CN212391418U - 一种气体冷却介质换热系数测量设备 - Google Patents

Abstract

一种气体冷却介质换热系数测量设备，包括待测板材转动机构，位于透明外壳内，用于固定不同材料的待测板材并带动待测板材进行旋转；冷却介质喷射机构，朝向待测板材转动机构，用于向待测板材喷射气体冷却介质；气体冷却介质输送机构，位于透明外壳外并与冷却介质喷射机构连接，用于向冷却介质喷射机构提供不同的气体冷却介质；温度测量机构，安装在待测板材转动机构上，用于测量出待测板材冷却前后的温度。本发明可以根据控制变量理论，自行改变影响因素及不同的换热气体冷却介质，测量出不同工况下不同换热气体冷却换热系数，根据现有理论计算模型，计算出不同工况下的气体冷却换热，择优选择针对不同种类待冷却板材料的冷却气体及相关参数。

Description

一种气体冷却介质换热系数测量设备

技术领域

本发明涉及流体参数测量、热处理淬火工艺的技术领域，尤其涉及一种气体冷却介质换热系数测量设备。

背景技术

目前主要针对换热系数的实验测量方法有以下几种：比拟法、热流法、集中参数法、周期振荡法和液晶测温法。其中热流法原理简单，可操作性强，在工程测量换热系数时被广泛采用。根据测量时系统换热热流的状态，可以分为：

(1)稳态热流法:控制系统换热热流为定值，测量时系统处于稳态，换热热流的各点温度理论上不随时间变化。这种方法不需要时刻测量热流变化，实验操作和数据处理较为简单，易于实现；但实验周期长，而且热流对固体温度边界较为敏感，实验误差较大，实验条件也比较苛刻；

(2)瞬态热流法:系统不处于稳态，换热热流与各点温度随时间变化。相对于稳态热流法，瞬态热流法的测量结果更能反映出对流换热系数与温度的关系，实验周期短，而且克服了热流对固体温度边界敏感的问题，有效减小误差，因此近年来被越来越广泛地应用在测量换热系数的实验中。但相比于稳态热流法，瞬态热流法的实验操作与数据处理较为繁琐。

目前针对气体冷却换热系数的理论计算有着坚实的基础，实验方法也根据不同的理论模型而产生，但是依旧缺少测量在改变其他换热效果影响因素前提下的不同气体冷却换热系数的设备。其中影响因素可包含：气体的射流速度、喷口压力、喷口排布、与待换热物体接触角度和距离等。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种气体冷却介质换热系数测量设备，可以测量出不同工况下不同换热气体冷却换热系数，根据现有理论计算模型，计算出不同工况下的气体冷却换热，择优选择针对不同种类待冷却板材料的冷却气体及相关参数。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种气体冷却介质换热系数测量设备，包括待测板材转动机构，位于透明外壳内，用于固定不同材料的待测板材并带动待测板材进行旋转；冷却介质喷射机构，位于透明外壳内并朝向所述待测板材转动机构，用于向待测板材喷射气体冷却介质；气体冷却介质输送机构，位于透明外壳外并与所述冷却介质喷射机构连接，用于向所述冷却介质喷射机构提供不同的气体冷却介质；温度测量机构，安装在待测板材转动机构上，用于测量出待测板材冷却前后的温度。

进一步的，所述待测板材转动机构包括：板材托架，其上安装固定有待测板材；托架支承体，固定在所述透明外壳的底部并可转动的支撑住所述板材托架；驱动机构，位于所述托架支承体的一侧，并用于驱动所述板材托架在所述托架支承体上进行旋转。

进一步的，所述驱动机构包括电机、与所述电机连接的连接轴；所述连接轴与所述板材托架连接并带动板材托架旋转。

可选的，所述冷却介质喷射机构包括：可旋转喷嘴支架，其上安装有呈矩形分布的冷却喷嘴，所述冷却喷嘴朝向所述待测板材设置并向待测板材喷射气体冷却介质；三维移动机构，位于所述可旋转喷嘴支架的上方，并可带动可旋转喷嘴支架进行上下左右自行移动；旋转电机，安装在所述可旋转喷嘴支架和三维移动机构之间，用于控制可旋转喷嘴支架的旋转角度。

进一步的，所述三维移动机构包括水平移动同步带直线滑台和竖直移动同步带直线滑台，所述竖直移动同步带直线滑台的顶部安装在水平移动同步带直线滑台上，其底部安装有所述旋转电机；所述水平移动同步带直线滑台带动所述竖直移动同步带直线滑台及其上的可旋转喷嘴支架在水平面内进行前后左右移动；所述竖直移动同步带直线滑台带动所述旋转电机和可旋转喷嘴支架在竖直方向上进行上下移动。

可选的，所述气体冷却介质输送机构包括气体冷却介质气瓶、与所述气体冷却介质气瓶连接的储气箱；所述储气箱通过管路与所述冷却喷嘴连接。

可选的，所述气体冷却介质气瓶与所述储气箱之间的管路上安装有气泵与减压阀，用于调节输入到储气箱中的气体压力与流量；所述储气箱与冷却喷嘴之间的管路上安装有压力表和流量计，用于测量输送到冷却喷嘴的气体冷却介质的压力与流量。

进一步的，所述温度测量机构包括热电偶，安装在所述板材托架上并呈矩阵分布，用于实时监测待测板材各区域的温度。

可选的，所述透明外壳的顶部一侧设有排风口，该排风口上安装有排风风扇；所述托架支承体的下方于底座中设置有料渣槽，用以收集可能会从待测板材落下来的氧化皮。

进一步的，所述透明外壳为封闭的玻璃罩外壳，在玻璃罩外壳上设有可开关送入和取出待测板材的进出料口。

由上，本发明的气体冷却介质换热系数测量设备至少具备如下有益效果：

1、采用外接冷却气体：可在不影响设备其他结构的同时，方便更换冷却气体。

2、采用矩阵排布式喷口冷却结构：单个喷嘴流量可独立调节，可以模拟多喷口气体冷却情况，对冷却条件可灵活控制。

3、控制喷嘴三维移动：可调节喷口与待冷板材的距离，实现冷却时矩阵排布的喷嘴与待测板材之间的位置相对固定，确定换热效果最优的喷射距离。

4、控制托架装置旋转，托架上布置有热电偶测温触点矩阵：待测板材旋转角度可控，可方便改变待冷却板材表面与冷却气体接触的角度，确定换热效果最优的喷射角度。待测板材放入托架时与热电偶触点矩阵接触，可对板料不同位置的温度变化情况进行实时监测。

5、整体设备(除储气箱与部分气体传输管路)在玻璃罩内(玻璃罩设置可以自行开关的进出料口)，在保证方便操作与观察的基础上，最大限度的减少实验外部环境对实验过程的影响。

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，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本申请实施例所提供的气体冷却介质换热系数测量设备的结构示意图；

图2为本申请的垂直喷射气体冷却实验图；

图3为本申请的固定角度喷射气体冷却实验图；

图4为本申请的水平喷射气体冷却实验图；

图5为本申请的动态喷射气体冷却实验图(喷射角度、位置可变)。

其中，1-储气箱(含压力表，流量计)；2-气体冷却介质气瓶(含气泵，减压阀)；3-支承架；4-玻璃罩外壳；5-控制器；6-竖直移动同步带直线滑台；7-水平移动同步带直线滑台；8-排风口(装有排风风扇)；9-旋转电机；10-可旋转喷嘴支架；11-待测板材；12-热电偶；13-板材托架；14-进出料口；15-托架支承体；16-底座(含料渣槽)；17-连接轴；18-电机。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

鉴于目前热处理气体淬火冷却介质的合理选择，冷却方式选择等研究较少，且缺少对不同工况下的对流换热系数比较的系统化实验，本申请实施例提供了一种气体冷却介质换热系数测量设备，本发明可通过测量气体冷却介质对于不同材料在不同工况下的气体冷却换热系数，还可以为模拟计算提供准确且必要的实验参数。本发明通过以下技术方案实现：

本发明的气体冷却介质换热系数测量设备主要由四个部分组成，分别为待测板材转动机构、冷却介质喷射机构、气体冷却介质输送机构和温度测量机构。

其中，待测板材转动机构通过电机18与连接轴17结合来控制板材托架13的旋转角度，冷却介质喷射机构通过将喷嘴支架安装在同步带直线滑台上来实现矩形分布的冷却喷嘴的上下左右自行移动，同时旋转电机9控制可旋转喷嘴支架10旋转。在实验前打开气体冷却介质气瓶2，使冷却气体在储气箱1内达到设定压力与温度，预设好可旋转喷嘴支架10中各冷却喷嘴的出口流量。将加热到指定温度的待测板材11从热处理炉内拿出，并放置到板材托架13上，此时待测板材11放入板材托架13时与热电偶12接触，关闭玻璃罩外壳4的进出料口14。通过电机18将板材转动到需要的角度，同步带直线滑台将可旋转喷嘴支架10移动到与待测板材11固定的距离后，旋转电机9控制待测板材11的角度，开启储气箱1中的排气阀，冷却介质从通过管路至可旋转喷嘴支架10，根据设定好的各冷却喷嘴的出口流量，冷却气体喷射到板材上进行降温。通过矩阵分布的热电偶12测出板材的初始温度与冷却气体温度，从而计算出气体冷却换热系数。将板材降温至指定温度时，关闭设备，取出板材。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明的气体冷却介质换热系数测量设备采用控制变量方法测试出不同冷却气体介质换热系数的同时，针对影响换热系数的其他因素，如气体流量，气体压力，气体喷射角度，喷口排布等可采取控制变量的方法，依次得出不同工况下的换热系数，得出最优冷却气体介质与合理的冷却方式。

具体的，本发明采用的待测板材11的长度为390mm，宽度为190mm，厚度为2mm，待测板材11固定在板材托架13上，连接轴17的一端与板材托架13的转动轴固定连接，板材托架13转动连接在固定在设备的底座16上的两根托架支承体15的顶端，连接轴17的另一端与电机18相连，电机18带动连接轴17转动，进而带动板材托架13旋转。

前述板材托架13、托架支承体15、电机18、连接轴17构成本发明的待测板材转动机构，通过待测板材转动机构可使待测板材11进行旋转，此部分可控制板材的旋转角度，与冷却介质喷射机构相配合可改变冷却气体介质喷射到待测板材11的角度，实现测量不同喷射角度时的气体冷却换热系数的效果。板材托架13上布置有热电偶12的测温矩阵触点，待测板材11放入板材托架13时，待测板材11的下表面与热电偶12的触点接触，实现板料各区域温度的实时监测。托架支承体15的下方设置有料渣槽，用以收集可能会从待测板材11落下来的氧化皮。

本发明的冷却介质喷射机构的竖直移动同步带直线滑台6上安装有可旋转喷嘴支架10，可旋转喷嘴支架10上安装呈矩阵分布的冷却喷嘴，冷却介质通过冷却喷嘴进行喷射，竖直移动同步带直线滑台6安装在水平移动同步带直线滑台7上，通过同步带直线滑台可实现可旋转喷嘴支架10的上下左右自行移动，以改变可旋转喷嘴支架10与板材之间的相对位置。可旋转喷嘴支架10和竖直移动同步带直线滑台6之间安装有旋转电机9，通过旋转电机9旋转可旋转喷嘴支架10的角度保证其与待测板材11保持在设定角度。

本发明的气体冷却介质输送机构的气体冷却介质气瓶2的出口连接有气泵与减压阀(可调节压力与流量)，并通过管路连接到储气箱1内，储气箱1与冷却介质喷射机构中的冷却喷嘴连通，并在管路上安装压力表和流量计。可通过气泵与减压阀改变输送气体的压力与流量，可改变冷却喷嘴的射流速度、喷口压力，完成测量不同压力与流量下冷却气体介质的换热系数。

本发明的整个设备用玻璃罩封闭，可减少外部环境对实验过程的影响，在玻璃罩外壳4上设有可开关的进出料口14，用于送入和取出板材。玻璃罩外壳4由支承架3进行支撑，并在玻璃罩外壳4上设置有与本发明的设备的各个机构电性连接的控制器5，以便对测量设备进行控制。

下面，参照图1至图5并结合上述结构特征的描述，对本发明的气体冷却介质换热系数测量设备的实验流程进行简单介绍：

一、首先设定好冷却状态(各喷口开关情况，喷口出口压力，待测板材11的旋转角度，排列的喷嘴与待测板材的角度与间距，压力调节阀设定压力)，打开气体冷却介质气瓶2与储气箱1之间的气泵，储气箱1中气体冷却介质压力达到设定值时关闭气泵，记录下此刻储气箱1内气体压力与温度。板材托架13与可旋转喷嘴支架10均为水平状态，可旋转喷嘴支架10与板材托架13之间保持一定距离，便于板料放入。

二、板料在热处理炉中升温完毕，将待测板材11转移至板材托架13上，此时板料的下端面与矩阵排列的热电偶12接触，热电偶测温矩阵记录下此刻温度作为板料初始温度，关闭进出料口14，打开排风口8的排风风扇(或相应的气体处理设备)。

三、控制旋转板材托架13与可旋转喷嘴支架10的角度，调整可旋转喷嘴支架10与板料之间的间距。开启储气箱1与冷却喷嘴间的压力调节阀。此时冷却气体从储气箱1中通过冷却喷嘴至待测板材的表面对板材进行冷却，冷却过程中热电偶测温矩阵对板材各区域温度进行实时监测并记录。

四、达到冷却温度时关闭压力调节阀、排风风扇，板材托架13与可旋转喷嘴支架10旋转至水平状态，可旋转喷嘴支架10与板材托架13之间保持一定距离，打开进出料口14取出板材。

五、根据热电偶12记录的板料温度实时变化曲线、各喷口运行状态、板料角度、板材托架与喷口矩阵角度、喷口矩阵与板料间距、冷却气体压力、温度等数据对不同工况下的换热系数进行分析。

由上述本发明的实施例的技术方案可以看出，本发明提供的气体冷却介质换热系数测量设备可以根据控制变量理论，自行改变影响因素及不同的换热气体冷却介质，测量出不同工况下不同换热气体冷却换热系数，根据现有理论计算模型，计算出不同工况下的气体冷却换热，择优选择针对不同种类待冷却板材料的冷却气体及相关参数。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气体冷却介质换热系数测量设备，其特征在于，包括：

待测板材转动机构，位于透明外壳内，用于固定不同材料的待测板材(11)并带动待测板材(11)进行旋转；

冷却介质喷射机构，位于透明外壳内并朝向所述待测板材转动机构，用于向待测板材喷射气体冷却介质；

气体冷却介质输送机构，位于透明外壳外并与所述冷却介质喷射机构连接，用于向所述冷却介质喷射机构提供不同的气体冷却介质；

温度测量机构，安装在待测板材转动机构上，用于测量出待测板材冷却前后的温度。

2.根据权利要求1所述的气体冷却介质换热系数测量设备，其特征在于，所述待测板材转动机构包括：

板材托架(13)，其上安装固定有待测板材(11)；

托架支承体(15)，固定在所述透明外壳的底部并可转动的支撑住所述板材托架(13)；

驱动机构，位于所述托架支承体(15)的一侧，并用于驱动所述板材托架(13)在所述托架支承体(15)上进行旋转。

3.根据权利要求2所述的气体冷却介质换热系数测量设备，其特征在于，所述驱动机构包括电机(18)、与所述电机(18)连接的连接轴(17)；

所述连接轴(17)与所述板材托架(13)连接并带动板材托架(13)旋转。

4.根据权利要求1所述的气体冷却介质换热系数测量设备，其特征在于，所述冷却介质喷射机构包括：

可旋转喷嘴支架(10)，其上安装有呈矩形分布的冷却喷嘴，所述冷却喷嘴朝向所述待测板材(11)设置并向待测板材(11)喷射气体冷却介质；

三维移动机构，位于所述可旋转喷嘴支架(10)的上方，并可带动可旋转喷嘴支架(10)进行上下左右自行移动；

旋转电机(9)，安装在所述可旋转喷嘴支架(10)和三维移动机构之间，用于控制可旋转喷嘴支架(10)的旋转角度。

5.根据权利要求4所述的气体冷却介质换热系数测量设备，其特征在于，所述三维移动机构包括水平移动同步带直线滑台(7)和竖直移动同步带直线滑台(6)，所述竖直移动同步带直线滑台(6)的顶部安装在水平移动同步带直线滑台(7)上，其底部安装有所述旋转电机(9)；

所述水平移动同步带直线滑台(7)带动所述竖直移动同步带直线滑台(6)及其上的可旋转喷嘴支架(10)在水平面内进行前后左右移动；

所述竖直移动同步带直线滑台(6)带动所述旋转电机(9)和可旋转喷嘴支架(10)在竖直方向上进行上下移动。

6.根据权利要求4所述的气体冷却介质换热系数测量设备，其特征在于，所述气体冷却介质输送机构包括气体冷却介质气瓶(2)、与所述气体冷却介质气瓶(2)连接的储气箱(1)；

所述储气箱(1)通过管路与所述冷却喷嘴连接。

7.根据权利要求6所述的气体冷却介质换热系数测量设备，其特征在于，所述气体冷却介质气瓶(2)与所述储气箱(1)之间的管路上安装有气泵与减压阀，用于调节输入到储气箱(1)中的气体压力与流量；

所述储气箱(1)与冷却喷嘴之间的管路上安装有压力表和流量计，用于测量输送到冷却喷嘴的气体冷却介质的压力与流量。

8.根据权利要求2所述的气体冷却介质换热系数测量设备，其特征在于，所述温度测量机构包括：

热电偶(12)，安装在所述板材托架(13)上并呈矩阵分布，用于实时监测待测板材(11)各区域的温度。

9.根据权利要求2所述的气体冷却介质换热系数测量设备，其特征在于，所述透明外壳的顶部一侧设有排风口(8)，该排风口(8)上安装有排风风扇；

所述托架支承体(15)的下方于底座(16)中设置有料渣槽，用以收集会从待测板材(11)落下来的氧化皮。

10.根据权利要求1所述的气体冷却介质换热系数测量设备，其特征在于，所述透明外壳为封闭的玻璃罩外壳(4)，在玻璃罩外壳(4)上设有可开关送入和取出待测板材(11)的进出料口(14)。

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