NO170367B

NO170367B - VARMESTROEMMAALER

Info

Publication number: NO170367B
Application number: NO902065A
Authority: NO
Inventors: Carlo Vitanzas
Original assignee: Inst Energiteknik
Priority date: 1990-05-10
Filing date: 1990-05-10
Publication date: 1992-06-29
Also published as: NO902065L; NO902065D0; NO170367C

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en varmestrømmåler for å måle varmestrøm gjennom en vegg, særlig sidevegg eller bunn for en elektrolyseovn. The present invention relates to a heat flow meter for measuring heat flow through a wall, in particular the side wall or bottom of an electrolysis furnace.

Sådan måling utføres tradisjonelt ved å bestemme temperatur-fallet over veggen, og med kjennskap til veggens varmeledningsevne eller termiske motstand kan da varmestrømmen pr. flateenhet gjennom veggen utledes. I mange tilfeller er imidlertid veggens- ene- side bare tilgjengelig for temperaturmåling på visse faste steder eller ikke i det hele tatt. Dette er tilfelle ved ovner av forskjellig slag, særlig smelte- og elektrolyseovner. Such measurement is traditionally carried out by determining the temperature drop across the wall, and with knowledge of the wall's thermal conductivity or thermal resistance, the heat flow per unit area through the wall is derived. In many cases, however, one side of the wall is only available for temperature measurement at certain fixed locations or not at all. This is the case with furnaces of various types, especially smelting and electrolytic furnaces.

Særlig ved elektrolyseovner er det imidlertid av stor interesse å få kunnskap om fordelingen av varmestrømmen ut fra ovnen over ovnens vegger og bunn. Dette kan gi verdi-fulle opplysninger om ovnens driftstilstand. Særlig vil den lokale varmestrøm gjennom sideveggene på forskjellige steder kunne gi nyttig informasjon om utbredelsen av størknet elektrolytt på innsiden av veggen. Det er da særlig viktig at de lokale målinger av varmestrømmen ut fra ovnen finner sted slik at den naturlige varmestrømfordeling ikke forstyr-res. For å bestemme fordelingen er da først og fremst relative og dynamiske målinger av interesse fremfor absolutte varmestrømbestemmelser. Especially with electrolysis furnaces, however, it is of great interest to gain knowledge about the distribution of the heat flow from the furnace over the walls and bottom of the furnace. This can provide valuable information about the oven's operating condition. In particular, the local heat flow through the side walls in different places will be able to provide useful information about the spread of solidified electrolyte on the inside of the wall. It is therefore particularly important that the local measurements of the heat flow from the oven take place so that the natural heat flow distribution is not disturbed. In order to determine the distribution, relative and dynamic measurements are primarily of interest rather than absolute heat flow determinations.

Det er derfor et hovedformål for foreliggende oppfinnelse å frembringe en varmestrømmåler av innledningsvis angitt art og som oppfyller de ovenfor angitte driftsbetingelser. It is therefore a main purpose of the present invention to produce a heat flow meter of the kind indicated at the outset and which fulfills the operating conditions indicated above.

Videre er det et formål for oppfinnelsen å frembringe en sådan varmestrømmåler av enkel og robust konstruksjon, og som når som helst kan monteres på et lokalt målested samt forflyttes mellom forskjellige målesteder, f.eks. hvor som helst på utsiden av ovnsveggen under drift av en elektrolyseovn. Furthermore, it is an object of the invention to produce such a heat flow meter of simple and robust construction, which can be mounted at any time at a local measuring point and moved between different measuring points, e.g. anywhere on the outside of the furnace wall during operation of an electrolytic furnace.

Disse formål er oppnådd ved en varmestrømmåler av ovenfor omtalte art og hvis særtrekk i henhold til oppfinnelsen ligger i at måleren omfatter to godt varmeledende plater med meget smalt mellomliggende luftgap i forhold til de lineære dimensjoner av platenes sideflater, samt med minst et termoelement for temperaturmåling på hver side av luftgapet, idet måleren er utført for å monteres med sin ene plate i tett anlegg mot den vegg hvis varmegjennomgang skal måles. These purposes have been achieved by a heat flow meter of the type mentioned above and whose special feature according to the invention is that the meter comprises two well heat-conducting plates with a very narrow intervening air gap in relation to the linear dimensions of the plates' side surfaces, as well as with at least one thermocouple for temperature measurement on each side of the air gap, as the meter is designed to be mounted with its one plate in close contact with the wall whose heat transfer is to be measured.

Ved måling av varmestrøm gjennom ovnsvegger er det funnet særlig hensiktsmessig at luftgapet er dimensjonert for å gi et temperatursprang på 40-60°C ved en varmestrømtetthet på 0,4-0,6 W/cm<2>. When measuring heat flow through oven walls, it has been found particularly appropriate that the air gap is dimensioned to give a temperature jump of 40-60°C at a heat flow density of 0.4-0.6 W/cm<2>.

Denne temperaturforskjell ble valgt for å kunne gi en rimelig grad av målenøyaktighet, samtidig som forsøk viste at dette i vanlig praksis ville medføre en helt ubetydelig forstyrrelse av varmestrømgjennomgangen på målestedet. Temperaturfor-skjellen ble da målt ved hjelp av to termoelementer innfelt i hver sin stålplate på den side som vendte mot luftgapet, som i en forsøksutførelse ble innstilt til 0,4 mm for måling i et temperaturområde omkring 250°C. This temperature difference was chosen in order to be able to provide a reasonable degree of measurement accuracy, while experiments showed that in normal practice this would cause a completely insignificant disturbance of the heat flow at the measurement location. The temperature difference was then measured using two thermocouples embedded in each steel plate on the side facing the air gap, which in an experimental design was set to 0.4 mm for measurement in a temperature range of around 250°C.

Varmestrømmålerens følsomhet er bereget for denne utførelse, idet man har gått ut fra at luftens varmeledningsevne L er gitt ved den empiriske formel: The heat flow meter's sensitivity has been calculated for this design, as it has been assumed that the air's thermal conductivity L is given by the empirical formula:

T(K) bx da luftgapets middeltemperatur angitt i ° Kelvin. T(K) bx then the mean temperature of the air gap stated in ° Kelvin.

Videre er varmestrålingen S gjennom luftgapet gitt ved formelen: hvor platenes emissivitet E antas å være 0,4 og temperaturspranget AT over luftgapet åpenbart er meget mindre enn T(K), slik at man uten vesentlig feil kan sløyfe alle ledd med AT i høyere potens enn en. Ligning (2) går da over i: Furthermore, the heat radiation S through the air gap is given by the formula: where the emissivity E of the plates is assumed to be 0.4 and the temperature jump AT across the air gap is obviously much smaller than T(K), so that one can loop all links with AT in a higher power without significant error than one. Equation (2) then turns into:

Ut ifra ligningene (1) og (3) og luftgapets størrelse = 0,4 mm kan man da utlede følgende uttrykk for varmestrømmålerens kalibreringsfaktor med hensyn på sammenhengen mellom det målte temperatursprang AT over luftgapet og varmestrømtett-heten M i måleren: Based on equations (1) and (3) and the size of the air gap = 0.4 mm, the following expression for the heat flow meter's calibration factor can then be derived with regard to the relationship between the measured temperature jump AT across the air gap and the heat flow density M in the meter:

Ved kalibrering av varmestrømmåleren i den ovenfor angitte utførelse ved elektrisk oppvarming ble følsomheten målt til 0,013 W/(cm<a> • °C) ved 250°C. Den tilsvarende teoretiske verdi ifølge formel (4) ovenfor er 0,01177, og avviket på 9,5 % kan da tilskrives forskjellige årsaker som det ikke er tatt hensyn til ved beregningene, f.eks. lokale variasj oner av luftgapets bredde, luftbevegelser i gapet og visse konstruk-sjonsdetaljer, f.eks. festeskruer for platene. When calibrating the heat flow meter in the above-mentioned design by electric heating, the sensitivity was measured to be 0.013 W/(cm<a> • °C) at 250°C. The corresponding theoretical value according to formula (4) above is 0.01177, and the deviation of 9.5% can then be attributed to various reasons that have not been taken into account in the calculations, e.g. local variations of the air gap width, air movements in the gap and certain construction details, e.g. fastening screws for the plates.

En hensiktsmessig utførelse av varmestrømmåleren i henhold til oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet under henvis-ning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Figur 1 viser, sett fra innsiden, den ene stålplate i An appropriate design of the heat flow meter according to the invention will now be described in more detail with reference to the attached drawings, on which: Figure 1 shows, seen from the inside, one steel plate in

strømningsmåleren i henhold til oppfinnelsen. the flow meter according to the invention.

Figur 2 viser et snitt gjennom platen i figur 1 langs en Figure 2 shows a section through the plate in Figure 1 along a

diameter A-A. diameter A-A.

Figur 3 viser i samme diametralsnitt den ferdig sammen- stilte varmestrømmåler montert på en ovnsvegg. Figur 4 er et kurvediagram som viser beregnede data ved de ovenfor angitte formler for den viste og beskrevne utførelse av varmestrømmåleren. I figurene 1 og 2 er det vist en av de to like stålplater som inngår i varmestrømmåleren i henhold til foreliggende oppfinnelse. Platene har i den foreliggende utførelse sirkelrund form med en diameter på 125 mm og en tykkelse på 5 mm. For sammenføyning av platene er hver plate forsynt med tre skruehull H nær platens ytre omkrets og i samme innbyrdes vinkelavstand. Videre er hver plate P forsynt med et radialt utfreset spor fra platens omkrets omtrent til dens midtpunkt for innlegg av termoelementledninger med henblikk på temperaturmåling. Figure 3 shows in the same diametrical section the finished assembled styled heat flow meter mounted on a furnace wall. Figure 4 is a curve diagram showing calculated data using the above stated formulas for the shown and described design of the heat flow meter. Figures 1 and 2 show one of the two identical steel plates included in the heat flow meter according to the present invention. In the present embodiment, the plates have a circular shape with a diameter of 125 mm and a thickness of 5 mm. For joining the plates together, each plate is provided with three screw holes H near the plate's outer circumference and at the same angular distance from each other. Furthermore, each plate P is provided with a radially milled groove from the plate's circumference approximately to its midpoint for the insertion of thermocouple leads for the purpose of temperature measurement.

I figur 3 er de to plater Pl og P2 vist ferdig sammenstilt til en varmestrømmåler, som er montert på en ovnsvegg C for måling av varmestrømmen ut fra veggen på monteringsstedet. Ledninger L er ført frem til termoelementer Tl og T2 i hvert sitt ledningsspor i hver av de to plater. Mellom platene er det innstilt et luftgap G på 0,4 mm ved hjelp av avstandsrin-ger R av isolerende material omkring hvert skruehull H. Inn i hvert skruehull i den ene plate Pl er det ført en skrue V for inngrep i tilpassede gjenger i det tilsvarende annet skruehull H i den annen plate P2. Den ytre plate Pl ér langs sin ytre omkrets påført en dekkring D med to skjørt Kl, K2 som strekker seg langs platenes sirkelformede sidekant for tildekning av luftgapet mellom' platene. På denne måte hindres inntrengning av støv og andre forurensninger i gapet, samtidig som luftstrømning gjennom gapet forhindres. Luften i gapet vil da være stillestående, således at reproduserbare målinger kan oppnås. In Figure 3, the two plates Pl and P2 are shown fully assembled into a heat flow meter, which is mounted on a furnace wall C for measuring the heat flow from the wall at the installation site. Wires L are led to thermocouples Tl and T2 in separate wire slots in each of the two plates. An air gap G of 0.4 mm is set between the plates using spacer rings R of insulating material around each screw hole H. A screw V is inserted into each screw hole in one plate Pl for engagement in adapted threads in the corresponding second screw hole H in the second plate P2. The outer plate Pl is fitted along its outer circumference with a cover ring D with two skirts K1, K2 which extend along the circular side edge of the plates to cover the air gap between the plates. In this way, the penetration of dust and other contaminants into the gap is prevented, while air flow through the gap is prevented. The air in the gap will then be stagnant, so that reproducible measurements can be obtained.

I figur 4 er det vist et kurvediagram som angir luftgapets varmeledningsevne, temperaturspranget AT over gapet og den beregnede varmestrøm som funksjon av middeltemperaturen i luftgapet, ut ifra de ovenfor angitte ligninger og forutset-ninger . Figure 4 shows a curve diagram that indicates the thermal conductivity of the air gap, the temperature jump AT across the gap and the calculated heat flow as a function of the average temperature in the air gap, based on the equations and assumptions stated above.

Det vil innsees at den foreliggende varmestrømmåler i henhold til oppfinnelsen er av robust og enkel konstruksjon samt kan fremstilles med lave omkostninger. Videre vil det innsees av fagfolk på området at en sådan varmestrømmåler ved hensiktsmessig kalibrering kan gi tilstrekkelig nøyaktige, relative og dynamiske måleverdier som tillater bestemmelse av varmestrømfordelingen over utsiden av en smelteovn, særlig en elektrolyseovn. It will be realized that the present heat flow meter according to the invention is of robust and simple construction and can be manufactured at low costs. Furthermore, it will be realized by professionals in the field that such a heat flow meter, with appropriate calibration, can provide sufficiently accurate, relative and dynamic measurement values that allow the determination of the heat flow distribution over the outside of a melting furnace, in particular an electrolysis furnace.

Claims

1. Heat flow meter for measuring heat flow through a wall, particularly the side wall (C) or bottom of an electrolysis furnace, characterized in that the meter comprises two well heat-conducting plates (Pl, P2) with a very narrow intervening air gap (G) in relation to the linear dimensions of the side surfaces of the plates, as well as with at least one thermocouple (Tl, T2) arranged for temperature measurement on each side of the air gap (G), as the meter is designed to be mounted with its one plate (P2) in close contact with the wall (C) if heat transfer must be measured.

2. Heat flow meter as specified in claim 1, characterized in that the air gap (G) is dimensioned to give a temperature jump of 40-60°C at a heat flow density of 0.4-0.6 W/cm<2>.

3. Heat flow meter as stated in claim 1 or 2, characterized in that the thermocouples (Tl, T2) are inserted in each of their own slots (S) in the plate sides that face each other.

4. Heat flow meter as stated in claims 1-3, characterized in that the plates (Pl, P2) are circular and arranged parallel to each other.

5. Heat flow meter as specified in claims 1-4, characterized in that the plates are made of steel.

6. Heat flow meter as stated in claims 1-5, characterized in that the air gap (G) is shielded laterally by a, preferably double, skirt (Kl, K2).

7. Heat flow meter as stated in claim 6, characterized in that the shielding skirt (Kl, K2) is mounted on a cover plate (D) on the outside of the two meter plates (Pl, P2).