CN113177298A - 一种管道流体非介入式测温方法、电子设备、存储介质 - Google Patents

一种管道流体非介入式测温方法、电子设备、存储介质 Download PDF

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CN113177298A CN202110388976.0A CN202110388976A CN113177298A CN 113177298 A CN113177298 A CN 113177298A CN 202110388976 A CN202110388976 A CN 202110388976A CN 113177298 A CN113177298 A CN 113177298A
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Abstract

本发明提供一种管道流体非介入式测温方法，包括以下步骤：计算管道外壁与空气的自然对流换热系数，计算管道内壁面的对外换热系数，计算管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数，计算管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数，计算管道流体中心温度。本发明涉及一种电子设备和存储介质，用于执行一种管道流体非介入式测温方法。本发明可实现化工工业管道内流体中心的高精度、高可靠的温度测量。无需考虑环境条件，也不干涉工艺过程，显著提高系统安全性，免除了开孔工艺所需的成本，大幅降低设备成本。

Description

一种管道流体非介入式测温方法、电子设备、存储介质
技术领域
本发明涉及管道流体测温技术领域，尤其涉及一种管道流体非介入式测温方法、电子设备、存储介质。
背景技术
几乎所有的化工工艺过程都需要温度测量。其目的是保证系统安全，保证产品质量，提高工艺效率。传统的流体温度测量技术是通过将带导热保护套管的温度传感器直接插入流体(通常位于容器或管道中)进行。流体由液体、胶状体或气态的物质组成，通常也有这些物质的混合物，也可以包含固体颗粒。流体在化学上具有腐蚀性和磨蚀性，它可能处于静止状态，也可能高速流动。
传统的与流体接触的温度测量有很多的困难。为了可靠和安全，必须克服这些困难，这导致高昂的成本。在规划和设计管道时开测温孔，通过测温孔将温度传感器插入流体，产生了成本。开孔需要法兰和结构加固，这些结构必须满足一些最严格的安全要求。导热保护套管设计用于保护温度传感器免受化学和机械应力的影响。磨蚀性灰尘或沙子在高速下穿过管道情况，是一项高难度的挑战。由于磨料介质和化学腐蚀性介质都可能导致导热保护套管的严重损伤，因此必须定期检查和更换这些导热保护套管。特殊的导热保护套管材料会导致高昂的额外费用。如检查导热保护套管或更换导热保护套管时，必须要设备退出运行，通常还需要完全清空管道内部物质。此外，如果在管道中使用导热保护套管可能会增加清洁成本。
除了增加的成本，安全方面也非常重要。放在流动介质中的导热保护套管，由于涡流的作用，可能发生振动，在极端情况下，甚至破损。这不仅对工艺设备，而且对外界环境都会带来严重后果。1995年，在日本的蒙州核电站，由于涡流形成而导热保护套管断裂，大量泄漏钠，导致系统发生化学反应，钢部件熔化后产生过多热量，事故严重。ASMEPTC19.3TW2010及以后的规范和标准，以及2016年对导热保护套管稳定性的规范和标准随着时间的推移变得更加严格，因此维护和更换成本也有所增加。如果流体温度可以在管道之外以非介入的可靠方式测量，就可以消除上述安全风险和高成本。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种管道流体非介入式测温方法，解决了传统管道流体温度测量需要考虑环境条件，干涉工艺过程，安全性差，成本高，灵活度低，精度低和可靠性差的问题。
本发明提供一种管道流体非介入式测温方法，得到最终结果的计算过程具体可分为两种不同的算法，包括解析算法和经验公式算法。解析算法包括以下步骤：
计算管道外壁与空气的自然对流换热系数，采用大空间自然对流实验关联式计算管道外壁与空气的自然对流换热系数；
计算管道内壁面的对外换热系数，通过所述管道外壁与空气的自然对流换热系数、管道外半径、管道内半径和管道壁材料的导热系数计算管道内壁面的对外换热系数，通过所述管道外壁与空气的自然对流换热系数和所述管道内壁面的对外换热系数计算管道内壁面温度的算法模型系数；
计算管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数，通过所述管道外壁与空气的自然对流换热系数、管道内流体的导热系数和管道外壁直径计算管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数；
计算管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数，通过所述管道内壁面温度的算法模型系数和所述管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数计算管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数；
计算管道流体中心温度，通过所述管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数、管壁外管壁处温度和管道外面环境空气温度计算管道流体中心温度。
进一步地，所述大空间自然对流实验关联式为：
Figure BDA0003015784410000031
Num＝C(GrPr)m n
Figure BDA0003015784410000032
ΔT＝Tw1-Ta
其中，ha1为管道外壁面空气自然对流换热系数；Num为管道外壁面空气自然对流换热特征数努塞尔数平均数；λa为环境空气的导热系数；r1为管道外壁半径；Gr为管道外壁面空气自然对流换热特征数格拉晓夫数；Pr为空气的流体力学特征数普朗特数；g为当地的重力加速度；αV为空气的体积膨胀系数；ΔT为管道表面与环境温度的温差；D为管道外壁直径；v为空气的运动粘度；C和n为状态常系数；Tw1为管道外管壁处温度；Ta为管道外面环境空气温度；脚标m代表平均数。
进一步地，当为单层管壁时，所述管道内壁面的对外换热系数计算公式为：
Figure BDA0003015784410000033
其中，ha2为管道内管壁对外散热对流表面换热系数；r1为管道外半径；r2为管道内半径；λw1为管道壁材料的导热系数；
当为多层管壁时，所述管道内壁面的对外换热系数计算公式为：
Figure BDA0003015784410000041
所述管道内壁面温度的算法模型系数计算公式为：
Figure BDA0003015784410000042
其中，k1n为管道内壁面温度的算法模型系数；ha(n-1)为管道第(n-1)层外管壁对外散热对流表面换热系数；ha(n)为管道第(n-1)层内管壁对外散热对流表面换热系数；r(n-1)为管道第(n-1)层壁外半径；r(n)为管道第(n-1)层壁内半径；λw(n-1)为管道第(n-1)层壁材料的导热系数。
进一步地，所述管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数计算公式为：
Figure BDA0003015784410000043
Figure BDA0003015784410000044
其中，k2为管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数；hf为管道内流体中心对于管道内壁面的表面换热系数；λf是管道内流体的导热系数；Nu是管道流体中心对于管道内侧壁的流体表面换热特征数努塞尔数。
层流情况下Nu数计算公式为：
Nu＝4.1Bi -0.025
毕渥数Bi的定义公式：
Figure BDA0003015784410000045
湍流情况下Nu数计算公式为：
Figure BDA0003015784410000046
液体：ct＝(Prf/Prw)0.01,Prf/Prw＝0.05～20
气体：ct＝(Tf/Tw)0.45,Tf/Tw＝0.5～1.5
其中，L为管道从管道口到当前位置的长度；f为管内湍流流动的达西(Darcy)阻力系数，按弗年柯公式：
f＝(1.82lgRe-1.64)-2
适用范围：Ref＝2300～106，Rrf＝0.6～105。
进一步地，所述管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数计算公式为：
k3＝k2+k1n
其中，k3为管道流体中心对于外壁面温度的算法模型系数。
进一步地，所述管道流体中心温度计算公式为：
Tc＝k3(Tw1-Ta)+Ta。
通过上述流程的逐步计算，可以计算出最终的所述管道流体中心温度结果。其中，计算管道流体中心对于外壁面温度的算法模型系数k3的计算过程非常复杂和繁琐，涉及到的工程数据很多，以至于在工程应用中，会有很大的计算难度和工作量。进一步的，本发明提供了另外一种简便的计算k3系数的方法，即经验公式算法，通过一定量的特定条件的实验结果和经验数据，得到经验公式，从而可以在容许的偏差情况下，较快捷的计算出k3系数。经验公式算法包括以下步骤：根据管道结构和流体状态，选择不同的经验公式，计算管道流体温度相对偏差；计算管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数；计算管道流体中心温度。
经验公式如下：
所述管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数与管道流体温度相对偏差的关系为：
Figure BDA0003015784410000051
管道流体温度相对偏差的定义为：
Figure BDA0003015784410000061
若为低粘度且高导热性流体，则
em1＝1×10-5v-2D-1+0.01
em2＝0.11D0.5+0.01
em＝min(em1，em2)
应用范围：D∈[0.03,1]m，v∈[0,0.3]m/s；
若为中等粘度且低导热性液体，则
em1＝0.01v-2D-2+0.01
em2＝0.07D0.5+0.05
em＝min(em1,em2)
应用范围：D∈[0.03,1]m，v∈[0,3]m/s；
若为高粘度液体，则
em1＝20v-2D-2+0.01
em2＝0.2D+0.016
em＝min(em1,em2)
应用范围：D∈[0.03,1]m，v∈[0,100]m/s。
一种电子设备，包括：处理器；存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行一种管道流体非介入式测温方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行一种管道流体非介入式测温方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种管道流体非介入式测温方法，得到最终结果的计算过程具体可分为两种不同的算法，包括解析算法和经验公式算法。解析算法包括以下步骤：计算管道外壁与空气的自然对流换热系数，计算管道内壁面的对外换热系数，计算管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数，计算管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数，计算管道流体中心温度。经验公式算法包括以下步骤：根据管道结构和流体状态，选择不同的经验公式，计算管道流体温度相对偏差；计算管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数；计算管道流体中心温度。本发明涉及一种电子设备和存储介质，用于执行一种管道流体非介入式测温方法。本发明可实现化工工业管道内流体中心的高精度、高可靠的温度测量。无需考虑环境条件，也不干涉工艺过程，显著提高系统安全性，免除了开孔工艺所需的成本，大幅降低设备成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一种管道流体非介入式测温方法解析算法流程图；
图2为本发明的一种管道流体非介入式测温方法经验公式算法流程图；
图3为本发明实施例的管道轴向剖面示意图；
图4为本发明实施例的Nu数与Bi数函数关系示意图；
图5为本发明实施例的低粘度且高导热性流体的温度相对偏差分布示意图；
图6为本发明实施例的中等粘度且低导热性液体的温度相对偏差分布示意图；
图7为本发明实施例的高粘度液体的温度相对偏差分布示意图；
图8为本发明实施例的饱和水的热物理性质示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种管道流体非介入式测温方法，如图1所示，包括以下步骤：
本发明基于常见的工程应用作为假设条件：管道假设为等直径长管道，并且忽略管道起始段与中间段在流体流态上的差异对测温的影响，实际上影响很小；管道外界的环境为大厂房内部，即不涉及露天的场所；管道为金属圆管道，一般的，管道直径相对于管道长度很小，管道壁厚相对管道直径很小；假设管道内充满流体，流体的流速>0，即流体有一定的流速，不是静止状态。流体物质为化学稳定物质，即在流体流动过程中，没有剧烈的化学反应，主要是没有化学热变化，所以过程中只需考虑传热学和流体力学的规律。
根据上述基本假设条件，对工程过程进行简化并建模分析，管道的轴向剖面示意如图3所示。其中，Tw1是管壁外管壁处温度；Tw2是管道内管壁处温度；Tc是管道流体中心温度；Ts是传感器散热器表面温度；v是管道流体平均流速；Ta是管道外面环境空气温度；q是单位面积上散热的热量；D是管道内径；r1是管道外壁半径；r2是管道内壁半径。
管道和传感器处在相同的环境当中，环境温度对于管道表面散热过程和管道表面通过传感器的散热过程中，环境温度起到很大的影响作用，并在非介入测温算法中，需要环境温度作为自变量，所以在理想的情况下，监测系统应采集环境温度数据。本发明的非介入式温差自取电无线测温传感器，在散热器表面装配了测量环境温度的探头，其所测温度代表散热器表面温度仅接近于环境温度，当热源温度很高时，该探头温度会与环境温度有较大偏差。为了使本发明提供了一个传热学工程拟合算法，应用传感器本身的底部测温探头和顶部测温探头的温度数据即可近似的计算出传感器所在的环境温度，用于非介入测温的精确计算，免除了另外增加环境温度传感器。
当在热系统平衡状态下，由管道表面经过传感器热传导的热量为q，在经过散热器表面空气对流换热散热的热量也为q，则有：
Figure BDA0003015784410000091
得到：
Figure BDA0003015784410000092
本公式即为环境温度算法公式，其中
Figure BDA0003015784410000093
为算法公式系数。
对于一般的管道表面温度变化范围：[0℃，150℃]，传感器金属结构件的导热系数λs变化很小，可视为常数；散热器表面空气对流换热系数hs也变化很小，可视为常数，所以对于系数
Figure BDA0003015784410000094
也作为常系数，是传感器的一个热物性特征系数，即当传感器的结构确定后，该系数也就确定了。一般在工程应用中，需事先对传感器的环境温度算法公式系数做实验并标定。本实施例中，给出某一型号传感器的实验拟合系数为：
Figure BDA0003015784410000095
对于更精密的算法要求中，可以将温度算法公式系数
Figure BDA0003015784410000096
作为Ts的函数进行优化，得到更高的计算精度。拟合函数可以是线性函数。
基于前述的工程基本假设条件，理想的圆管管道的外面为大室内空气自然对流散热。当圆管外部为等温流体冷却，对于管道外壁面某点处，散热方程为：
q＝ha1(Tw1-Ta)
其中，ha1是管道外表面空气自然对流换热系数；Tw1是管道外管壁处温度；Ta是管道外面环境空气温度；q是散热过程的热量；管道外壁面空气自然对流换热系数ha的算法，对于通常的化工类流体管道，采用大空间自然对流实验关联式：
Figure BDA0003015784410000101
Num＝C(GrPr)m n
Figure BDA0003015784410000102
ΔT＝Tw1-Ta
其中，ha1为管道外壁面空气自然对流换热系数；Num为管道外壁面空气自然对流换热特征数努塞尔(Nusselt)数平均数；λa为环境空气的导热系数；r1为管道外壁半径；Gr为管道外壁面空气自然对流换热特征数格拉晓夫(Grashof)数；Pr为空气的流体力学特征数普朗特数；g为当地的重力加速度，一般取g＝9.8m2/s；αv为空气的体积膨胀系数，对于理想气体为热力学温度的倒数，即：αv＝1/Tm；ΔT为管道表面与环境温度的温差；D为管道外壁直径；v为空气的运动粘度；C和n为状态常系数；脚标m代表平均数。
上述各模型参数和物质热物性参数，都可通过查询相关材料的热物理性质资料获取。
当为单层管壁时，若管壁热阻不能忽略时，则可以用当量外侧对流表面换热系数表述：
Figure BDA0003015784410000103
其中，ha2是管道内管壁对外散热对流表面换热系数；r1是管道外半径；r2是管道内半径；λw1是管道壁材料的导热系数。
根据传热方程和能量守恒方程，有：
q＝ha2(Tw2-Ta)＝ha1(Tw1-Ta)
得到：
Figure BDA0003015784410000111
该式即为单层管壁时，管道内壁面温度的算法。
简化的表达方式，令
Figure BDA0003015784410000112
k1称为管道内壁面温度的算法模型系数，则：Tw2＝k1(Tw1-Ta)+Ta；
通过前述的算法，分别求解出ha1和ha2，即可求解出单层管道内壁面温度的算法模型系数k1。
广泛的研究和经验表明，对于金属管道或容器，管道外壁与内壁的温度非常接近。因此，对于大多数工程应用，通常不需要区分不同管道金属材质和壁厚的影响，仅设定一个固定的算法模型系数，做通用的温度校正。
当管壁材料的导热系数很大时，
Figure BDA0003015784410000113
或管壁厚δ相对管直径D很小时，
Figure BDA0003015784410000114
则ha2≈ha1，k1≈1。例如优选的，对于薄壁铜管道。
对于其他金属材料的圆管，例如当直径D≥0.03米时，都可令：ha1≈1.01ha2，
Figure BDA0003015784410000115
当为多层管壁时，对于有多层不同材料叠加而成管壁情况，可以采用上述方程进行逐层递推的方式，求得管道最内层的对外散热对流传热系数：
Figure BDA0003015784410000116
其中，ha(n-1)是管道第(n-1)层外管壁对外散热对流表面换热系数；ha(n)是管道第(n-1)层内管壁对外散热对流表面换热系数；r(n-1)是管道第(n-1)层壁外半径；r(n)是管道第(n-1)层壁内半径；λw(n-1)是管道第(n-1)层壁材料的导热系数。
对于具有多层材料管壁，例如有隔热层时，都需要采用多层管壁的解析算法，具体求解出ha(n)与ha1的关系。
管道多层管壁的散热和能量守恒方程为：
q＝ha(n)(Tw(n-1)-Ta)＝ha1(Tw1-Ta)
得到：
Figure BDA0003015784410000121
该式即为多层管壁时，管道内壁面温度的递推算法。
令
Figure BDA0003015784410000122
k1n称为管道内壁面温度的算法模型系数，则：Tw(n-1)＝k1n(Tw1-Ta)+Ta；
通过前述的算法，分别求解出ha1、ha2……ha(n)，即可求解出多层管道内壁面温度的算法模型系数k1n。
对于具有多层材料管壁，尤其是带有隔热层材料时，管道最内壁面温度与最外壁面温度差异较大，一般的不做简化处理，避免出现较大的测算误差。
根据流体力学和传热学相关定律，管道内流体中心对壁面的传热方程为：
q＝hf(Tc-Tw(n-1))
Figure BDA0003015784410000123
其中,hf为管道内流体中心对于管道内壁面的表面换热系数；λf是管道内流体的导热系数；Nu是管道流体中心对于管道内侧壁的流体表面换热特征数努塞尔(Nusselt)数。
根据能量守恒定律，建立管道流体中心温度与管道外壁面温度的关系方程：
当假设为多层管壁时，有：
q＝hf(Tc-Tw(n-1))＝ha1(Tw1-Ta)
得到：
Figure BDA0003015784410000131
该式即为管道流体中心温度的算法。
令
Figure BDA0003015784410000132
k2为管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数，则：Tc＝k2(Tw1-Ta)+Tw(n-1)。
管道流体中心对于外壁面温度的算法：
Tc＝k2(Tw1-Ta)+Tw(n-1)＝k2(Tw1-Ta)+k1(Tw1-Ta)+Ta
＝(k2+k1)(Tw1-Ta)+Ta
令k2+k1＝k3，k3称为管道流体中心对于外壁面温度的算法模型系数，则：Tc＝k3(Tw1-Ta)+Ta。
该式即为管道流体中心温度与管道外壁面温度的关系方程。
在一实施例中，采用管道流体温度解析算法对管道流体中心对于外壁面温度的算法模型系数k3进行求解。具体的，
流体在管道内的流动可以分为层流与湍流两大类，其分界点为以管道直径为特征尺度的Re数，称为临界Re数，记为Rec，其值为2300。一般的，Re大于10000后为旺盛湍流，而2300≤Re≤10000的范围为过渡区。
Figure BDA0003015784410000133
本实施例中，采用Rec＝2300作为分界点，两种流态分别采用不同的方法计算Nu数。
层流情况下Nu数的算法：
如图4所示，Nu数与Bi数的近似关系拟合函数：
Nu＝4.1Bi -0.025
毕渥(Biot)数Bi的定义公式：
Figure BDA0003015784410000141
Figure BDA0003015784410000142
一般的，对于化工工程的流体管道，流体为油或水溶液类，流体速度较低时，近似的取Nu＝4.1。具体的，以Re数作为流体状态的判断条件。
湍流情况下Nu数的算法，采用Gnielinski公式：
Figure BDA0003015784410000143
液体：ct＝(Prf/Prw)0.01,Prf/Prw＝0.05～20
气体：ct＝(Tf/Tw)0.45,Tf/Tw＝0.5～1.5
式中，L为管道当前长度(从管道口到当前位置的长度)；f为管内湍流流动的达西(Darcy)阻力系数，按弗年柯(Filonenko)公式：
f＝(1.82lgRe-1.64)-2
适用范围：Ref＝2300～106，Rrf＝0.6～105
Gnielinski公式可用于过渡区和旺盛湍流区，统称为湍流区。
在实施例二中，如图2所示，采用管道流体温度相对偏差经验公式算法对管道流体中心对于外壁面温度的算法模型系数k3进行求解。具体的，
广泛的研究和经验表明，对于金属管道或容器，管道外壁与内壁的温度非常接近。因此，对于高于环境温度较多的流体温度，例如50℃以上，通常不需要区分不同管道金属材质和壁厚的影响，仅设定一个固定的传热偏差系数，做通用的温度校正。
但对于不同的流体状态(参数)，金属管道外壁和流体中心温度(或流体平均温度)的差异，呈现出不同的相关性规律。根据这种相关性规律的试验研究和归纳，设计经验偏差拟合公式，并拟合出近似的非介入测温函数算法，称为经验公式算法。实现工程上的简化和快速计算，并能得到满足需要的测温精度。相关管道流体的状态参数，对测温精度影响的直接物理因素主要体现在：从流体中心到流体最外层(管道内壁面处)的温度分布情况呈现不同的规律。
通过归纳整理，将工程常见的管道流体，以具有不同粘度和导热性的流体物质分为三大类进行描述。在使用非介入式温度测量中，流体流速和管道直径对测温精度有关键性影响，是经验公式算法主要考察自变量。通过经验公式算法，计算出相对温度偏差，将相对温度偏差转换为补偿系数，再通过补偿公式计算出目标温度值。
管道流体温度相对偏差的定义：
Figure BDA0003015784410000151
补偿系数的拟合公式为：
Figure BDA0003015784410000152
则补偿系数与相对偏差的关系为：
Figure BDA0003015784410000153
其中，管道外壁面温度Tw1，单位：℃；流体中心温度Tc，单位：℃；环境温度Ta，单位：℃；流体速度v，单位：m/s；管道直径D，单位：m；动力粘度μ，单位：mPa.s；流体导热率λ,单位：W/m.K；管道流体温度的相对偏差em，无量纲参数。
下面分三类管道流体情况进行描述，管道流体温度的相对偏差与流体速度v和管道直径D的拟合函数。
如图5所示，低粘度且高导热性流体，以及中高流速等湍流流体，具有相似的温度分布特征。例如：水、水溶液、水性液体、快速流动的油、饱和蒸汽等，其动力粘度μ～1mPa·s。
em1＝1×10-5v-2D-1+0.01
em2＝0.11D0.5+0.01
em＝min(em1,em2)
应用范围：D∈[0.03,1]m，v∈[0,0.3]m/s。
经验性结论：
在中等流速下，无论管道直径大小怎样，低粘度液体(如水)更容易发生湍流；
小管径(D<0.03米)时，所有中等速流速情况下，温度相对偏差都很小；
即使在非常低的流速(v>0.01m/s)下，无论管道直径如何，温度相对偏差始终很小；
对于采用非介入式测量，大多数低粘度液体的温度相对偏差都很小。
如图6所示，中等粘度且低导热性液体，导热率λ～0.14W/mK，动力粘度μ～13.4mPa·s。
em1＝0.01v-2D-2+0.01
em2＝0.07D0.5+0.05
em＝min(em1,em2)
应用范围：D∈[0.03,1]m，v∈[0,3]m/s。
经验性结论：
中等粘度且低导热性液体，在湍流状态下，才有较小的相对偏差；
较高的流速和较大的管道直径时，温度相对偏差较小。例如，管道直径为D>0.05米，速度v>70cm/s时；
对于大多数中等粘度且低导热性液体，使用非介入式温度测量，温度相对偏差都很小。
如图7所示，高粘度液体，例如：蜂蜜，动力粘度μ～10000mPa·s。
em1＝20v-2D-2+0.01
em2＝0.2D+0.016
em＝min(em1,em2)
应用范围：D∈[0.03,1]m，v∈[0,100]m/s。
经验性结论：
高粘度液体，无论流速大小和管道直径大小，几乎不出现湍流状态；
小管径(D<0.03米)时，所有流速情况下，温度相对偏差都较小；
对于高粘度液体，在较大管道直径时，温度相对偏差随流速在一定流速范围内明显变化，但实际上这个流速范围对于工业应用来说太大了，一般不会遇到。
上述三类流体物质涵盖了大部分的化工工业类流体。除了上述实施例外，采用本方法还可就各种不同的管道和流体情况，对温度相对偏差的应用进行更多的实验研究。此外采用流体仿真程序，可以非常精确地评估在特定应用中非介入测温的准确性。
在一实施例中，室温为10℃的厂房内，有直径为0.1m的不锈钢管道，管道壁厚2mm，水平部分长15m，内部为流速为0.1m/s的热水，管道外壁面温度测得为50℃，求管道内水流中心的温度。
(1)首先求解管道外壁与空气的自然对流换热系数
计算平均温度：
Figure BDA0003015784410000171
由公开的资料手册查得，30℃时空气的热物性：
密度：ρ＝1.165kg/m3；
比热容：cp＝1.005kJ/(kg·K)；
导热系数：λa＝0.0267W/(m·K)；
运动粘度：v＝16×10-6m2/s；
环境的重力加速度：g＝9.8m2/s；
体积膨胀系数：αv＝1/Tm＝1/(273+30)K；
普朗特数：Pr＝0.701。
计算特征数Gr为格拉晓夫(Grashof)数：
Figure BDA0003015784410000181
计算特征数Nu努塞尔(Nusselt)数，即管道外壁面对空气散热的特征数：
通过查表得知，自然对流散热过程为层流状态，
系数：C＝0.48；
指数：n＝1/4；
Nu＝C(GrPr)n＝0.48×(5.05×106×0.701)1/4＝20.82
计算自然对流管道表面换热系数：
Figure BDA0003015784410000182
(2)求解管道内壁面的对外换热系数
因为直径D≥0.03m，令：ha1≈1.01ha2，k1≈1.01。
(3)求解管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数
计算管道内流体中心雷诺数，均假设管道内流体中心为充分发展流，即不考虑管道长度和位置对流态的影响。
Figure BDA0003015784410000191
Re<Rec＝2300，得知，流态为层流，后续采用层流的计算方法计算换热系数。
计算管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数：
如图8所示，对管道内水的中心温度做估值约60℃，查表得到导热系数λf＝65.9×10-2W/(m·K)
Figure BDA0003015784410000192
(4)求解管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数
计算k3整体的非介入测温校正系数：
k3＝k2+k1＝0.02+1.01＝1.03。
(5)求解管道流体中心温度
Tc＝k3(Tw1-Ta)+Ta＝0.03×(50-10)+10＝51.2℃
在一实施例中，室温为10℃的厂房内，有直径为0.1m的不锈钢管道，管道壁厚2mm，水平部分长15m，内部为流速为0.1m/s的热水，管道外壁面温度测得为50℃，求管道内水流中心的温度。
(1)首先根据管道内流体中心的特性判断采用适合的经验公式算法：
由公开的资料手册查得，约50℃时水的热物性：
动力粘度：μ＝549.4×10-6Pa·s≈0.5×10-3mPa·s
得知，符合低粘度且高导热性流体。
(2)计算管道流体温度相对偏差：
em1＝1×10-5v-2D-1+0.01＝1×10-5×(0.1m)-2×(0.1m)-1+0.01＝0.02
em2＝0.11D0.5+0.01＝0.11×(0.1m)0.5+0.01≈0.04
em＝min(em1,em2)＝min(0.02,0.04)＝0.02
(3)计算管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数：
Figure BDA0003015784410000201
(4)求解管道流体中心温度：
Tc＝k3(Tw1-Ta)+Ta＝1.02×(50-10)+10＝50.8℃
结论：从此案例可以看出采用解析算法比经验公式算法具有更高的准确度；采用经验公式算法比解析算法更简单快速，在对测温精度要求不高的情况下宜采用。
一种电子设备，包括：处理器；
存储器；以及程序，其中程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，程序包括用于执行一种管道流体非介入式测温方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行一种管道流体非介入式测温方法。
本发明提供一种管道流体非介入式测温方法，包括以下步骤：计算管道外壁与空气的自然对流换热系数，计算管道内壁面的对外换热系数，计算管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数，计算管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数，计算管道流体中心温度。本发明涉及一种电子设备和存储介质，用于执行一种管道流体非介入式测温方法。本发明可实现化工工业管道内流体中心的高精度、高可靠的温度测量。无需考虑环境条件，也不干涉工艺过程，显著提高系统安全性，免除了开孔工艺所需的成本，大幅降低设备成本。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管道流体非介入式测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算管道外壁与空气的自然对流换热系数，采用大空间自然对流实验关联式计算管道外壁与空气的自然对流换热系数；
计算管道内壁面的对外换热系数，通过所述管道外壁与空气的自然对流换热系数、管道外半径、管道内半径和管道壁材料的导热系数计算管道内壁面的对外换热系数，通过所述管道外壁与空气的自然对流换热系数和所述管道内壁面的对外换热系数计算管道内壁面温度的算法模型系数；
计算管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数，通过所述管道外壁与空气的自然对流换热系数、管道内流体的导热系数和管道外壁直径计算管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数；
计算管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数，通过所述管道内壁面温度的算法模型系数和所述管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数计算管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数；
计算管道流体中心温度，通过所述管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数、管壁外管壁处温度和管道外面环境空气温度计算管道流体中心温度。
2.如权利要求1所述的一种管道流体非介入式测温方法，其特征在于：所述大空间自然对流实验关联式为：
Figure FDA0003015784400000011
Num＝C(GrPr)m n
Figure FDA0003015784400000012
ΔT＝Tw1-Ta
其中，ha1为管道外壁面空气自然对流换热系数；Num为管道外壁面空气自然对流换热特征数努塞尔数平均数；λa为环境空气的导热系数；r1为管道外壁半径；Gr为管道外壁面空气自然对流换热特征数格拉晓夫数；Pr为空气的流体力学特征数普朗特数；g为当地的重力加速度；αV为空气的体积膨胀系数；ΔT为管道表面与环境温度的温差；D为管道外壁直径；υ为空气的运动粘度；C和n为状态常系数；Tw1为管壁外管壁处温度；Ta为管道外面环境空气温度；脚标m代表平均数。
3.如权利要求2所述的一种管道流体非介入式测温方法，其特征在于：当为单层管壁时，所述管道内壁面的对外换热系数计算公式为：
Figure FDA0003015784400000021
所述管道内壁面温度的算法模型系数计算公式为：
Figure FDA0003015784400000022
其中，k1为管道内壁面温度的算法模型系数；ha2为管道内管壁对外散热对流表面换热系数；r1为管道外半径；r2为管道内半径；λw1为管道壁材料的导热系数；
当为多层管壁时，所述管道内壁面的对外换热系数计算公式为：
Figure FDA0003015784400000023
所述管道内壁面温度的算法模型系数计算公式为：
Figure FDA0003015784400000024
其中，k1n为管道内壁面温度的算法模型系数；ha(n-1)为管道第(n-1)层外管壁对外散热对流表面换热系数；ha(n)为管道第(n-1)层内管壁对外散热对流表面换热系数；r(n-1)为管道第(n-1)层壁外半径；r(n)为管道第(n-1)层壁内半径；λw(n-1)为管道第(n-1)层壁材料的导热系数。
4.如权利要求3所述的一种管道流体非介入式测温方法，其特征在于：所述管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数计算公式为：
Figure FDA0003015784400000031
Figure FDA0003015784400000032
其中，k2为管道内流体中心与内壁面的温度偏差补偿系数；hf为管道内流体中心对于管道内壁面的表面换热系数；λf是管道内流体的导热系数；Nu是管道流体中心对于管道内侧壁的流体表面换热特征数努塞尔数。
5.如权利要求4所述的一种管道流体非介入式测温方法，其特征在于：所述管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数计算公式为：
k3＝k2+k1n
其中，k3为管道流体中心对于外壁面温度的算法模型系数。
6.如权利要求5所述的一种管道流体非介入式测温方法，其特征在于：所述管道流体中心温度计算公式为：
Tc＝k3(Tw1-Ta)+Ta。
7.如权利要求5所述的一种管道流体非介入式测温方法，其特征在于：层流情况下Nu数计算公式为：
Nu＝4.1Bi -0.025
毕渥数Bi的定义公式：
Figure FDA0003015784400000041
湍流情况下Nu数计算公式为：
Figure FDA0003015784400000042
液体：ct＝(Prf/Prw)0.01,Prf/Prw＝0.05～20
气体：ct＝(Tf/Tw)0.45,Tf/Tw＝0.5～1.5
其中，L为管道从管道口到当前位置的长度；f为管内湍流流动的Darcey阻力系数，按弗年柯公式：
f＝(1.82lgRe-1.64)-2
适用范围：Ref＝2300～106，Rrf＝0.6～105。
8.如权利要求6所述的一种管道流体非介入式测温方法，其特征在于：管道流体温度相对偏差的定义为：
Figure FDA0003015784400000043
所述管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数的拟合公式为：
Figure FDA0003015784400000044
则所述管道流体中心与管道外壁面温度偏差补偿系数与所述管道流体温度相对偏差的关系为：
Figure FDA0003015784400000045
若为低粘度且高导热性流体，则
em1＝1×10-5v-2D-1+0.01
em2＝0.11D0.5+0.01
em＝min(em1,em2)
应用范围：D∈[0.03,1]m，v∈[0,0.3]m/s；
若为中等粘度且低导热性液体，则
em1＝0.01v-2D-2+0.01
em2＝0.07D0.5+0.05
em＝min(em1,em2)
应用范围：D∈[0.03,1]m，v∈[0,3]m/s；
若为高粘度液体，则
em1＝20v-2D-2+0.01
em2＝0.2D+0.016
em＝min(em1,em2)
应用范围：D∈[0.03,1]m，v∈[0,100]m/s。
9.一种电子设备，其特征在于包括：处理器；
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求1-8任意一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行如权利要求1-8任意一项所述的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115169262A (zh) * 2022-07-18 2022-10-11 重庆大学 一种考虑汽液相间温差变化的汽泡分析方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115169262A (zh) * 2022-07-18 2022-10-11 重庆大学 一种考虑汽液相间温差变化的汽泡分析方法

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