，并根据温度区间选用适宜的导热系数k1，通过数值模拟求出待测水冷壁受热面的热流密度系数k随水冷管管外壁热流密度变化的函数关系k＝f(q,T热,T冷)；
通过至少输入五个热流密度值并获得相对应的至少三组温度值[T热,T冷]标定得到待测水冷壁受热面的热流密度系数k。
将冷端测点和热端测点布置在待测水冷壁受热面背火侧，且冷端测点设置在待测水冷管1远火端，热端测点设置在与水冷管1最近鳍片2的中心轴线点。冷端测点和热端测点设置在同一水平高度。
通过数据采集及处理系统5获取冷端热电偶3和热端热电偶4的温度值T冷和T热，并通过公式q＝k(T热-T冷)计算得到水冷壁受热面的热流密度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种水冷壁受热面热流密度测量装置，其特征在于，所述装置包括数据采集及处理系统(5)和至少一对热电偶，且所述任一对热电偶均包括一个冷端热电偶(3)和一个热端热电偶(4)；所述冷端热电偶(3)和热端热电偶(4)分别被固定连接在所述水冷壁受热面的冷端测点和热端测点，分别用于测定冷端测点温度和热端测点温度；所述热电偶设有数据线与所述数据采集及处理系统(5)相连。
2.根据权利要求1所述的水冷壁受热面热流密度测量装置，其特征在于，所述任一个热电偶外均设置有保护套管(6)，且所述保护套管(6)末端设置有固定架(7)，所述固定架(7)固定连接在所述水冷壁受热面上。
3.根据权利要求1所述的水冷壁受热面热流密度测量装置，其特征在于，所述水冷壁受热面包括若干水冷管(1)及连接相邻水冷管的鳍片(2)；所述冷端测点和热端测点分别设置在所述水冷壁受热面的背火侧，且所述冷端测点设置在所述水冷壁受热面的水冷管(1)远火端，所述热端测点设置在与所述水冷管(1)最近鳍片(2)的中心轴线点。
4.根据权利要求3所述的水冷壁受热面热流密度测量装置，其特征在于，所述冷端测点和热端测点设置在同一水平高度。
5.一种水冷壁受热管热流密度测量方法，其使用如权利要求1所述的水冷壁受热面热流密度测量装置，其特征在于，所述水冷壁受热面包括若干水冷管(1)及连接相邻水冷管的鳍片(2)；所述方法包括：
选定待测水冷壁受热面，获得其特征参数，通过数值模拟标定出待测水冷壁受热面的热流密度系数k；
将所述冷端测点和热端测点分别布置在待测水冷壁受热面背火侧，且所述冷端测点设置在待测水冷管(1)远火端，所述热端测点设置在与所述水冷管(1)最近鳍片(2)的中心轴线点；
通过数据采集及处理系统(5)获取所述冷端热电偶(3)和所述热端热电偶(4)的温度值T冷和T热，并通过公式q＝k(T热-T冷)计算得到所述水冷壁受热面的热流密度。
6.根据权利要求5所述的水冷壁受热管热流密度测试方法，其特征在于，所述保护套管(6)和固定架(7)使得所述冷端热电偶(3)和所述热端热电偶(4)定位误差不大于2mm。
7.根据权利要求5所述的水冷壁受热管热流密度测试方法，其特征在于，所述冷端测点和热端测点设置在同一水平高度。
8.根据权利要求5所述的水冷壁受热管热流密度测试方法，其特征在于，所述水冷壁受热面的特征参数包括其壁厚、水冷管(1)管径、鳍片结构及鳍片(2)宽度。
9.根据权利要求5所述的水冷壁受热管热流密度测试方法，其特征在于，所述数值模拟标定方法包括：
根据水冷壁受热面的水冷管及鳍片的几何结构，选取周期计算域开展二维传热数值计算，设定管内壁为等对流换热系数边界条件，对流传热系数h根据如下公式计算：
其中，下标b表示水冷壁受热面截面的工质温度，下标w表示水冷壁受热面向火侧壁面处的工质温度；Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数；ρ为密度，kg/m3；L为水冷壁管内径；k1为静止工质的导热系数，W/m·K；
获得待测水冷壁受热面的管材，并根据温度区间选用导热系数k1，通过数值模拟求出待测水冷壁受热面的热流密度系数k随水冷管外壁热流密度变化的函数关系k＝f(q,T热,T冷)；
通过至少输入五个热流密度值并获得相对应的至少三组温度值[T热,T冷]标定得到待测水冷壁受热面的热流密度系数k。
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Legal Events
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