CN108956686B - 一种非规则固体壁面实时传热量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非规则固体壁面实时传热量的测量方法，在非规则固体壁面划分特征网格，并在特征网格内的特征测点设置测量贴片，通过红外成像装置采集测量贴片的温度信息，经过数据传输装置输送到数据处理中心进行处理，最终得出整个被测物体的被测壁面总的传热量。本发明基于非接触式红外测量原理，避免了传统方法在装置安装过程中对被测物体壁面的破坏与被测物体壁面的温度场及热流场的扰动，能够适应空腔型被测物体内部流体的流动状况、温度及压力的交变影响，热流密度的测量范围广泛，最大热流密度的测量值可以达到10⁶数量级。

Description

一种非规则固体壁面实时传热量的测量方法

技术领域

本发明涉及热工检测技术领域，特别是涉及一种非规则固体壁面实时传热量的测量方法。

背景技术

在许多工业生产及民用生活领域，尤其是涉及有关非稳态导热耦合问题的研究领域，实时传热量的获取与测量在工业现场、环境保护及民用生活等各个领域受到广泛关注。

现有实时传热量的获取方式主要通过热电偶测量沿热流传递方向上不同距离处的温度差推导出相应的热流密度，进而求出研究对象的传热量。然而由于热电偶的存在导致被测物体及测量元件之间不可避免的产生接触热阻，并对被测物体的外部环境产生干扰。尤其对于被测物体是大面积、不规则形状时，测量的难度及成本就更高。

此外，若被测物体壁面同时受到其内部流体的流动状况、温度及压力的交变影响及外部环境参数(温度、湿度、风速等)的共同作用并影响时，将给涉及复杂参数作用下的非稳态传热耦合问题的热流密度及实时传热量的获取带来极大的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合大面积、非规则固体壁面热流密度及实时传热量的测量方法，能够达到在复杂的内、外部环境作用下，精确、实时的测量大面积、非规则固体壁面的热流密度及实时传热量的目的，对被测物体扰动很小，应用领域广泛。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种非规则固体壁面实时传热量的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：划分特征网格；

选取非规则固体壁面为被测壁面，通过红外成像装置测量所述被测壁面的温度分布，根据上述温度分布的特征和所述被测壁面的形状特征对所述被测壁面划分若干个特征网格；

步骤2：选定特征网格的特征测点；

在步骤1中的所述特征网格中选择具有代表性的位置作为特征测点，所述特征测点用于替代所述特征网格的整个区域；

步骤3：制作测量贴片；

采用若干热导率不同的材料制成测量贴片，若干所述测量贴片的热导材料形状和大小均相同；

步骤4：安放测量贴片；

将所述测量贴片紧密贴合在所述被测壁面上各个特征网格内的所述特征测点上；

步骤5：获取特征测点的温度参数；

通过红外成像装置读取在不同位置的所述特征测点的不同导热材料的表面温度T_i1、T_i2……T_in；

步骤6：计算测量贴片处的热流密度；

由于所述测量贴片是由若干种确定的导热材料制成，且各种导热材料的热导率λ₁、λ₂……λ_n已知，各种导热材料的发射率ε₁、ε₂……ε_n已知，导热材料的厚度一致且均为L，则通过所述测量贴片的不同导热材料获得的热流密度q_i1、q_i2……q_in均相等；

由于所述特征测点的不同导热材料的热流密度值相等，根据公式1选取任意两种导热材料的热流密度值计算所述特征测点处非规则固体壁面的温度T_j，公式1如下：

整理得：所述特征测点处的所述被测壁面温度T_j：

其中，q_i1、q_i2分别为所述测量贴片中的两种导热材料的热流密度，单位为W/㎡；λ₁、λ₂分别为所述测量贴片中的两种导热材料的热导率，单位为W/m˙k；T_i1、T_i2分别为所述测量贴片中的两种导热材料的表面温度，单位为℃；T_j为所述测量贴片中的两种导热材料与被测物体紧密贴合的底面温度，单位为℃；L₁、L₂分别为所述测点处两种导热材料的厚度，两种导热材料的厚度一致且均匀，即：L₁＝L₂；单位为m；

根据下述公式2，可计算所述被测壁面内任一特征网格内的热流密度，公式2如下：

或

……

或

其中，q_i1、q_i2……q_in为单一所述测量贴片中若干种确定的导热材料计算出的测点处所述非规则固体壁面的热流密度，单位为W/㎡；λ₁、λ₂……λ_n分别为所述测点处若干种导热材料的热导率，单位为W/m˙k；T_i1、T_i2……T_in为所述测点处若干种导热材料的表面温度，单位为℃；L₁、L₂……L_n为所述测点处若干种导热材料的厚度，各导热材料的厚度一致且均匀，单位为m；

步骤7：计算计算被测壁面总的传热量Q；

根据步骤6中的公式2计算出不同特征网格内的所述特征测点的热流密度，根据以下公式3计算所述被测壁面任一网格的实时传热量，公式3如下：

Q_i＝A_i·q_i

其中，Q_i为该特征网格的传热量，单位为W，A_i为该特征网格的面积，单位为㎡。

根据以下公式4计算所述被测物体壁面各个特征网格的总传热量，公式4如下：

其中，Q为所述被测物体壁面各个特征网格的总传热量，单位为W；N为划分网格的个数。

优选的，在步骤1的划分特征网格中，根据所述被测壁面热流的非均匀性，将所述特征网格划分为紧密程度不同的网格；根据所述被测壁面的形状特性，将所述特征网格划分为不同形状的网格；

优选的，在步骤3的制作测量贴片中，热导率不同的材料至少选择两种以上；

优选的，所述测量贴片中热导率不同的材料之间设置有中间保温材料，所述测量贴片的侧部设置有侧面保温材料；

优选的，所述测量贴片与所述被测壁面贴合的一侧涂覆有导热硅胶；

优选的，在步骤6的计算测量贴片处的热流密度中，根据单一所述测量贴片中若干种确定的导热材料计算出的所述测点处所述被测壁面的热流密度q_i1、q_i2……q_in，对比上述热流密度q_i1、q_i2……q_in数值:

若所有计算出的热流密度数值q_i1、q_i2……q_in偏差全都在2％～5％的范围内，则所述测量贴片有效；

若计算出的热流密度q_i1、q_i2……q_in数值中三分之二以上的数值之间的偏差在2％～5％的范围内，则所述测点的热流密度取值选择多数结果，则所述测量贴片部分老化；

若计算出的热流密度q_i1、q_i2……q_in数值中少于三分之二的数值之间的偏差在2％～5％的范围内，则所述测量贴片老化，需更换所述测量贴片。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明方法基于非接触式红外测量原理，避免了传统方法在装置安装过程中对被测物体壁面的破坏与被测物体壁面的温度场及热流场的扰动，同时与传统经典测量方法相比，无需外接电缆，提高了测量的精度、经济性与适用性。

2、本发明方法能够根据被测对象的结构特点及热流分布灵活布置测点，提高了该测量方法的精确度以及应用范围。

3、本发明方法适用于测量大面积非规则固体壁面，并且能够根据非规则固体壁面的形状及热流分布灵活划分网格，进一步提高了该测量方法的精确度以及应用范围。

4、本发明所述方法能够适应空腔型被测物体内部流体的流动状况、温度及压力的交变影响，以及适应外部环境参数(温度、湿度、风速等)变化影响，具有适用范围广的特点。

5、本发明方法，原理简单、步骤清晰、且易于实现，热流密度的测量范围广泛，最大热流密度的测量值可以达到10⁶数量级。

6、本发明的q_i1、q_i2……q_in若干种不同导热材料得出的热流密度值可以相互校核，能够从若干种数据中选择出更为精确、有效的数据，大大提高了测点数据的可靠性与精确度；同时所述测量贴片由若干种不同导热材料拼接而成，且根据每种导热材料均能够计算出被测物体的实时传热量。在使用过程中，可以从若干中导热材料中灵活选择几种作为有效的导热材料，提高了该贴片测点的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明非规则固体壁面实时传热量的测量方法的示意图；

图2是发明实时传热量测量装置内部模块的示意图；

图3是发明实时传热量测量装置中的红外成像模块的示意图；

图4是发明圆柱体测量贴片的示意图；

图5是发明非规则固体壁面的示意图；

其中，1-被测物体、2-测量贴片、3-红外成像装置、4-数据传输装置、5-数据处理中心、6-导热硅胶、1-1-被测壁面、1-2-网格线、1-3-圆柱体测量贴片、2-1-侧面保温材料、2-2-贴合装置、2-3-中间保温材料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1-5所示，本实施例是对本发明非规则固体壁面实时传热量的测量方法的具体实施过程和工作原理做出进一步的说明。

如图1所示，本实施例的一种非规则固体壁面实时传热量的测量方法，非规则固体为被测物体1，被测物体1的壁面为被测壁面1-1，在被测壁面1-1上设置测量贴片2，通过红外成像装置3采集测量贴片2的温度信息，经过数据传输装置4输送到数据处理中心5进行处理，最终得出整个被测物体1的被测壁面1-1总的传热量。本发明适用于测量大面积非规则固体壁面，并且能够根据非规则固体壁面的形状及热流分布灵活划分网格，进一步提高了该测量方法的精确度以及应用范围。

具体的测量方法包括以下步骤：

S001：划分特征网格；

如图4所示，选取非规则固体壁面为被测壁面1-1，通过红外成像装置3测量被测壁面1-1的温度分布，根据上述温度分布的特征和被测壁面1-1的形状特征对被测壁面1-1划分若干个特征网格；由于被测壁面1-1不同区域的温度分布不同，因此将不同温度分布的区域通过网格线1-2分开，最终将被测壁面1-1划分出n个不同区域的特征网格。

如图5所示，根据被测壁面1-1热流的非均匀性，将特征网格划分为紧密程度不同的网格；根据被测壁面1-1的形状特性，将特征网格划分为不同形状的网格；图5中是紧密程度不同的三角形网格，当然网格的形状根据实际情况还可以是矩形或多边形。

S002：选定特征网格的特征测点；

在S001中的特征网格中选择具有代表性的位置作为特征测点，特征测点用于替代特征网格的整个区域；本实施例的特征测点的目的是选取特征网格中能够代表整个网格区域温度的点，为后续的传热采集做准备。上述方法能够根据被测对象的结构特点及热流分布灵活布置测点，提高了该测量方法的精确度以及应用范围。

S003：制作测量贴片；

如图3，本实施例的测量贴片2采用三个导热率差别较大的材料，具体的可以为铝、不锈钢和紫铜，将这三种材料制成圆柱体测量贴片1-3，每种材料的厚度相同，形状和大小也相同，均为120°的扇形。

在三个导热材料中间还设置有中间保温材料2-3，这里的中间保温材料2-3将三种导热材料隔开，保证三种导热材料相互绝热；在圆柱体测量贴片1-3的侧面通过侧面保温材料2-1包覆起来，保证热流只沿测量贴片2轴向一维传递，同时在圆柱体测量贴片1-3外周布置贴合装置2-2，以保证圆柱体测量贴片1-3能够紧密安放在被测物体1上，当被测物体1为钢制储气罐时，这里的贴合装置2-2可以为磁环。

S004：安放测量贴片；

如图2所示，将测量贴片2紧密贴合在被测壁面1-1上各个特征网格内的特征测点上；本实施例的圆柱体测量贴片1-3在粘贴时要保证圆柱体测量贴片1-3的轴向与特征测点处非规则固体壁面垂直，而且圆柱体测量贴片1-3的底面与被测物体1壁面之间涂抹导热硅胶6，以减小圆柱体测量贴片1-3与被测壁面1-1之间的接触热阻，进而获得被测壁面1-1的实际传热量。

S005：获取特征测点的温度参数；

利用红外成像装置3测量圆柱体测量贴片1-3的三种导热材料的表面温度T_i1、T_i2、T_i3。基于非接触式红外测量原理，避免了传统方法在装置安装过程中对被测物体1壁面的破坏与被测物体1壁面的温度场及热流场的扰动，同时与传统经典测量方法相比，无需外接电缆，提高了测量的精度、经济性与适用性。

S006：计算测量贴片处的热流密度；

在S005中将采集的数据通过数据传输装置4实时传输到数据处理中心5，通过数据处理中心5对数据进行处理计算分析，从而获得被测物体1的热流密度及实时传热量。

上述数据的计算和分析方法具体包括以下过程：

由于圆柱体测量贴片1-3是由三种确定的导热材料制成，且各种导热材料的热导率λ₁、λ₂、λ₃已知，各种导热材料的发射率ε₁、ε₂、ε₃已知，导热材料的厚度一致且均为L，则通过圆柱体测量贴片1-3的不同导热材料获得的热流密度q_i1、q_i2、q_i3均相等；

由于特征测点的不同导热材料的热流密度值相等，根据公式1选取任意两种导热材料的热流密度值计算特征测点处非规则固体壁面的温度T_j，公式1如下：

整理得：特征测点处的被测壁面1-1温度T_j：

其中，q_i1、q_i2分别为圆柱体测量贴片1-3中的两种导热材料的热流密度，单位为W/㎡；λ₁、λ₂分别为圆柱体测量贴片1-3中的两种导热材料的热导率，单位为W/m˙k；T_i1、T_i2分别为圆柱体测量贴片1-3中的两种导热材料的表面温度，单位为℃；T_j为圆柱体测量贴片1-3中的两种导热材料与被测物体1紧密贴合的底面温度，单位为℃；L₁、L₂分别为测点处两种导热材料的厚度，两种导热材料的厚度一致且均匀，即：L₁＝L₂；单位为m；

根据下述公式2，可计算被测壁面1-1内任一特征网格内的热流密度，公式2如下：

或

……

或

其中，q_i1、q_i2、q_i3为单一圆柱体测量贴片1-3中三种确定的导热材料计算出的测点处非规则固体壁面的热流密度，单位为W/㎡；λ₁、λ₂、λ₃分别为测点处三种种导热材料的热导率，单位为W/m˙k；T_i1、T_i2……T_in为测点处三种导热材料的表面温度，单位为℃；L₁、L₂、L₃为测点处三种导热材料的厚度，各导热材料的厚度一致且均匀，单位为m。

根据上述的计算原理可以用来确定圆柱体测量贴片1-3是否有效。

因为计算测量贴片2处的热流密度中，根据单一测量贴片2中若干种确定的导热材料计算出的测点处被测壁面1-1的热流密度q_i1、q_i2……q_in，对比上述热流密度q_i1、q_i2……q_in数值:

若所有计算出的热流密度数值q_i1、q_i2……q_in偏差全都在2％～5％的范围内，则测量贴片2有效；

若计算出的热流密度q_i1、q_i2……q_in数值中三分之二以上的数值之间的偏差在2％～5％的范围内，则测点的热流密度取值选择多数结果，则测量贴片2部分老化；

若计算出的热流密度q_i1、q_i2……q_in数值中少于三分之二的数值之间的偏差在2％～5％的范围内，则测量贴片2老化，需更换测量贴片2。

只有所有计算出的热流密度数值q_i1、q_i2、q_i3偏差全都在2％～5％的范围内，则圆柱体测量贴片1-3有效，可以继续对圆柱体测量贴片1-3获取的数据进行计算。

本发明的q_i1、q_i2……q_in若干种不同导热材料得出的热流密度值可以相互校核，能够从若干种数据中选择出更为精确、有效的数据，大大提高了测点数据的可靠性与精确度；同时所述测量贴片2由若干种不同导热材料拼接而成，且根据每种导热材料均能够计算出被测物体1的实时传热量。在使用过程中，可以从若干中导热材料中灵活选择几种作为有效的导热材料，提高了该贴片测点的使用寿命

S007：计算计算被测壁面1-1总的传热量Q；

根据S006中的公式2计算出不同特征网格内的特征测点的热流密度，根据以下公式3计算被测壁面1-1任一网格的实时传热量，公式3如下：

Q_i＝A_i·q_i

其中，Q_i为该特征网格的传热量，单位为W，A_i为该特征网格的面积，单位为㎡。

根据以下公式4计算被测物体1壁面各个特征网格的总传热量，公式4如下：

其中，Q为被测物体1壁面各个特征网格的总传热量，单位为W；N为划分网格的个数。

本发明的一种非规则固体壁面实时传热量的测量方法能够适应空腔型被测物体内部流体的流动状况、温度及压力的交变影响，以及适应外部环境参数(温度、湿度、风速等)变化影响，具有适用范围广的特点，而且原理简单、步骤清晰、且易于实现，热流密度的测量范围广泛，最大热流密度的测量值可以达到10⁶数量级。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种非规则固体壁面实时传热量的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：划分特征网格；

选取非规则固体壁面为被测壁面，通过红外成像装置测量所述被测壁面的温度分布，根据上述温度分布的特征和所述被测壁面的形状特征对所述被测壁面划分若干个特征网格；

步骤2：选定特征网格的特征测点；

在步骤1中的所述特征网格中选择具有代表性的位置作为特征测点，所述特征测点用于替代所述特征网格的整个区域；

步骤3：制作测量贴片；

采用若干热导率不同的材料制成测量贴片，若干所述测量贴片的热导材料形状和大小均相同；

步骤4：安放测量贴片；

将所述测量贴片紧密贴合在所述被测壁面上各个特征网格内的所述特征测点上；

步骤5：获取特征测点的温度参数；

通过红外成像装置读取在不同位置的所述特征测点的不同导热材料的表面温度T_i1、T_i2……T_in；

步骤6：计算测量贴片处的热流密度；

由于所述测量贴片是由若干种确定的导热材料制成，且各种导热材料的热导率λ₁、λ₂……λ_n已知，各种导热材料的发射率ε₁、ε₂……ε_n已知，导热材料的厚度一致且均为L，则通过所述测量贴片的不同导热材料获得的热流密度q_i1、q_i2……q_in均相等；

由于所述特征测点的不同导热材料的热流密度值相等，根据公式1选取任意两种导热材料的热流密度值计算所述特征测点处非规则固体壁面的温度T_j，公式1如下：

整理得：所述特征测点处的所述被测壁面温度T_j：

其中，q_i1、q_i2分别为所述测量贴片中的两种导热材料的热流密度，单位为W/㎡；λ₁、λ₂分别为所述测量贴片中的两种导热材料的热导率，单位为W/m˙k；T_i1、T_i2分别为所述测量贴片中的两种导热材料的表面温度，单位为℃；T_j为所述测量贴片中的两种导热材料与被测物体紧密贴合的底面温度，单位为℃；L₁、L₂分别为所述测点处两种导热材料的厚度，两种导热材料的厚度一致且均匀，即：L₁＝L₂；单位为m；

根据下述公式2，可计算所述被测壁面内任一特征网格内的热流密度，公式2如下：

或

……

或

其中，q_i1、q_i2……q_in为单一所述测量贴片中若干种确定的导热材料计算出的测点处所述非规则固体壁面的热流密度，单位为W/㎡；λ₁、λ₂……λ_n分别为所述测点处若干种导热材料的热导率，单位为W/m˙k；T_i1、T_i2……T_in为所述测点处若干种导热材料的表面温度，单位为℃；L₁、L₂……L_n为所述测点处若干种导热材料的厚度，各导热材料的厚度一致且均匀，单位为m；

步骤7：计算被测壁面总的传热量Q；

根据步骤6中的公式2计算出不同特征网格内的所述特征测点的热流密度，根据以下公式3计算所述被测壁面任一网格的实时传热量，公式3如下：

Q_i＝A_i·q_i

其中，Q_i为该特征网格的传热量，单位为W，A_i为该特征网格的面积，单位为㎡；

根据以下公式4计算所述被测物体壁面各个特征网格的总传热量，公式4如下：

其中，Q为所述被测物体壁面各个特征网格的总传热量，单位为W；N为划分网格的个数。

2.根据权利要求1所述的非规则固体壁面实时传热量的测量方法，其特征在于：在步骤1的划分特征网格中，根据所述被测壁面热流的非均匀性，将所述特征网格划分为紧密程度不同的网格；根据所述被测壁面的形状特性，将所述特征网格划分为不同形状的网格。

3.根据权利要求1所述的非规则固体壁面实时传热量的测量方法，其特征在于：在步骤3的制作测量贴片中，热导率不同的材料选择两种以上。

4.根据权利要求3所述的非规则固体壁面实时传热量的测量方法，其特征在于：所述测量贴片中热导率不同的材料之间设置有中间保温材料，所述测量贴片的侧部设置有侧面保温材料。

5.根据权利要求4所述的非规则固体壁面实时传热量的测量方法，其特征在于：所述测量贴片与所述被测壁面贴合的一侧涂覆有导热硅胶。

6.根据权利要求1所述的非规则固体壁面实时传热量的测量方法，其特征在于：在步骤6的计算测量贴片处的热流密度中，根据单一所述测量贴片中若干种确定的导热材料计算出的所述测点处所述被测壁面的热流密度q_i1、q_i2……q_in，对比上述热流密度q_i1、q_i2……q_in数值:

若所有计算出的热流密度数值q_i1、q_i2……q_in偏差全都在2％～5％的范围内，则所述测量贴片有效；

若计算出的热流密度q_i1、q_i2……q_in数值中三分之二以上的数值之间的偏差在2％～5％的范围内，则所述测点的热流密度取值选择多数结果，则所述测量贴片部分老化；

若计算出的热流密度q_i1、q_i2……q_in数值中少于三分之二的数值之间的偏差在2％～5％的范围内，则所述测量贴片老化，需更换所述测量贴片。

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