測(cè)量物體內(nèi)部熱流密度的熱流密度探針以及測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及測(cè)量物體內(nèi)部熱流密度的熱流密度探針以及測(cè)量方法。具體地，提供了一種用于熱流密度測(cè)量的裝置，包括：內(nèi)部中空的不銹鋼管，管的一端為封閉端，另一端為開口端，在不銹鋼管的側(cè)面上鉆有多個(gè)小孔，將多個(gè)熱電偶絲分別從多個(gè)小孔穿出，在熱電偶絲的穿出部分焊接金屬頭，管內(nèi)的封閉端用硅膠作為填充材料，與熱電偶尾部相連接的各導(dǎo)線從不銹鋼管的開口端分別引出，在不銹鋼管內(nèi)的非硅膠填充部分用氧化鎂填充絕緣密封。
【專利說明】測(cè)量物體內(nèi)部熱流密度的熱流密度探針以及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能源動(dòng)力領(lǐng)域的熱流密度測(cè)量，更具體地，涉及一種用于測(cè)量物體內(nèi)部熱流密度的熱流探針。本發(fā)明還涉及熱流密度的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在能源動(dòng)力領(lǐng)域的熱流密度測(cè)量中，需要測(cè)量蒸汽在固體金屬壁面上冷凝時(shí)進(jìn)行熱交換的換熱量，進(jìn)而可以對(duì)固體內(nèi)部的熱分布、熱應(yīng)力以及對(duì)流換熱后的固體受熱情況等進(jìn)行分析。例如在核電站的非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)中，利用鋼制安全殼殼體作為傳熱表面，蒸汽在安全殼內(nèi)表面冷凝并加熱內(nèi)表面，然后通過導(dǎo)熱將熱量傳遞至整個(gè)鋼殼殼體。受熱的鋼殼外表面通過對(duì)流、輻射和物質(zhì)傳遞(水蒸發(fā))等熱傳遞機(jī)制，通過外部的水和空氣冷卻。而對(duì)于安全殼殼內(nèi)氣體的復(fù)雜流動(dòng)過程很難通過理論計(jì)算或者數(shù)值模擬的方法來研究鋼制安全殼的熱流密度和換熱系數(shù)，所以必須采用在鋼制安全殼殼內(nèi)布置熱流密度計(jì)的方法直接進(jìn)行測(cè)量。
[0003]早在1914年人們就開始對(duì)熱流測(cè)量進(jìn)行了研究，當(dāng)時(shí)德國(guó)的Henky教授測(cè)量通過啤酒廠內(nèi)地板的熱流，他用10 cm厚的軟木板覆蓋地板，測(cè)出軟木板上下兩面的溫度差，再與軟木板的導(dǎo)熱系數(shù)做計(jì)算從而得出熱流密度。目前，測(cè)量熱流密度的方法和儀器較多，如專利200910021343.5給出一種用于測(cè)量反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中存在管嘴的熱流密度，其通過一根端部和側(cè)壁開孔的銅管，通過既測(cè)量流體溫度又測(cè)量管嘴溫度梯度的方法實(shí)現(xiàn)了測(cè)量熱流密度。專利200610009794.3提供了一種可以應(yīng)用于高溫、強(qiáng)電和強(qiáng)干擾的試驗(yàn)環(huán)境中，對(duì)于超高溫電弧熱流密度測(cè)量的裝置。專利201110040573.3給出了一種燃料電池內(nèi)部熱流密度分布測(cè)量插片，其通過真空鍍膜技術(shù)制作而成，可以達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量熱流密度的目的。專利200410014546.9給出了一種測(cè)量涂層導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)復(fù)合平板法及其測(cè)量裝置。
[0004]從測(cè)量熱流密度的原理來看，上述方法和裝置都是通過測(cè)量沿?zé)崃鱾鬟f方向上的不同距離處的溫度變化，并通過熱流密度計(jì)算理論求出熱流密度。根據(jù)應(yīng)用的具體工況、條件等因素的不同就產(chǎn)生了多種形式形狀的傳感器。但由于核電站安全殼殼體內(nèi)部溫度變化復(fù)雜(尤其是在事故工況下)，所以想要測(cè)量其內(nèi)部的熱流密度分布非常困難，尤其是再進(jìn)一步去求局部換熱系數(shù)，這樣就更加困難，因?yàn)槭紫缺仨氁_定每一個(gè)單點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確性。對(duì)于復(fù)雜的核電站安全系統(tǒng)來說，以上的幾種方法均不能適用。
[0005]在對(duì)大型容器或受熱壁面內(nèi)的熱流密度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量中，測(cè)量熱流密度的方法有兩種，一種技術(shù)方案使用熱流密度計(jì)進(jìn)行局部的熱流密度測(cè)量，進(jìn)而推斷整個(gè)平面的熱流密度；第二種方法是通過冷卻后的能量守恒來推測(cè)平均熱流密度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的熱流探針是由多個(gè)熱電偶組成的。由于本發(fā)明在熱電偶的封閉端采用硅膠取代了傳統(tǒng)的氧化鎂作為熱電偶的密封材料，這樣可以使銀質(zhì)金屬頭具有彈性，保證了金屬頭可以與被測(cè)鋼板兩內(nèi)壁的緊密接觸。這樣避免了空氣的影響，也減少了傳統(tǒng)測(cè)溫方式中需填充硅油作為介質(zhì)讓熱電偶和被測(cè)物體間接接觸，以達(dá)到測(cè)量被測(cè)物體溫度的目的。通過彈性金屬頭與被測(cè)物體的接觸，準(zhǔn)確的測(cè)量了被測(cè)物的溫度，提高了測(cè)量的精確性，從而提高了測(cè)量熱流密度的準(zhǔn)確性。
[0007]工作時(shí)，通過采集不銹鋼管內(nèi)設(shè)置的多點(diǎn)熱電偶的感知的被測(cè)物體內(nèi)不同位置的溫度，通過計(jì)算得到熱流密度。在應(yīng)用過程中所有的熱電偶信號(hào)均通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行溫度的采集和計(jì)算，可在被測(cè)物體內(nèi)部不同位置的溫度發(fā)生變化的，得出該物體的熱流密度變化。
[0008]通過所提供的描述將更明顯看到本發(fā)明更多的適用領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解，本部分的描述和特定例子僅用于說明，并不限制本發(fā)明的范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]結(jié)合附圖，通過本文提供的優(yōu)選實(shí)施例，將能夠更好地理解本發(fā)明。本文提供的附圖只是為了說明目的，而不會(huì)限制本發(fā)明的范圍，在附圖中:
圖1是本發(fā)明的熱電偶結(jié)構(gòu)圖。
[0010]圖2是本發(fā)明的熱電偶接管安裝示意圖。
[0011]圖3是本發(fā)明的熱流密度計(jì)的安裝示意圖。
[0012]圖4是本發(fā)明的熱流密度的測(cè)試試驗(yàn)示意圖。
[0013]圖5是本發(fā)明的循環(huán)水工況下探針X熱流誤差。
【具體實(shí)施方式】
[0014]現(xiàn)在將參照附圖更全面地描述本發(fā)明的實(shí)施例。下列描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，并不限制本發(fā)明及其應(yīng)用或使用。
[0015]本發(fā)明的熱流探針由多個(gè)熱電偶組成，例如由4個(gè)熱電偶組成。參照?qǐng)D1，其示出了本發(fā)明的熱電偶結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明通過精密機(jī)床加工出一根內(nèi)部中空的不銹鋼管，管的一端為封閉狀態(tài)，另一端為開口狀態(tài)。管的封閉端位于管的下部。在不銹鋼管的側(cè)面上距封閉端部為0mm, 8mm, 16mm和24mm的位置(位置精度在加工完后通過X光透視檢定)上鉆有四個(gè)直徑為1.5mm的小孔，開孔位置均在一條垂直直線上。將4個(gè)T型熱電偶絲分別從小孔穿出，在每根T型熱電偶絲的穿出部分通過熔焊的方式焊接一個(gè)銀質(zhì)的金屬頭，金屬頭的直徑在Imm左右。這樣可以保證讓金屬頭可以從不銹鋼管外縮進(jìn)管內(nèi)。管內(nèi)的下部均用硅膠作為填充材料，每支熱電偶絲的金屬頭都可以和硅膠充分接觸，保證金屬頭不會(huì)縮進(jìn)管內(nèi)，這樣可以讓偶絲具有彈性，并通過調(diào)節(jié)硅膠的填充程度來調(diào)節(jié)金屬頭的彈性。與熱電偶尾部相連接的各導(dǎo)線從不銹鋼管的開口端分別引出，相互間獨(dú)立不扭曲，所述的不扭曲是指所有引出的導(dǎo)線不會(huì)相互扭曲，即不會(huì)互相纏繞，因此不會(huì)造成信號(hào)干擾。最后在不銹鋼管內(nèi)的非硅膠填充部分用氧化鎂填充絕緣密封。
[0016]參照?qǐng)D2，其示出了本發(fā)明的熱電偶接管的安裝示意圖。熱流密度計(jì)采用金屬旋緊件的連接方式進(jìn)行安裝。由于本應(yīng)用的特殊性，是用在了兩塊鋼板的位于下方的一塊，使用了接管和焊接的方式在兩塊鋼板的接合處進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)。在安裝過程中，首先把接管安裝焊接完成，再把規(guī)格例如為M20*l.5的金屬旋緊件2安裝在鋼板I上，用于接管的密封和固定。當(dāng)接管安裝完畢后，將熱電偶從接管內(nèi)穿入，使得不銹鋼管，不開口端部與鋼板2的開孔底端緊密接觸并基本平齊。再將熱電偶上端的金屬旋緊件1在接管的上端旋緊，完成安裝。
[0017]參照?qǐng)D3，其示出了本發(fā)明的熱流密度計(jì)的安裝示意圖。其中，安裝套件由金屬旋緊件1、金屬旋緊件2、接管組成。首先把金屬旋緊件2套在接管上，再用探針穿過金屬旋緊件1并使其穿入接管內(nèi)，然后旋緊金屬旋緊件1。
[0018]本發(fā)明在不銹鋼管的統(tǒng)一軸向上至少設(shè)置了兩個(gè)或多個(gè)熱電偶絲，使用時(shí)在測(cè)量被測(cè)鋼板2壁面內(nèi)軸向的溫度梯度，再通過已知的溫度梯度通過熱流密度公式(1)計(jì)算得到鋼板內(nèi)的熱流密度。
[0019]q=A (Tl-T2)/d 公式(1)
其中，Λ --表不材料導(dǎo)熱系數(shù)；τι--表不熱表面的溫度；Τ2--表不冷表面的溫度；d-表示材料厚度(開孔的間距)；(Tl-T2)/d為材料溫度梯度。
[0020]參照?qǐng)D4，其示出了本發(fā)明的熱流密度的測(cè)試試驗(yàn)示意圖。熱通量測(cè)量試驗(yàn)裝置采用尺寸為400mmX 200mmX 20mm,厚度40mm的鋼板作為試驗(yàn)的測(cè)試本體,上下表面均經(jīng)過機(jī)械拋光，表面較光滑。鋼板上加工安裝熱電偶、熱流探針的測(cè)量孔，測(cè)量板的材料熱導(dǎo)率為43.9ff/ (m*K)(不同批次鋼材可能有所出入)。
[0021]測(cè)量板下表面在一定位置開矩形槽，槽道深1.5mm，對(duì)應(yīng)位置安裝固定K型熱電偶測(cè)量冷凝板下表面溫度。試驗(yàn)的熱量由布置在測(cè)量板下端的電加熱銅板產(chǎn)生，其厚度為20mm，功率為4.5KW，為了保證加熱板加熱的均勻性，或者說為了減少加熱板加熱時(shí)的不均勻性，減少加熱板加熱時(shí)的不均勻性，增加了一塊厚度20mm的加熱板，其布置在加熱板上。試驗(yàn)時(shí)使水箱內(nèi)的水循環(huán)換熱，通過流量計(jì)和閥門調(diào)節(jié)進(jìn)口水的流量和出口水的流量并使其相等。
[0022]試驗(yàn)采用兩種熱通量測(cè)量方式，分別為側(cè)面T型熱電偶測(cè)量(左右各一對(duì))和熱流探針。同時(shí)為驗(yàn)證 冷凝板底面溫度推導(dǎo)是否準(zhǔn)確，在冷凝板底面開槽處加裝10支K型熱電偶。表1示出了測(cè)量方式。
【權(quán)利要求】
1.一種用于熱流密度測(cè)量的裝置，包括: 內(nèi)部中空的不銹鋼管，管的一端為封閉端，另一端為開口端，在不銹鋼管的側(cè)面上鉆有多個(gè)小孔，將多個(gè)熱電偶絲分別從多個(gè)小孔穿出，在熱電偶絲的穿出部分焊接金屬頭，管內(nèi)的封閉端用硅膠作為填充材料，與熱電偶尾部相連接的各導(dǎo)線從不銹鋼管的開口端分別引出，在不銹鋼管內(nèi)的非硅膠填充部分用氧化鎂填充絕緣密封。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在不銹鋼管的側(cè)面上距封閉端部為Omm，8mm, 16mm和24mm的位置上鉆有4個(gè)小孔,并且,小孔的直徑為1.5mm,開孔位置在一條直線上。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，各導(dǎo)線相互之間獨(dú)立不扭曲。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，金屬頭為銀質(zhì)的，并且金屬頭的直徑為1_。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，通過調(diào)節(jié)硅膠的填充程度來調(diào)節(jié)金屬頭的彈性。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其為熱流密度計(jì)，并且其采用金屬旋緊件的連接方式進(jìn)行安裝。
7.一種用于測(cè)量熱流密度的方法，包括: 提供測(cè)試本體，上下表面均經(jīng)過機(jī)械拋光； 在測(cè)試本體上加工用于安裝測(cè)量裝置的測(cè)量孔； 使用熱電偶測(cè)量冷凝板下表面溫度； 試驗(yàn)的熱量由布置在測(cè)量板下端的電加熱銅板產(chǎn)生； 試驗(yàn)時(shí)使水箱內(nèi)的水循環(huán)換熱； 通過流量計(jì)和閥門調(diào)節(jié)進(jìn)口水的流量和出口水的流量并使其相等。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，測(cè)量板下表面于一定位置開矩形槽，槽道深1.5mm。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，電加熱銅板厚度為20mm，功率為4.5KW。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，其還包括一塊額外的加熱板，其布置在所述電加熱銅板上。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK103728337SQ201210385917
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月12日
【發(fā)明者】王燊, 韓立勇, 柳冠青, 王嘉鵬, 田芳, 趙瑞昌, 常華健 申請(qǐng)人:國(guó)核華清（北京）核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司, 國(guó)家核電技術(shù)有限公司