CN101514968B - 一种热流密度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热能动力工程测量领域，特别是一种测量高温高压状态下的热流密度计。一种热流密度计，包括热电偶，铜管，连接导线，其特征在于：铜管为一端封闭，另一端开口的管状结构，在管壁上与管壁的端部均设置有孔，孔中设置有至少一个热电偶，与热电偶尾部相连接的各导线从铜管的开口一端引出，所述铜管的外壁上设置有固定装置。本发明的热流密度计能承受高温高压的工作环境条件，所述热流密度计可以同步测量流体温度，测量得出的换热系数的误差更 小。

Description

一种热流密度计

技术领域

本发明涉及热能动力工程测量领域，特别是一种测量高温高压状态下的热流密度计。

背景技术

在热能动力工程的很多场合中，需要测量流体与固体壁面间进行热交换时的换热量，进而可以对固体壁面的受热情况进行热分析以及更深层次的热应力分析。例如在反应堆冷却剂***中存在许多管嘴，通过这些管嘴会对***注入一些流体，这些注入的流体的温度与***内部流体的温度存在巨大差异，因此这些管嘴就会承受巨大频繁的热冲击。而要对这样的热冲击进行确定的理论分析和计算就必须了解此时流体和管嘴固体壁面间的热交换。对于这样的复杂流动过程通过理论计算的方法很难得到局部的热流密度及换热系数，因此必须采用测量的方法确定热流密度。而这种测量仪器通常会工作在高温高压状态下，因此需要开发能够工作于高温高压条件下的热流密度计。类似的测量过程也可见于锅炉汽包等多种热能动力设备当中。

对于热流密度的测量，由于工业发展的需要很早就开始有相关的仪器设备出现。目前，测量固体壁面热流密度的计量仪器很多，如建筑物墙壁内部热流密度的测量、工业炉窑中炉膛壁面内热流密度的测量。专利200610028865.4给出了一种建筑墙体传热系数的现场检测办法，其通过加热装置及其控制设备对被测墙体应用常功率半面热源进行恒定加热，在被测区域内形成一局部稳态均匀热流，使墙体在人工构造的稳定传热状态下进行检测。专利200410026343.1同样给出了建筑物墙体传热系数的测量方法，也是利用人为方法造成墙体内的热流，通过粘贴的温度传感器测量温度变化以求出热流密度。专利200620091887.0则提供了一种测量固体界面接触换热系数的装置，该装置实际上也是通过测量沿热流方向不同距离处的温差进而得到热流密度及换热系数。专利200610009794.3给出了一种能应用于超高温、强电、大干扰的流场环境中测量热流密度的装置和方法。

从测量原理角度看，基本上热流密度的测量都是通过测量沿热流方向上不同距离处的温度变化，再通过导热问题的理论求出热流密度。但随着应用场合的不同会对热流密度计有不同的要求。对于一些复杂的环境，如高温高压被测管道内流动，想要测量高温高压流体沿被测管道壁厚方向传递的热流密度就非常困难，如果进一步要求得局部的换热系数，就要求同步测量出流体的近壁面温度。对于这种复杂的情况，上述的几种热流密度计均不能适用。

发明内容

针对现有技术中的测量仪器无法满足高温高压状态下热流密度测量的状况，本发明的目的在于提供一种结构简单，可应用于测量高温高压条件下被测管道内流体与管壁间进行热交换时的热流密度以及换热系数的热流密度计，而且本发明的密度计能同步测量流体温度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种热流密度计，包括热电偶，铜管，连接导线；铜管为一端封闭另一端开口的管状结构，在管壁上与管壁的端部均设置有孔，孔中设置有热电偶，与热电偶尾部相连接的各导线从铜管的开口一端引出，所述铜管的外壁上设置有固定装置。

所述的热电偶至少有一个通过铜管端部的孔并从孔中伸出。所述的热电偶的端部不高于铜管的管壁的外轮廓线。所述的热电偶的尾部的导线相互绝缘，不得扭曲缠绕。所述的热电偶至少为一根。

所述的热电偶与铜管之间使用熔焊的方法连接。所述的铜管为紫铜管。

所述的铜管端部轮廓线垂直于铜管轴线或者对称于铜管轴线。

所述铜管上设置的固定装置，包括：下底座、卡箍、卡套。

本发明的热流密度计能承受高温高压的工作环境条件，所述热流密度计可以同步测量流体温度，测量得出的换热系数的误差更小。

附图说明

图1是本发明本体紫铜管及热电偶示意图；

图2是本发明的卡箍式连接装置示意图

图3是本发明与固定装置连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，热流密度计的本体由紫铜管2，热电偶1-a、1-b、1-c、1-d构成。该热流密度计的外壳是一个中空的紫铜棒，使用精密加工机床对紫铜棒的中心钻孔，使其形成一个内部中空的管状结构，该铜管2的一端为封闭状态，所述的紫铜管2端部7轮廓线垂直于铜管轴线或者对称于铜管轴线。在铜管2侧面距端部4mm、8mm、12mm处分别钻有φ1.5mm的小孔，在铜管端部7同样钻有相同尺寸的小孔。将3个热电偶丝穿入铜管2侧部的小孔，使热电偶1-a、1-b、1-c的端部不要突出铜管2的外壁轮廓线，与热电偶1-a、1-b、1-c、1-d尾部相连接的各导线3从铜管2的开口一端引出，热电偶1-a、1-b、1-c、1-d的尾部的导线3相互绝缘，不得扭曲缠绕。设置于铜管端部7测量流体温度的热电偶1-d则是通过小孔伸出铜管端7部外1mm。通过熔焊的方式使该小孔密封，各热电偶丝也因熔焊而与铜管连为一体。

热流密度计的卡箍式连接装置如图2、图3所示。螺纹卡套4通过螺纹结构与下底座6连接，卡箍8位于下底座6口部的锥体内。安装使用时，在被测管道9内壁钻有一孔，将连接装置的下底座6焊接于被测管道外壁，下底座6的上部设有外螺纹。将测量用的紫铜管2穿入孔中，使得测量铜管2端部7与被测管道9内壁基本平齐。再将上螺纹卡套4与下底座6通过螺纹连接，位于上螺纹卡套4与下底座6之间的卡箍8在螺纹不断旋紧作用下，会紧紧压迫紫铜管2，完成对紫铜管2的密封。卡箍8也使用紫铜材料制成，这样能保证在高温作用下其仍能压紧紫铜管，使紫铜管密封完好。

由于在沿铜管2轴向方向上至少设置有1个或者多个热电偶丝，使用时在测量紫铜管2轴向内部就会有相应的热流传递。这样就可以利用热电偶测量得到的温度变化测得沿铜管传递的热流密度的大小。有一个热电偶丝是通过紫铜管端部7的孔伸出紫铜管外。当测量铜管2通过固定装置安装于被测管道9壁内后，所述热电偶可以同步测量出流经此处的流体温度。这样根据傅立叶导热定律以及流体换热系数的定义就可以测得该处换热系数。由于所述热电偶丝均是通过熔焊的方式与紫铜管相连接，并且通过熔焊技术使得小孔处密封，可以承受20MPa的高压，经过测试在20MPa的压力下熔焊小孔不会出现泄漏，所述的热流密度计通过卡箍式固定装置固定，可以应用于高温高压的复杂条件下。

热流密度计的本体做好后，通过卡箍式连接装置与被测管道9壁面相连接。热流密度计必须与被测管道9内部流体接触才能测量相应的热流密度及换热系数，必须保证被测管道9内流体不会通过所述热流计泄露出来，特别是当被测管道9内部压力较高时；这种连接方式还得承受高温环境的考验，本发明采用卡箍式连接使得本热流计既能承受高压也能承受高温。

工作时热流沿紫铜管由端部7向开口部位传递，测量铜管内设置的热电偶感知到不同位置处的温度，即可测出热流密度，进而同步测量出的流体换热系数。具体应用时，所有热电偶信号均通过实时数据采集***采集处理，可在物理现象发生的同时测量出相应的热流密度和对流换热系数。

Claims (9)

1.一种热流密度计，包括热电偶，铜管(2)，连接导线(3)，其特征在于：铜管(2)为一端封闭另一端开口的管状结构，在铜管壁上与铜管的端部(7)均设置有孔，孔中设置有热电偶(1-a、1-b、1-c、1-d)，与热电偶(1-a、1-b、1-c、1-d)尾部相连接的各导线(3)从铜管的开口一端引出，所述铜管(2)的外壁上设置有固定装置，所述热流密度计使用时铜管(2)的端部(7)与被测管道内壁平齐。

2.根据权利要求1所述的热流密度计，其特征在于：所述的热电偶(1-a、1-b、1-c、1-d)中至少有一个通过铜管端部的孔并从孔中伸出。

3.根据权利要求2所述的热流密度计，其特征在于：所述的热电偶除了穿过铜管端部孔的热电偶外，其余热电偶(1-a、1-b、1-c)的端部不高于铜管(2)的管壁的外轮廓线。

4.根据权利要求2所述的热流密度计，其特征在于：所述的热电偶(1-a、1-b、1-c、1-d)的尾部的导线(3)相互绝缘，不得扭曲缠绕。

5.根据权利要求4所述的热流密度计，其特征在于：所述的热电偶至少为一根。

6.根据权利要求1所述的热流密度计，其特征在于：所述的热电偶(1-a、1-b、1-c、1-d)与铜管(2)之间使用熔焊的方法连接。

7.根据权利要求1所述的热流密度计，其特征在于：所述的铜管(2)为紫铜管。

8.根据权利要求1所述的热流密度计，其特征在于：所述的铜管(2)端部(7)轮廓线垂直于铜管轴线或者对称于铜管轴线。

9.根据权利要求1所述的热流密度计，其特征在于：所述铜管(2)上设置的固定装置，包括：下底座(6)、卡箍(8)和卡套(4)。

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