（热能工程专业论文）抽气式热电偶测温方法和结构的研究.pdf

、 i 1 、 、 l t l ll li ll li l li ii i iitll m a s t e rd i s s e r t a t i o n y 1813 4 01 s t u d y o nm e a s u r e m e n tm e t h o da n ds t r u c t u r eo fs u c t i o n t h e r m o c o u p l e a p p l i c a n t ：坠i 垒qq i 望g ：g i 塑g m a j o r ：! 塾曼【磐墨! e 坠星! l e 望g i 望i 坠2 s u p e r v i s o r ：! 里! 垒曼璺q 丕塾垒望gq 望垒望 s u b m i t t e dt o t h e f a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 0 7 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p rc h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：! l 年一o b j 一, f 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：廛兰兰导师签名： 嗍导年笪月丑日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 抽气式热电偶是通过使用屏蔽罩和增加气体流经测温端的速度 来提高热电偶测温精度的装置。通过对抽气式热电偶的测温原理和工 作特点的研究，可为其使用方法和结构的研究提供理论依据和重要参 考。 本文以带水冷却管的抽气式热电偶为研究对象，主要工作与结论 如下： ( 1 ) 鉴于在抽气式热电偶测温过程中，抽气速度对测温的影响， 提出了抽气式热电偶两步测温的方法，通过获得测温点在两个不同的 抽气速度的热电偶示值，利用测温方程求解出被测气体的真实温度。 从而避免抽气速度对测温的影响，降低抽气式热电偶对其抽气装置的 要求； ( 2 ) 设计并制造了用来测试高温梭式窑内气体温度的抽气式热 电偶，根据测试对象的特点，结构采用两段式，伸入窑内的部分采用 碳化硅材料制成，水冷却管在测试对象的外部工作，采用耐热不锈钢 材料制成，二者用法兰连接的结构形式； ( 3 ) 利用( 2 ) 所设计的抽气式热电偶来实现窑内气体温度的两 步测量，论证了该方法的可行性和可靠性。通过对测试获得的数据进 行分析发现，测温误差并不一定是随着抽气速度的减小而增大，单纯 的提高抽气速度并不一定能提高热电偶的测温精度。 关键词：抽气式热电偶，抽气速度，两步测温法，结构 中南大学硕士学位论文 a b s 仃a c t a b s t r a c t s u c t i o n - t h e r m o c o u p l ei s a l li n s t r u m e n ts h i e l d i n gt h et h e r m o c o u p l e a n da tt h es a m et i m ed r a w i n gt h eg a so v e ri ta th i g hv e l o c i t y t h er e s e a r c h o fm e a s u r i n gp r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n s t r u m e n tc a np r o v i d e i m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o ri m p r o v i n gi t sm e a s u r e m e n ta n ds t r u c t u r e t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ，b a s e do nw a t e r - c o o l e d s u c t i o nt h e r m o c o u p l e ： ( 1 ) c o n s i d e r i n gt h e i n f l u e n c eo fs u c t i o n v e l o c i t y o nt h e m e a s u r e m e n to fs u c t i o nt h e r m o c o u p l e ，at w o - s t e pt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ti s b r o u g h t o u t b yu s i n g s u c t i o nt h e r m o c o u p l e t h e i n d i c a t i n gv a l u e o fs u c t i o nt h e r m o c o u p l ei s g a i n e da tt w od i f f e r e n t s u c t i o nv e l o c i t i e s ，w h i c hi sr e q u i r e di nt h e r m o m e t r ye q u a t i o nu s e dt o s o l v ea c t u a lt e m p e r a t u r eo ft h em e a s u r e dg a s a sar e s u l t ，t h ei m p a c to f s u c t i o nv e l o c i t yi sa v o i d e d ，t h ed e m a n do fe x h a u s t e ra l s ob e c o m el o w e r ( 2 ) as u c t i o nt h e r m o c o u p l ew h i c hc a nb eu s e df o rm e a s u r i n gg a s t e m p e r a t u r ei ns h u t t l ek i l ni sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i co fm e a s u r e dg a sa n dt h ek i l n ，as p e c i a ls t r u c t u r eo fs h i e l di s a d o p t e d t h et u b eo fw a t e r - c o o l i n gi s i nt h ee x t e r i o ro fk i l n ，w h i c hi s m a d eb yt h em a t e r i a ld i f f e r e n tw i t ht h et u b ei nt h ek i l n ，a n dt h et w oa r e c o n n e c t e db yf l a n g e ( 3 ) t h et w o - s t e pt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sp r o v e dr e l i a b i l i t ya n d f e a s i b i l i t yb ym e a s u r i n gt h eg a st e m p e r a t u r ew i t ht h en e w - d e s i g n e d s u c t i o nt h e r m o c o u p l e b a s e do nt e s td a t a ，i ti sf o u n dt h a tt h em e a s u r m e n t e r r o rs o m e t i m ei sn o tb e c o m eb i ga l o n gw i t hd e c r e a s i n gt h es u c t i o n v e l o c i t y k e yw o r d s ：s u c t i o n t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , t h e r m o c o u p l e ，s u c t i o nv e l o c i t y ，t w o s t e p s t r u c t u r e 中南大学硕士学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 温度测量的原理和方法1 1 2 1 温度测量的方法2 1 2 2 气流温度测量的特点2 1 2 3 温度测量产生的误差3 1 2 4 抽气式热电偶的产生4 1 3 抽气式热电偶的研究5 1 3 1 结构设计6 1 3 2 抽气速度的研究7 1 3 3 测量精度的研究8 1 4 本文主要研究内容9 第二章抽气式热电偶的测温原理及基本方程l o 2 1 抽气式热电偶的测温原理1 0 2 1 1 热电偶测温端的传热过程1 0 2 1 2 抽气装置1 l 2 1 3 水冷却管l3 2 2 抽气式热电偶测温的基本方程1 3 2 2 1 热电偶测温端的传热1 3 2 2 2 测温装置的抽气系统18 2 2 3 水冷却管的换热2 0 2 3 小结2 l 第三章抽气式热电偶测温方法的研究2 3 3 1 抽气速度对测温的影响2 3 3 1 1 抽气速度的选取2 3 3 1 2 抽气系统的影响2 4 3 1 3 抽气速度对屏蔽罩结构的影响2 5 3 2 抽气式热电偶的两步测温法2 6 3 2 1 两步法测温的原理2 6 3 2 2 测温方程的求解2 9 i l i 中南大学硕士学位论文 目录 3 2 3 实现方法3l 3 3 小结3 3 第四章抽气式热电偶的设计与应用3 4 4 1 测试对象的介绍3 4 4 2 抽气式热电偶的结构设计3 5 4 2 1 屏蔽罩的结构设计3 5 4 2 2 抽气方式的选取一3 6 4 2 3 水冷却管的设计3 6 4 3 测温装置的设计计算3 7 4 3 1 水冷却管的设计计算3 8 4 3 2 风机的选型计算4 1 4 3 3 抽气式热电偶的结构尺寸4 3 4 4 测试结果示例4 3 4 4 1 抽气速度对测试结果的影响4 4 4 4 2 计算结果分析4 5 4 5 月、结4 5 第五章总结与建议4 7 5 1 总结4 7 5 2 建议4 7 参考文献4 8 致谢 攻读硕士学位期间的主要研究成果 i v 中南大学硕士学位论文符号说明 温度，k 温度， 速度，m s 定压比热，k j ( k g k ) 传热系数，w ( m 2 k ) 辐射率 黑体辐射常数，5 6 7 x 1 0 4 w ( m 2 k 4 ) 温度差，k 效率 换热面积，m 2 努塞尔数 雷诺数 普朗特数 格拉斯荷夫数 定性尺寸，m 导热系数，w ( m k ) 运动粘度，m 2 s 热扩散率，m 2 s 重力加速度 9 8 0 6 m s 2 热量，k j 符号说明 v 黑体辐射力，w m 2 角系数 截面积，m 2 长度，m 直径，m 焓，k j k g 质量流量，k g s 体积流量，m 3 s 压力，p a 密度，k g m 3 流动阻力损失，p a 气体各组成成分的含量， 污垢热阻，m 2 k w 吸收比 沿程阻力系数 局部阻力系数 厚度，m 体积，m 3 气体的膨胀系数，1 2 7 3 功率，w b x 彳 ， d ， 吼 p p 厂 ， 口 f f 万 y 夕 r ， 材 c 七 占 盯 竹 p f 批 n 西 厶 a y 口 g o 中南大学硕士学位论文 符号说明 下标符号 被测气体 热电偶 周围壁面 不抽气时 抽气时 对流换热 辐射换热 导热 第i 层屏蔽罩 热电偶与第f 层屏蔽罩的换 热 f 一切第f 层屏蔽罩的内壁 f o u t第f 层屏蔽罩的外壁 v i h 热流体 z冷却水 t管道 r 一伽 管道的内壁 t o u t管道的外壁 厅l 办2 ，l ，2 p 热流体进口 热流体出口 冷却水进口 冷却水出口 屏蔽罩 g 6 s 眦 棚 c ， d ， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 温度是生产和科学试验研究过程中普遍存在且十分重要的物理参数，温度测 量是测试技术中应用频率最高的技术之一。随着生产技术的不断发展，人们对温 度测量的精度要求也是愈来愈高，特别是计算机科学仿真技术的发展，对于仿真 模型的检验和验证，其温度的准确测量就显得尤为重要了，而且温度的准确测量 也是实现节能降耗与热能管理的关键环节。 热电偶是目前温度测量中应用较为广泛的一种温度传感器，具有结构简单、 制造容易、价格低廉，测温范围广等特点。为了提高热电偶的测温精度，人们针 对其误差产生的原因：热电偶本身允差与冷端补偿、温度显示仪表的连接与使用、 热电偶的安装方式以及传热条件等各方面的影响进行了大量的研究【i 5 】，提出了 许多改进的措施和方法，抽气式热电偶是其中的一个研究方向。 抽气式热电偶是以热电偶为感温元件实现温度测量的一类测温装置，主要用 来测量气流温度，在测温精度要求较高的场合和工业测试过程中被广泛使用【6 t 7 】， 而且其测量结果往往被用来检验温度场的实验研究和模拟结果的正确性喁一，在 设计新的测温装置或采用新的测温方法时，也是以抽气式热电偶为参比对象，论 证新装置或方法的可靠性【1 0 j 1 1 。因而，对抽气式热电偶测温精度的研究就显得十 分重要了。 本文以带多层屏蔽罩和水冷却管的抽气式热电偶为研究对象。通过对其测温 时传热、抽气以及水冷的过程进行研究和分析，建立了抽气式热电偶测温系统的 静态模型；通过建立被测温度的计算求解模型，提出了获得被测气体真实温度的 抽气式热电偶测温方法；并通过对测温模型的研究和分析，提出了抽气式热电偶 提高测温精度的结构改造方向。在此基础上设计并制造了用来测试高温梭式窑内 气体温度的抽气式热电偶，通过实验数据与计算机软件编程相结合求解被测气体 的温度，论证了该方法的可行性和可靠性。 1 2 温度测量的原理和方法 温度是表征物体冷热程度的物理量【1 2 】。由热力学可知，处在同一热平衡状 态的所有系统都具有一个共同的宏观特性，这一宏观特性就定义为温度。因此， 温度的测量是建立在热平衡基础上的。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 温度测量的方法 温度这一参数是不能直接测量的，一般根据物质的某些特性参数与温度之间 的函数关系，通过对这些特性参数的测量而间接获取的。根据测温传感器的使用 方式，测温方法大体分为接触式和非接触式两种： 接触式测温是温度计的感温元件直接与被测介质接触，使其温度相同，便可 以得到被测介质的温度。该测量方法比较简单且直观，可靠性也较高，是应用最 多的一类。但采用接触式测温时，由于温度计的感温元件与被测介质相接触，吸 收被测介质的热量，往往容易使被测介质的热平衡受到破坏。所以，对感温元件 的结构要求苛刻，这是接触式测温的缺点，因此，不适于小物体的温度测量。接 触式测温最常用的传感器有热电偶、热敏电阻等。 非接触式测温是温度计的感温元件不直接与被测物体相接触，而是利用物体 的热辐射原理或电磁原理，间接推算出被测物体的温度。非接触法测温时，温度 计的感温元件与被测介质有一定距离，是靠接受被测介质的辐射能实现测温的， 所以不会破坏被测介质的热平衡状态，具有较好的动态响应。但总体来说，非接 触测量的精度较低。常见的非接触式测温计有红外辐射高温计、全辐射高温计、 比色高温计等。 1 2 2 气流温度测量的特点 对于流动的气体或火焰，其温度有三种不同的表现形式： ( 1 ) 静态温度 这是气流在运动或静止时的实际温度，是分子平均随机平动动能，简称静温。 可以采用绝热探头相对于气体静止状态下达到热平衡时测定。 ( 2 ) 动态温度 气体连续运动中正向流动动能转化为热效应所相应的温度，简称动温。 ( 3 ) 总温 气流静温和动温之和即为总温。可采用理想探头在相对于边界静止的情况下 使气流滞止为理想气体时测定气流的总温。 在对气流的温度进行测量时，一般获得的是气流的总温，而所需要的却是气 流的静态温度。在稳定情况下而且气流流速又较低时，气流的总温与静温差别不 大，可以只考虑热交换造成的测温误差，而当气流速度较高，一般认为马赫数大 于0 2 - - 0 3 时，气流就不再是自由运动，传感器在气流中滞止正向流动动能，使 它转变为热能，这时气流的总温与静温就有较大的差别。此时不但要考虑热交换 造成的误差，还要考虑速度误差。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 温度测量产生的误差 温度测量中一般会产生三种误差，即传导误差、辐射误差和分离误差。在存 在上述误差的情况下，虽然敏感元件本身在标定时可以有极好的精确度，但在测 量中，也会出现较大的误差。 ( 1 ) 表面温度传导误差 以热电偶测量物体表面温度为例，假设这个表面的温度比周围空气高，那么 热将从表面沿金属导线传导，金属导线将会向周围空气传热，此时，金属导线起 到了散热片的作用。热传导过程对热电偶测温点产生了一个明显的温度误差。 图1 1 表面温度测量 为了减少这种误差，应尽可能缩短连接热电偶的金属导线的长度，并且使用 传导率低的材料。 ( 2 ) 辐射误差 在测量热气体温度时，一般都会产生辐射误差。辐射误差的来源如图1 2 所 示。在这种情况下，热量通过对流传热传输到传感器，同时传感器的热量会辐射 i 热量轺 管道壁 图l - 2 辐射误差来源 感器 射到管道壁 到管道壁。从而造成辐射误差。 为了减少辐射误差，应用最广泛的方法是使用屏蔽罩。 ( 3 ) 速度误差 绝大多数速度误差( 分离误差) 是与高速气流有关的。可以用按气体速度移 动的仪器测量气体的热力学温度，即静态温度。然而，高速气体有很大的动能， 当速度减慢时，它的温度就会上升。由于粘滞效应，置于气流中的敏感元件表面 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的流体速度会降低到零。这样，会使接点的温度升高，以至高于流动流体的静态 温度。若没有其他热传导到接点表面，则将达到的温度称为总温，用符号乙表 示，则有公式 l = k 枷丢 ( 1 - 1 ) 式中：乙。气体静态温度； 尺分离系数。 r 与气体种类、马赫数以及探测头的方位和形状有关，一般为0 6 8 - 0 8 6 。 1 2 4 抽气式热电偶的产生 根据温度测量的原理，在测试系统达到热平衡状态时，热电偶的示值即为被 测介质的温度。而以工业炉窑内的烟气温度测量为例，假设烟气温度为疋，热电 偶测温的示值为瓦，炉壁面温度为z ，在达到热平衡时，烟气将热量以对流和辐 射换热方式传递给热电偶，而热电偶得到的热量一方面会沿着保护套管导热，另 一方面也会对炉壁面辐射热量，所以热电偶最后得到的温度是其与气流、炉壁等 综合传热的结果，为炉窑内的均衡温度l j 引。 4 耋 l 图1 - 3 热电偶测温示意图 忽略烟气对热电偶的辐射换热，以及热电偶沿保护套管导出的热量，则在整 个系统达到热平衡时，烟气对热电偶的传热应等于热电偶与周围壁面的热交换， 即： t 一。也一t b ) = e n 仃k 4 一t 4 ) ( 1 - 2 ) 其中s 。为系统的辐射率，当热电偶周壁表面积比热电偶元件表面积大得多 时，就接近热电偶的辐射率。 则热电偶的测温误差丁为： 4 瓦i 瓦l 中南大学硕士学位论文第一章绪论 a r - - ( r , 一瓦) = 竽纯4 一正4 ) ( 1 - 3 ) f i c - b 由此可以看出，降低测温误差的主要途径有三个：( 1 ) 提高热电偶周围壁面 的温度正；( 2 ) 增大气体对热电偶的对流换热系数七m ：( 3 ) 降低热电偶的黑度 g 一。 提高热电偶测温点处的粗糙度，可以减少占一；减小测温探头的尺寸，可以增 加吒。，但在热气流环境下，大多数热电偶材料的腐蚀较快，这样就使小尺寸测 温探头的寿命很短。因此，人们提出通过提高气流流经热电偶测温端的速度，在 一定程度上增大气体与热电偶的对流换热系数，从而增加测温端所能获得的热 量，并利用屏蔽罩来提高热电偶周围表面的温度，此时热电偶不直接与周壁进行 辐射换热，而屏蔽罩是处于气体之中，它直接受到气体的加热，所以其温度必然 高于周壁面的温度，减少了热电偶测温端对外的辐射传热量，使得热电偶的示值 更接近气体的真实温度，从而提高热电偶的测量精度。即通过使用抽气式热电偶 来提高热电偶的测温精度【1 4 1 。 1 2 图1 4 抽气式热电偶结构示意图 卜一屏蔽罩；2 一热电偶配双孔瓷套管；3 一刚玉保护管：4 一罩座；5 一水冷套管； 6 一膨胀密封填料；7 一耐热钢或碳钢保护管；8 一接线盒；9 一安装屏蔽罩用的榫销； 1 0 一冷却水进口；i i 一冷却水出口；1 2 - - 抽气出口 1 3 抽气式热电偶的研究 抽气式热电偶的研究最早可以追溯到1 9 3 9 年【15 1 ，主要集中在其结构的设计 优化和抽气速度的选取上。随着抽气式热电偶应用的日益广泛和测温精度要求的 不断提高，人们对于其测量的精度进行了大量的研究，促使抽气式热电偶得到了 更好的发展和使用。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 结构设计 抽气式热电偶的核心结构是屏蔽罩和抽气装置，针对不同的测试条件，人们 设计出了各种结构的抽气式热电偶，并对其结构进行了不断的优化和改进。 1 9 3 9 年，b e n j a m i n l b r a g g ，h i 和e l i z a b e t h n j 设计出了针对炉窑内辐射段 高温气体温度测量的装置【阍，结构如图1 5 所示，采用l 型结构的屏蔽罩来减少 喷射器 图l - 5 带屏蔽罩的高速热电偶 热电偶对外的辐射换热量，并在两个喷射器的作用下，提高被测气体与热电偶的 对流换热量，从而提高热电偶测温的精度。1 9 7 5 年，b e r g m a n a p 设计出了测温 端方便更换的抽气式热电偶【1 7 1 ，其屏蔽罩采用同心的陶瓷圆管制成，利用抽气 泵来实现抽气，并带有不锈钢的水冷却管，避免高温介质对抽气泵造成损坏。1 9 7 8 年，f r a n kr p a t e r 和j r j o s e p hm k a p u s n i k i 俺l 采用氧化铝耐火材料来制作屏蔽罩， 不同于一般的同心圆环的结构形式，该屏蔽罩采用在一个大的圆管中放置一系列 小圆管的形式，从而延长屏蔽罩的使用寿命。为了防止由于抽气式热电偶的抽气 速度过高，造成速度误差，张中亭还于1 9 9 4 年设计了具有良好滞止效果的双屏 蔽抽气式热电偶1 1 9 】，在其内层屏蔽罩上有8 个小孔，而且内、外屏蔽罩之间有 一个收缩的环道。 针对各种不同的测试条件，人们设计了许多专用的抽气式热电偶，如1 9 7 4 年o n u m ay o s h i a k i 等人针对雾化烧嘴油滴对气体温度测量的干扰，特别设计了 不受油滴影响的抽气式热电偶【2 0 l ：1 9 7 7 年，l d i a t u l i nz g 和p e t a s h v i l i0 m 设计 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 了在测试燃煤锅炉中气体温度时，避免结渣对测量造成影响的抽气式热电偶【2 l 】； 2 0 0 3 年，l a l l e m a n tn 等人更是设计出了测试温度高达2 4 0 0 k 的高温抽气式热电 偶1 2 2 1 。 此外，m o r i l l o nr 和p e r t h u i se 还提出了通过对热电偶与周围环境的换热计 算来对抽气式热电偶的结构进行设计和选取的方法【2 3 1 。 1 3 2 抽气速度的研究 按统计平衡状态定义的热力学温度是静态温度，而流动的气体并非静态，如 果不采取适当措施是不可能正确测定其温度的。当气流速度较低时，由于沿热电 偶的导热以及气流与周围器壁的热交换，使热平衡难以建立，而且所测示的温度 还是气流、传感器与周围器壁的综合平均温度，并非气流的真实温度。当气流速 度较高时，由于动能的变换，又会使所测得的温度值偏高。因此，选取适宜的抽 气速度是抽气式热电偶测温的关键。 在1 9 7 9 年以前，关于抽气速度值的选取，人们就进行了很多研究，普遍认 为在抽气速度为1 0 0 - - - 3 0 0 m s 时，抽气式热电偶所测得的温度最接近介质的真实 温度 2 4 - 2 7 1 ；而在1 9 7 9 年，n e w m a nj s 和c r o c ep a 通过实验研究却认为，抽气速 度在7 m s 左右时，热电偶显示的温度跟介质的实际温度是相符合的【2 8 】；在1 9 9 8 年，a s t ms t a n d a r d 还提出了抽气速度在5 m s 左右时，抽气式热电偶测试的温 度就很精确了【冽。 此外，e 1 m a h a l l a w yem 等人通过比较不同结构的抽气式热电偶在抽气速度 变化情况下的测温结果得出，随着被测介质温度值的升高，抽气的速度也应该随 之相应的增大【3 0 1 。 1 9 6 9 年，awdh i l l s 和ap a u l i n 设计了微型抽气式热电偶，提出了利用很 小的抽气速度获得高精度测温值的方法【3 l l 。此时抽气式热电偶不直接测量气体 的温度，而是测量没有气体流过热电偶时的温度示值瓦与在预定的抽气速度下 流过热电偶的示值瓦，通过获得二者与被测气体真实温度瓦之间的关系，计算 求得疋。 抽气式热电偶测得的温度与真实温度的接近程度，用效率e 表示： e ： c o - t w ( 1 - 4 ) 乙一乙 则气体的真实温度与抽气和不抽气时热电偶示值的关系为： 个一个 乙= k + 竺二立 ( 1 - 5 ) 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在通过实验确定e 值以后，就可以根据上式计算获得被测气体的真实温度。 通过该方法测量的精度取决于抽气与不抽气时温度示值的差值。当二者的差 值为5 0 c 左右时，测温误差为2 ；当二者的差值大于5 0 c 时，测温精度会降 低，而且低于采用大尺寸抽气式热电偶测温的精度。 1 3 3 测量精度的研究 对于抽气式热电偶测温精度的研究，主要是通过建立其静态或( 和) 动态模 型，结合实验数据进行分析和研究，从而指导抽气式热电偶的优化设计和使用。 为了论证屏蔽罩的使用效果，人们通过对屏蔽罩使用前后热电偶的测温误差 进行研究和分析发现，裸露热电偶的相对测温误差是2 0 7 ，单层屏蔽罩抽气式 热电偶的相对测温误差是4 8 8 ，双层的是1 2 2 ，但屏蔽罩最多不超过4 层p 2 1 ， 此后增加屏蔽罩层数不仅增大了实现的难度，对测温精度的提高也不明显。 1 9 9 9 年，l i n d ag b l e v i n 和w i l l i a mm p i t t s 通过建立抽气式热电偶的静态测 温模型，分析了不同气体温度和环境温度对测温的影响，对其测温误差的变化进 行了定性的分析f 3 3 】。在气体温度低于环境温度时，热电偶的测温误差较大，相 比之下，在气体温度高于环境温度时，环境温度对热电偶测温精度的影响要小得 多。而且双层屏蔽罩抽气式热电偶比起带单层屏蔽罩的热电偶来说，更能减少测 温中可能出现的误差。 n o r t o no l i ne 等人则通过对抽气式热电偶的静态测温模型和动态测量误差 的分析得出，抽气式热电偶的测温误差是随着抽气速度的增加而减少的，当烟气 的温度从一种稳定态突变到另一种稳定态时，读数误差的产生主要是热电偶的测 温端和屏蔽罩壁面共同滞后的结果，提出了通过增加抽气速度可以提高热电偶测 温的灵敏度l m 6 j 。 而鄂加强等人根据热电偶测温误差产生的机理，分析了屏蔽罩以及热电偶的 黑度的变化对抽气式热电偶测温的影响1 3 7 , 3 引，发现抽气式热电偶测温误差对热电 偶和屏蔽罩材料的黑度较敏感，在黑度变化的情况下，抽气式热电偶会输出伪信 号，从而掩盖炉窑温度的真实变化情况，并提议使用黑度较低的材料来减少抽气 式热电偶的测温误差。 此外，m a t s u s h i t ay o h s u k e 等人在2 0 0 6 年对带水冷却管的抽气式热电偶的测 温情况进行了研究【3 9 1 ，发现当抽气式热电偶伸入尺寸较小的气体燃烧室内测温 时，由于水冷却管的作用，会对其本身的燃烧造成较大的影响，相比不使用抽气 式热电偶时，燃烧温度最大的差值能达到3 0 0 k ，而在尺寸较大的燃烧室内，抽 气式热电偶的使用对燃烧的影响较小，因此在测量小尺寸燃烧室内气体的温度 时，不应该采用带水冷却管的抽气式热电偶。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文主要研究内容 本文拟通过对抽气式热电偶的测温原理及其工作过程的研究，获得其测温的 基本方程。通过分析抽气速度对测温的影响，寻求避免抽气速度对其影响的抽气 式热电偶的测温方法。并针对具体的测试对象，对抽气式热电偶进行设计。主要 研究内容如下： ( 1 ) 分析抽气式热电偶的测温原理和工作过程，通过对对热电偶测温系统、 抽气系统和水冷系统的具体分析，获得抽气式热电偶测温的基本方程。 ( 2 ) 鉴于抽气式热电偶测温时由于抽气速度的选取而带来的一系列问题， 提出抽气式热电偶两步测温的方法，并对其可行性进行分析和研究。 ( 3 ) 以烧制耐火材料的梭式窑为测试对象，根据该炉窑的工作特点，设计 制造抽气式热电偶，利用该装置对梭式窑内的气体温度进行两步温度法测量，并 对其结果进行分析和讨论。 9 牵 j ， 器 中南大学硕士学位论文第二章抽气式热电偶的测温原理及基本方程 第二章抽气式热电偶的测温原理及基本方程 抽气式热电偶的结构有很多种，针对不同的结构，其测温过程也会有所不同。 尽管如此，其测温原理都是一样的，都利用抽气装置迫使被测气体以高速流经热 电偶的测温端，极大地增加对测温端的对流传热；又在屏蔽罩的作用下，较大地 减少周围冷壁面与测温端的辐射传热。 抽气式热电偶普遍是由热电偶、屏蔽罩、抽气装置以及水冷却管组成。屏蔽 罩有单层与多层之分，通常采用同心圆管的形式，用金属或耐火材料制成；抽气 装置多为蒸汽或空气喷射器，也有的是采用抽气泵或风机；而水冷却管多为套管 换热的形式。 本章通过对抽气式热电偶的测温过程和原理的分析，获得其测温的基本方 程，为抽气式热电偶的研究提供理论依据。 2 i 抽气式热电偶的测温原理 抽气式热电偶测温过程的实现是三个部分共同工作的结果，即热电偶的测 温、抽气装置的抽气和水冷却管的冷却。以下对各部分的工作分别进行分析。 2 i 1 热电偶测温端的传热过程 假设抽气式热电偶的屏蔽罩有玎层，截面如图2 1 所示，热电偶测温端的传 热过程包括被测气体对热电偶以及屏蔽罩的传热，热电偶对屏蔽罩的传热，各层 屏蔽罩之间的换热以及屏蔽罩和外部壁面的换热。 2 3 4 5 l 一热电偶；2 一第l 层屏蔽罩；3 一第2 层屏蔽罩；4 一第g 1 ) 层屏蔽罩； 5 一第一层屏蔽罩 图2 1 抽气式热电偶测量头部的截面图 l o 中南大学硕士学位论文第二章抽气式热电偶的测温原理及基本方程 在测温过程中，当系统达到热平衡状态时，被测气体在抽气装置的作用下， 部分流过热电偶测量头部，以对流换热的方式将热量传递给屏蔽罩及热电偶。若 被测气体为空气、氢、氧、氮等气体时，在工业上常见的温度范围内可认为是热 辐射的透明体，没有发射和吸收辐射能的能力，但若被测气体为二氧化碳、水蒸 气、二氧化硫等气体时，由于这类气体具有相当大的辐射本领，就需要考虑到其 对热电偶及屏蔽罩的辐射换热量。 在被测气体将热量以对流和辐射方式传递给测温端以后，热电偶获得热量， 温度逐渐升高，并以辐射方式将热量传给最内层屏蔽罩，记为第一层屏蔽罩，而 且由于热电偶必然有一部分露在气体之外，热量会沿着热电极与外保护管以传导 传热方式散失，同时由于热电偶是由金属制成，其表面也会因为化学反应而产生 热量。 第一层屏蔽罩的内壁在接受被测介质传递的热量和热电偶对其的辐射换热 后，由于屏蔽罩有一定的厚度，它会以导热方式将热量传递给其外壁，而外壁在 接受气体传递的热量和内壁的导热后，又以辐射换热方式将热量传递给第二层屏 蔽罩的内壁，该内壁再通过导热方式将热量传递给外壁，如此逐次将热量传递给 下一层屏蔽罩，最后通过第刀层屏蔽罩的外壁将热量以辐射换热方式传递给周围 环境( 在测试对象为炉窑内的气体时，周围环境一般是炉窑的内壁面) 。 2 1 2 抽气装置 在抽气式热电偶中，最常见的是使用喷射器来提高气体流经热电偶测温端的 速度。喷射器是一种应用非常广泛的流体机械，根据其用途及工作介质的性质， 可被称为喷射器、引射器、射流泵等不同名称，但其工作原理和结构形式是基本 相同的，都是利用工作流体的射流来实现能量转化的m 。 喷射器的结构简图如图2 2 所示，其主要部件有工作喷嘴、接受室、混合室 和扩压室。工作喷嘴可以采用收缩喷管或拉伐尔喷管，其选择取决于工作流体压 力和引射流体压力的大小。喷射器的工作过程如下： 高温、高压的工作流体通过喷嘴绝热膨胀，将位能转化为动能，压力和温度 下降，而速度升高。由于工作流体从喷嘴出口的压力稍低于引射流体的压力，则 将吸入室中的流体吸入，此时，可以通过改变工作流体的压力来调整引射流体被 吸入的速度。此后，工作流体与引射流体在混合室内剧烈混合，实现动量、能量 交换，在混合段混合流体的压力逐渐上升，速度逐渐下降。在扩压室中，混合流 体被压缩，动能又转化为位能，压力继续上升，速度继续下降。 喷射器工作原理和结构特别简单，与各种设备连接的系统也很简单，制造也 不复杂，因此应用十分广泛。但其内部的流动过程也是相当复杂的，其传统的设 中南大学硕士学位论文第二章抽气式热电偶的测温原理及基本方程 l 一喷嘴2 一吸入室3 一混合室4 一扩压室 图2 - 2 喷射器结构简图 计计算一般都是半经验公式，使用的效率也很低。 从功能上来说，风机也同样具有实现抽气的能力，虽然其原理完全不同，风 机是采用消耗机械能的方式达到输送气体的目的【4 。在各工业部门中应用最广 泛的是离心式风机，其主要结构部件是叶轮和机壳。机壳内的叶轮固定安装于由 原动机拖动的转轴上。当原动机带动叶轮旋转时，叶片间的气体也随叶轮旋转而 获 图2 - 3 离心通风机的简图 得离心力，并使气体从叶片之间的开口处甩出。被甩出的气体挤入机壳，于是机 壳内的气体压强增高，最后被导向出口排出。气体被甩出后，叶轮中心部分的压 强降低，外界气体就能从风机的吸入口通过叶轮前盘中央的孔口吸入，源源不断 地输送气体。 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章抽气式热电偶的测温原理及基本方程 2 1 3 水冷却管 在抽气式热电偶中，水冷却管的作用是通过冷却水带走被测高温气体的热 量，降低其进入抽气装置的温度，保证测试过程中的安全操作。水冷却管最广泛 的结构形式是套管式，它作为间壁式换热器中最简单的一种型式，适用于传热量 不大或流体流量不大的情形。 套管式换热器的简单结构示意图如图2 - 4 所示，其冷、热流体由壁面间隔开 来，分别位于壁面的两侧，两种流体的流动方向可以相同( 顺流) 或不同( 逆流) 。 - - - 卜流体2 图2 - 4 套管式换热器结构示意图 b 侧 彳侧 需要交换热量的冷、热两种流体同处于间壁的两侧并通过它进行热量交换，其传 热过程主要包括三个串联的传热环节：流体l 与壁面a 侧进行的对流和辐射换 热，固体壁面a 侧向其b 侧进行导热，固体壁面b 侧与流体2 的对流辐射传热。 在整个过程中，热流体沿程放出热量，温度不断下降，冷流体沿程吸热而温度上 升，且二者间的温差沿程是不断变化的。 2 2 抽气式热电偶测温的基本方程 通过2 1 节的分析可以知道，抽气式热电偶的测温过程包括：热电偶的测温、 抽气装置的抽气以及水冷却管的冷却，而这三部分的工作原理又各不相同。本节 将在抽气式热电偶测温原理的基础上，建立其测温过程的基本方程。 2 2 1 热电偶测温端的传热 从热电偶测温端的传热分析可知，其包括了各种条件下的导热、对流和辐射 换热，是个复杂的传热过程，为了简化分析，做如下假设： ( 1 ) 各层屏蔽罩的材料和长度是相同的： ( 2 ) 相对于气体的对流传热，其辐射换热量很小，不考虑气体的辐射传热； ( 3 ) 不考虑热电偶的化学反应热； 中南大学硕士学位论文 第二章抽气式热电偶的测温原理及基本方程 ( 4 ) 各种材料的导热系数均为常数； 热电偶测温端 根据对流换热的基本计算式牛顿冷却公式可以简单表示出气体对热电 偶测温端部的对流传热量： 。= k c 一。【f g t b 波= k c - b 魄一瓦疋 ( 2 - 1 ) 其中，对流换热系数t 受很多因素的影响，其计算关系式通常是实验公式， 目前一般用相似特征数的函数表示，对于稳定热态，它是1 4 2 1 ： n u = 厂( r e ，p r ，g r ) ( 2 2 ) 其中： 盹：丛 ( 2 2 a ) r e ：堕( 2 2 b ) p r ：兰 ( 2 2 c ) g r ：_ g l 0 3 a a t ( 2 2 d ) q 2 2啊f一,(eb,-eb2) ( 2 3 ) 因为热电偶测温端的表面积e 比屏蔽罩的换热面e 一。小得多，即 f , f , 一舸专0 ，且热电偶的测温端面为非凹表面，x b - i = 1 ，则按照式( 2 3 ) n - - i ，由。= e ( 毛而一e b 。) ( 2 - 4 ) 毛= o r ( 2 - 5 ) 1 4 中南大学硕士学位论文第二章抽气式热电偶的测温原理及基本方程 ，- 6 ，l - 尼盯眙一r 1 4 _ 加) ( 2 6 ) 在测温过程中，热量会沿着热电偶向外导出，假设热电偶的温度为，截面 积为以，并认为热电偶沿其截面积的温度分布均匀，沿其长度的温度梯度分布 均匀。取沿着保护套管的长度方向为x 轴，在热电偶上取单元体积，如图2 5 所 示，所研究的问题就转变成了无内热源的一维稳态导热问题，则利4 3 】 ：) 一目一 5 叫 卜_ 一 多 d r 图2 - 5 沿热电偶保护套管的热量传递 d ：一九彳6 z d t ( 2 7 ) 设热电偶尾端的温度为t o ，即x = l b 时，t = t o 。根据公式( 2 7 ) 可得： = 以 掣卅。掣 协8 ) 按照能量守恒定律，热