基于传热原理的流量测量分析

基于传热原理的流量测量分析

姜聪

湖北省电力勘测设计院有限公司 湖北 武汉 430040

摘要：本文基于传热原理提出一种利用热流密度测流量的新方法，通过热流密度的变化可以有效反映出流量的变化，并依据原理进行了实验研究。结合实验结果表明，此测量方法是可行的，误差主要是由导热热阻太大和温度测量准确度较低引起的。

关键词：传热；流量测量；热流密度

流量测量广泛应用于电力、化工等诸多领域，为人们了解流动过程，进行生产工艺的控制和管理提供帮助。随着科技的发展和现代生产过程自动化程度的不断提高，人们对于流量检测的要求越来越高，需要检测的流体的品种越来越多，检测的对象越来越复杂。测量对象的复杂多样性决定了流量测量是一门复杂多样的技术，虽然已有许多流量测量方法和仪表，但流量测量的现状仍不能满足生产的需要。因此，研究新的流量测量方法就显得尤为重要。本文基于传热原理，采用新型的流量测量方法，将流量测量转化为温度测量，通过热流密度的变化得出流量变化。此方法测量相对较容易且精确度较高，具有较强的实用性。

1 测试原理

原理示意图如图1所示。实验管是总长、内径、壁厚分别为600mm、50mm、4mm的不锈钢直圆管，管外包石棉进行保温。测温原件采用一长100mm、直径20mm的不锈钢圆柱体，圆柱体一端采用加热带进行加热，中间段以石棉进行保温，另一端伸进实验管内12.5mm，用于被冷却水冷却。吸热表面以导热方式把热量传给冷却表面。在圆柱体内打两个直径2mm、长为67.5mm、77.5mm的孔，用于插入热电偶检测温度。

图1 原理示意图

由于圆柱体两端产生一个温差，根据傅立叶定律：

（1）

式中 ——圆柱体材料的导热系数，W/(m·K)； ——沿热流方向的温度梯度。

由于不锈钢圆柱体外用保温材料进行保温，因此可认为热流在圆柱体内近似于一维纵向导热，因此上式可表示为：

（2）

式中 ——圆柱体内两孔间的温度差，K； ——圆柱体内两孔间的距离，m。

不锈钢的导热系数可认为是恒定不变，根据圆柱体轴向两个不同测点的温度就可以确定热流密度 。

在圆柱体另一端单位面积上的对流换热量为：

（3）

式中 ——圆柱体与流体之间的对流换热系数； ——圆柱体端面与流体之间的温度差。

其中，对流换热系数 又可表示为：

（4）

根据传热原理， ，圆柱体上两点间的温度变化可以间接地反应雷诺数的变化，进而求得流体的流量。

由此可见，基于传热原理的流量测量方法将流量测量转化为温度测量问题，流体的流量难于准确测量，而流体和固体壁面温度的测量则相对较容易且测量准确度较高。

2 实验结果及分析

将热电偶与温度控制仪连接好，接上电源，用加热带进行加热，控制浅孔的温度 为80℃，改变流量，读出在不同流量时深孔的温度 ；再由式（2）计算出不同流量时的热流密度。实验结果如表格1所示。

表1 实验结果

由表1可得出流量与热流密度之间的关系，如图2所示。

图2热流密度与流量

从图中可以看出，随着流量的增大热流密度值不断减小，热流密度的变化可以有效地反应出流量变化。由两者之间的关系可说明该流量测量方法所依据的测试原理是正确的，测试手段是可行的。通过实验数据可知温度变化随流量变化的趋势并不明显，这是由于一些实验误差引起的，实验误差的主要影响因素有两个方面：

1. 导热热阻的影响。经计算，导热热阻是对流热阻的十几倍，故流量的变化对温度的影响不明显，加热的热量大部分被圆柱体带走，用于对流换热的热量只是一少部分。

2. 温度测量的影响。热电偶测量温度精确度不高，其测量误差影响到本实验的准确度。

从上述分析结果可见，虽然实验存在一定误差，但在一定程度上说明了基于传热原理的流量测量方法的模型是正确的，在实践中是可行的。

3 结论

1. 通过实验验证，本文所提出的基于传热原理的流量测量的测试原理是正确的，方法是可行的；

2. 产生误差的主要原因在于导热热阻值太大，因此，应降低导热热阻，增大对流热阻；

3. 由于温度测量精确度较低，因此需要提高数据采集及温度测量的精度。

参考文献

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