（检测技术与自动化装置专业论文）无流量计热量计量方法的模型简化研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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 除了文中特j i i j j n 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 也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 耋痼盔 日期 丝2 透塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 兰盔盔 导师签名 自乏塾 日期 呈翌坦壅圈 摘要 摘要 随着国家节能减排计划的实施 热量计量作为建筑节能的一个方向日益受到 人们的重视 由于目前城市居民普遍使用叶轮式流量计 供暖水的水质问题影响 到计量器具的长期稳定运行 含有杂质的供暖水会导致热量计量失去准确性 为 了达到准确计量散热量的目的 一种新型的热量计量方法一无流量计热量计量 方法被提出来 无流量计热量计量是一种新型的计量方法 它避免了有流量计热量计量在供 暖水水质较差的情况下易坏并丧失准确性这一缺点 该计量方法只需测量温度 就能估算出流量并计算出热量 但是该方法需要测量室内空气温度 给测量带来 了麻烦 为了克服该缺点带来的问题 利用f l u e n t 软件建立了散热器房间模型 通过有限体积方法求出散热器房间平均温度 并找到了散热器房间平均温度 散 热器出口温度和散热器流量之间的函数关系 将其代入到无流量计热量计量模型 中 消去了室温项 通过对其进行实验验证 该函数关系成立 从而简化了无流 量计热量计量模型 为热量计量 节能减排提供了一种新型的计量方法 关键词热量计量 无流量计 室内空气温度 f l u e n t 北京工业大学工学硕士学位论文 i i a b s t r a c t a b s tr a c t a l o n gw i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no fe n e r g y s a v i n ge m i s s i o nr e d u c t i o np l a n t h e h e a tm e a s u r e m e n ti sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h el o n g t e r ms t a b l eo p e r a t i o n o fi m p e l l e r t y p eh e a tf l o wm e t e rw h i c hi sw i d e l yu s e di nt h eh e a tm e a s u r e m e n ti s i n f l u e n c e db yt h eq u a l i t yo fh e a t c o n v e y i n gw a t e r t h eh e a t c o n v e y i n gw a t e rw h i c h c o n t a i n si m p u r i t i e sw i l lm a k ei n a c c u r a c yo ft h eq u a n t i t yo fh e a t i no r d e rt oa v o i di t a n e wk i n do fh e a tm e a s u r e m e n tw h i c hi sn a m ea sh e a tm e t e rw i t h o u tf l o wm e t e ri s p r o p o s e d h e a tm e t e rw i t h o u tf l o wm e t e ri san e wk i n do fm e a s u r e m e n t i ta v o i d st h e p e r i s h a b l ea n di n a c c u r a c yo fah e a tf l o wm e t e rw h i c hi su s e dw h e nt h eq u a l i t yo f h e a t c o n v e y i n gw a t e ri sp o o r t h r o u g ht h em e t h o d t h ev a l u eo fh e a tc a nb ee s t i m a t e d a n dc a l c u l a t e ds i m p l yb ym e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r e h o w e v e r t h em e t h o do fh e a t m e t e rw i t h o u tf l o wm e t e rm u s tm e a s u r et h et e m p e r a t u r eo fi n d o o ra i r w h i c hm a k e s t r o u b l eo fm e a s u r e m e n t i no r d e rt os o l v ea b o v ep r o b l e m ar a d i a t o rm o d e lr o o mi se s t a b l i s h e db yu s i n g f l u e n ts o f t w a r ef i r s t l y a n dt h e nt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo fr a d i a t o rr o o mi sd e r i v e d b yu s i n gt h ef i n i t ev o l u m em e t h o d a f t e rt h a t t h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e a v e r a g et e m p e r a t u r eo fr a d i a t o rr o o m t h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo fr a d i a t o ra n dt h ef l o w o fr a d i a t o ri se s t a b l i s h e d a tl a s t t h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pi sb r o u g h tt ot h em o d e lo f h e a tm e t e rw i t h o u tf l o wm e t e ra n dt h ec o r r e c t n e s so fi ti st e s t e dt h r o u g ht h er e s u l t so f s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t k e y w o r d s h e a tm e a s u r e m e n t h e a tm e t e rw i t h o u tf l o wm e t e r t e m p e r a t u r eo f i n d o o ra i r f l u e n t i i l 北京工业大学工学硕士学1 1 i 7 论文 i v 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t iil 目录 v 第1 章绪论 一1 一 1 1 我国现有供热系统与计量收费的现状 1 1 2 现有热量表原理及我国热量表的发展 1 1 2 1 现有热量表的结构 1 1 2 2 现有热量表的计量原理 2 1 2 3 现有热量表简介 5 1 2 4 我国热量表的发展 6 1 3 现有热量表存在的问题 7 一 1 4 无流量计热量表的计量原理 8 1 5 无流量计热量表存在的问题 9 1 6 课题的主要研究内容 9 1 7 本文的组织 9 第2 章对流换热方程及其求解 一11 2 1 对流换热概述 11 2 1 1 对流换热的定义 1 1 2 1 2 对流换热的分类 1 1 2 1 3 对流换热的特点 11 2 2 换热系数和对流换热微分方程式 1 2 2 2 1 对流换热微分方程式 1 2 2 2 2 影响换热系数的因素 1 2 2 3 对流换热的数学描述 1 3 2 3 1 对流换热微分方程组 一1 3 2 3 2 对流换热微分方程的定解条件 一1 4 2 4 对流换热方程的求解 1 6 2 4 1 对流换热方程的解法概述 1 6 2 4 2 对流换热方程的数值解法 1 6 2 4 3 利用软件求解对流换热方程 1 9 2 5 本课题方法的选取 一2 1 2 6 本章小结 一2 2 第3 章无流量计热量计量的简化模型 一2 3 3 1g a m b i t 简介 一2 3 3 2 简化模型的建立 2 3 3 2 1 散热器房间的物理模型 2 3 3 2 2 模型简化的假设条件 2 4 3 2 3 散热器房间的数学模型 2 5 3 3 网格生成 2 6 3 3 1 网格的生成和网格质量原则 2 6 v 北京工业大学t 学硕士学位论文 3 3 2 模型房间网格的生成 2 7 3 3 3 边界条件 2 8 3 4 本章小结 2 9 第4 章数值计算及结果分析 一3 1 4 1f l u e n t 软件求解的步骤 3 1 4 2 模拟计算设置 3 1 4 2 1 求解域的设置 31 4 2 2 边界条件设定 3 3 4 2 3 控制参数设置 3 4 4 3 计算结果及分析 3 4 4 3 1 初始化和迭代 3 4 4 3 2 计算结果 3 5 4 3 3 计算结果分析 3 7 4 3 4 无流量计热量计量简化模型 4 3 4 4 本章小结 4 5 第5 章实验验证及结果分析 一4 7 5 1 实验环境简介 一4 7 5 2 实验方案 4 8 5 3 实验结果及分析 一4 9 5 4 本章小结 5 2 结论与展望 一5 3 一 参考文献 一5 5 一 攻读硕士学位期间所发表的学术论文 一5 9 一 致谢 一6 1 一 v i 第1 苹绪论 第1 章绪论 1 1 我国现有供热系统与计量收费的现状 随着我国经济的持续稳步发展 国民经济对资源依赖性过高这一问题突显出 来 粗放型经济带来了一系列资源浪费 建筑领域中的供热系统也不例外 长期 以来 我国建筑领域能源消耗占总能源消耗的3 0 l 而且建筑能源的消耗主 要是采暖和空调 我国北方1 5 个省2 0 0 5 年单位g d p 能耗水平为2 0 6 吨标准煤 比全国平均能耗高出6 6 其中很重要的一个原因即北方冬季供热采暖消耗的 能源所占比例较大 平均能耗是气候相近发达国家的2 3 倍 2 1 我国北方地区城镇居民采暖用热一般按住宅面积而不是按实际用热量计量 收费 能耗的多少与用户利益无关 室温过高开窗放热 出现了节能房子不节能 的现象 此外 我国目前的供热系统已经相当落后 这主要表现在供热品质差 室内冷热不均 相同一栋楼房顶层住户会感到燥热 而底层住户则会感觉到明显 的供热不足 系统的热效率差 由于当前采暖按照面积收费 导致底层和顶层所 交的采暖费相同 而供热品质又不一样 为了同时保持顶层和底层用户都得到较 好的供热品质 设备人员会尽量加大锅炉 水泵及散热器容量等 这就会造成能 源的高浪费 这些因素引起的热能浪费高达2 0 价值达百亿元 由此可见 现有的供暖体制必须改革 让供暖走向市场 把热量回归为商品 让人们对热量的需求如同对普通商品的需求一样 多花钱多买 少花钱少买 建 立起公平的供求关系 要将热量像商品一样出售 就必须对热量进行计量 热量 表则是达到此目的的计量器具 1 2 现有热量表原理及我国热量表的发展 1 2 1 现有热量表的结构 现有的热量表在结构与功能上 都是由三个基本部分组成 3 t 4 流量计 温 度传感器和积算器 流量计的主要功能是用于测量流经换热系统的热水流量大小 并在积算器的 控制下 将流量示值转换成电信号向积算器输出 热量表的积算器一般由低功耗的单片机和l c d 组成 也可根据需要集成数 据远传通信接口 阀门控制接口 i c 卡读写接口等 其形状因热量表的不同而 各异 热量表的温度传感器一般都通过外部壳体直接与积算器相连 而流量传感 器则在内部与流量计相连 积算器上常见的器件是单片机 液晶片 按键 通讯 接口等 温度传感器用以测量供水温度和回水温度 目前常用的有铂电阻和热敏电阻 北京t 业大学工学硕十学位论文 两种 金属或半导体的电阻随着温度变化而变化 测出其电阻值就可以得出与之 对应的温度值 几乎所有金属与半导体都有随温度变化而阻值变化的性质 作为 测温元件必须满足下列条件 电阻温度系数口应比较大 口值越大 热电阻灵敏 度越高 1 2 值与材料含杂质成分有关 与制造工艺 如拉伸时的内应力大小 有关 复现性要好 复制性强 互换性好 电阻率大 这样 同样的电阻值 体积较小 因而热惯性也较小 价格便宜 工艺性好 铂电阻温度计 常用的金属热电阻有铂电阻 铜电阻 镍和锰电阻等 铂电 阻性质稳定 在一2 5 9 9 6 1 c 的温度范围内被规定为基准温度计 在0 8 5 0 c 范 围内 铂电阻与温度关系可近似为式 1 1 所示 心 r 1 彳 影2 1 1 式中 a b 为常数由实验求得 为温度 心 民分别为中矽 c 0 c 时的电阻值 半导体热敏电阻温度计 半导体热敏电阻温度计通常用来测量一1 0 0 3 0 0 c 之间的温度 与金属热电阻比较 有较大的负温度系统 因此 配用的二次仪表 简单 灵敏度高 它的电阻比很大 因传感器体积小 结构简单 可以测量点温 度和动态温度 连接导线引起的误差可忽略 大多数热敏电阻 其电阻与温度的 关系可以近似用式 1 2 表示 q r o e x p 可告一孙 1 2 lo 1 0 式中 q r 分别为中巧 k 瓦 k 时的电阻值 b 为常数 与半导 体的成分 制造方法有关 但热敏电阻测温范围较窄 温度与电阻变化呈非线性 必须进行线性化处理 制造时的性能不稳定 给互换 调节 使用 维修带来困难 比较热敏电阻 铂电阻的优点 铂电阻的优点是测量准确 阻值漂移小 因 此一般的热量表采用的是成对的铂电阻作温度传感器 通常有p t l 0 0 p t 5 0 0 及 p t l 0 0 0 型 即在0 c 时的电阻值 其中p t l 0 0 的灵敏度高 p t l 0 0 0 的抑制干扰 能力较强 测量方法可以分为2 线制和4 线补偿式 2 线制测量会因电阻而带来 额外的误差 为了将误差控制在一定范围内 出厂前应对电缆的长度与粗细进行 严格的控制与标定 或者采用4 线制测量电阻方式避免电缆造成的测量误差t s l 1 2 2 现有热量表的计量原理 热量表热量计量系统原理图如图1 1 所示 第1 章绪论 图1 1 热量表热量计量系统原理图 f i g u r el lt h et h e o r ym 印o fh e a t m e t e rs y s t e m 一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上 流量计安装 在流体入口或回流管上 流量计安装的位置不同 最终的测量结果也不同 流 量计发出与流量成正比的脉冲信号 一对温度传感器给出表示温差的模拟信号 热量表采集来自三路传感器的信号 利用积算公式算出热交换系统获得的热量 其基本公式如下 q q a h d t 朋 a h d t 1 3 也可以表示为 o r 2 k a o d q 1 4 式中 q 一释放或吸收的热量 或形 h g 一流经热量表的水的质量流量 培 h g v 一流经热量表的水的体积流量 m 3 h p 一流经热量表的水的密度 船 h 3 触 在热交换系统的入口和出口温度下 水的焓值差 j k g p 一热交换系统的入口和出口温度差 c 一时间 h 七一热交换系数 k w h m 3 c 公式 1 3 1 4 q b 密度和焓值应符合国家标准的规定 当温度为非整数时 应进行插值修正或拟合 习惯上 我们称公式 1 3 为焓差法 公式 1 4 为k 系数法 6 t 7 8 引 在实际计算 北京1 二业大学工学硕士学位论文 时 按照对比热容的不同设定 焓差法又可分为直接焓差法和常系数焓差法 按 照对k 系数的不同设定 k 系数法又可分为分段k 系数法和k 系数补偿法 直接焓差法的公式如下 q 卜m h r t i t 扣 c p f 乃g c p r 岛只 衍 1 5 式中 c 分别为入口与出口的定压比热容 为瞬时质量流量 吼为瞬时 体积流量 p r 屏分别为入口与出口温度下的载热流体密度 所 b 分别为入口与 出口的温度 该公式计算简单 对于实测温度 需要采用线性插值等近似计算技 术 通过搜索与其距离最近的点计算相应的焓值 代入公式 1 5 t i p 可得到热流量 值 但是这一方法会带来人为误差 常系数焓差法就是把比热容看成一个常数 这样计算更为简单 但是也会带 来误差 公式如下 q h q m 巳一o r t i t i c p p q 够一o d t 1 6 式中 c 为定压比热容 视为常数 该方法计算简便 c 为常数 使得程序的计算量减少 计算速度大大加快 但是由于流体的密度p 是温度的函数 所以必须对p 进行温度修正 同时由于不 能对c 进行在线温度补偿 该方法的温度适应性较差 不适宜于作为户用型热 表的热量计算方法 k 系数法实现了热交换系数的在线温度和压力补偿 它大幅度提高了热量计 量的精度 分段k 系数法将k 系数量化为三个分段常数 只是在一定程度上对其进行 了温度修正 公式如下 q 七 o d q 1 7 式中 k 是热交换系数 当压力一定时 它随温度而变化 将其按回水温度进行 分类 b q k 墨 q 只 岛 七 毛 1 8 虽然该方法在一定程度上进行了温度修正 但是式中三个关键常数凭经验来 确定 而且温度区间划分较粗 温度适应性依然较差 因此 分段式k 系数法仅 适用于对热量计量的精度要求不高 温差变化也较小的情况 以上所介绍的无论是焓差法抑或分段式k 系数法都可以达到一定的精度 但 是其计量方法和计量的精度均达不到o i m l r 7 5 国际规程和e n l 4 3 4 欧洲标准 等国际标准的规定 k 系数法补偿法是按照0 i m l r 7 5 国际规程或e n l 4 3 4 欧洲标准来计算k 系 第1 章绪论 数 在载热介质一定的热交换回路中 k 系数是压力 温度的函数 它可以按照 下式计算 k 坐 g 二g 型 1 9 上式中 岛 是出水口密度值 g c o w 分别为进出口水的焓值 丁为进出 口的温差 焓差法与k 系数的计算差别远小于热量表的误差限 1 0 所以采用不同的方 法引起的计算差别可以忽略不计 除了上面两种计量热量的方法外 还有一种对数平均温差法 它在热量表计 量中应用较少 主要用于工程设计 常用下式来计算热流量 a a r 口 1 一1 0 其中 a 为比例系数 房是修正系数 乙是对数平均温差 它的计算公式 如下 rm 警i 1 11 n 婴 址i n i n 上式中 f 一为冷热流体进出口温差中的最大值 f 而 为冷热流体进出口温 差中的最小值 1 2 3 现有热量表简介 热量表按照其中的流量计结构和原理不同 可分为机械式 电磁式 超声波 式等种类 机械式热量表为采用机械式流量计的热量表的统称 其结构和原理与热水表 类似 具有制造工艺简单 相对成本较低 性能稳定 计量精度相对较高等优点 机械式流量计通过叶轮的机械转动来计量流量 旋翼转动速度与流经的流量成线 性关系 它的外部是铜制的壳体 液体进入壳体后 推动叶轮转动 形成计量 同时 叶轮的转动情况通过不同的传感方式 向积算器输出电子信号 由于机械 式热表因其经济 维修方便和对工作条件的要求相对不高 在热水管网的热计量 中又占据主导地位 但需要过滤水质 防止转动部件阻塞 超声波式热量表为采用超声波式流量计的热量表的统称 它的结构特点是壳 体内无可动部件 超声波流量计的原理在于测量高频声波在水流中的穿行时间 由于声波的波速直接受水流速度的影响 管道中的水流速度可通过与声波波速的 函数关系计算 声波是通过压电晶体发射和接收的 通过测量发射和接收的时间 北京工业大学工学硕士学位论文 便可计算出声波波速 因超声波流量传感器的测量腔体内部没有任何可动部件 所以对介质的成份或杂质含量没有要求 其使用寿命长 但其结构较为复杂 价 格较贵 电磁式热量表为采用电磁式流量计的热量表的统称 该流量计是根据法拉第 电磁感应原理制成 当导体在磁场中运动时会在导体两端产生可测量的电信号 在将水流作为导体的前提下 水流速度可根据测量端口间的电压计算得出 这种 流量计具有较高的量程比 特别适应于变流量系统 并且有很好的测量精度 但 另一方面 它要求水流的导电性足够强 电磁式流量计比机械式的精确度高 压 损小 价格较机械式的贵 工作中需要外部电源 这一特点影响了它的可靠性 而且电磁式流量计对仪表安装位置要求较高 必须水平安装 还要有较长的直管 段 这一点带来了安装 拆卸和维护的不便 目前常用的流量计为机械式和超声波式流量计 机械式流量计常有 旋翼式 热量表和螺翼式热量表 旋翼式热量表是一种速度式热量表 它是利用供暖流推 动它的旋翼 带动提示盘转动以记录供暖量 它的特点是结构简单 测量范围宽 灵敏度高 外形尺寸小 精确度已被广大用户接受 是目前普遍使用的一种热量 表 螺翼式热量表也是一种速度式热量表 它的螺翼与水流成轴流式结构 它适 用于大口径工业上的供暖计量 超声波流量计应用还比较少 主要技术是近年来 从国外引进的 从理论上看它能比较好地解决机械式流量计部件受热变形 运动 磨损及脏堵问题 但它的探头安装在管道中 一方面扰乱了流场的分布 另一方 面测量的流体流速不具整个流束截面的代表性 它的价格比较高 另外它的性能 还有待考证1 1 1 1 2 1 1 2 4 我国热量表的发展 中国热量表的自行研制开始于上个世纪的9 0 年代 当时已有欧洲的热量样 表进入中国 1 9 9 0 年有关单位作为国家 七 五 科技攻关课题 研究仿 制 19 9 7 2 0 0 0 年 欧洲标准 热量表e n 1 4 3 4 逐渐被一些企事业单位所了 解和重视 其中包括中国科学院 清华大学 航天部 兵器部等直属的科研院所 高等院校 先后都以多种形式 积极参与到热计量仪表装置的研制开发工作中来 或者与企业合作 或者自己投资开发 中国热量表的研制开发走上了正轨 2 0 0 0 年2 月1 8 日 建设部发布了7 6 号令一 民用建筑节能管理规定 中 明确规定 鼓励发展分户热量计量技术与装置 和 推行温度调节和户用热量计 量装置 进一步激励了中国热计量仪器仪表产业的热情 在此期间 建设部主 持编制了 热量表国家行业标准 对国内开发 生产热量表的企业起到了启发 和帮助的作用 一些盲目追求低成本 急功近利的中小型民办企业 知难而退 停产整顿 仍在继续开发生产热量表的企业 即使是一些技术条件差的中小型民 第1 章绪论 办企业 也纷纷主动寻求高水平的技术支持与合作 继建设部2 0 0 1 年2 月5 日发布 规定于6 月1 日起实施 热量表标准c j l 2 8 2 0 0 0 之后 2 0 0 1 年1 2 月4 日 国家质量监督检验检疫总局发布了 中华人 民共和国国家计量检定规程 j j g 2 2 5 2 0 0 1 一热能表 并规定2 0 0 2 年3 月 1 日起实施 中国的热量表从法制概念上建立了关于生产标准和技术鉴定的完善 的质量保证和监督的体系 这两个国家标准和规程 都是以最新的国际标准为参 考依据的 无论是早期热量表生产企业 还是赶潮流而上的新热量表企业 都必 须面对 并经受这一新的考验 中国现在生产 经营热量表的企业已超过了6 7 家 2 0 0 2 年6 月的不完全统 计 地区分布包括 北京 上海 天津 山东 辽宁 河北 江苏 浙江 广 东 吉林 黑龙江 陕西 甘肃 宁夏 内蒙 深圳等1 6 个省 市 自治区 分布比较集中的北京 天津 山东三地超过了3 3 家 约占总数的5 0 这些企 业中 与国外的热量表专业公司合资 合作或作为经营代理的大约有1 5 家 约 占总数的2 4 中国的热量表生产企业大部分是中小型民办企业 约占7 0 l3 1 目前 全国已安装在集中供热和供冷建筑系统上的国产热量表累计已超过1 0 万 套 1 3 现有热量表存在的问题 虽然近几年在全国不少城市建立了供热计量的试点 但根据热量表运行的初 步总结 发现现有的热量表仍然存在不少的问题 这已经影响到了供热体制改革 的进程 其中 供暖水的水质问题是一个大问题 虽然现有的热量表能够达到较 高的精度0 4 但是由于我国北方城市中大量使用四柱8 1 3 等铸铁类散热器 热 水管线中的水是循环使用的 水中混有泥沙 生胶带 棉丝以及大量铁锈等 这 种情况使得热量表不能够长期稳定运行 1 5 1 无论是机械式流量计还是电磁式流 量计都会因为水质差而带来计量误差 对于机械式流量计 它的主要部件就是叶 轮 叶轮的转动速度与流过的流量成线性关系 加上脉冲信号就可以测量出流量 值 当有杂质的水通过叶轮时 就会对叶轮的转动产生影响从而影响计量误差 供暖水质中常见的三种杂质 细小的颗粒 直径小于0 1 毫米的 会淤积在叶轮 的孔轴中 增加阻力甚至阻塞 直径大于1 毫米的颗粒会使得叶轮无法转动 水 中的纤维状的物体会缠绕在叶轮上 使得其转动困难 对于电磁式流量计 水中 的铁锈颗粒和铁屑会吸附在磁信号输出装置的磁铁上 造成叶轮转动困难 而超 声波流量计不仅价格昂贵 而且它也会因为水中的棉丝 生胶带等异物钩挂或附 北京工业大学工学硕士学位论文 贴在超声波测量通道内 造成其工作不正常 再者超声波流量计也并非计量很准 确 所以超声波流量计也并非绝对可信 因此 面对我国供暖水质差 系统改造困难 热表造价较高等现实问题 我们提出了一种新型的热量计量方法一无流量计热量计量方法 1 4 无流量计热量表的计量原理 无流量计热量表的计量原理其实与有流量计热量表的计量原理是一致的 只 不过它不是直接测量流量 而是通过某种方法把流量值间接地估计出来 然后再 运用有流量计热量计量的计算方法来计算出热量 这样就可以省去流量计 由常 识可知 供热系统工作时 进出口温差与热流体流过散热器的流量之间存在一定的 关系 流量越大 温差越小 通过这种关系 就可以通过测量温差间接地估计出流 量 实现无流量计热计量 单个散热器的理想供暖系统模型如图1 2 所示 8 x 糯 1y 卜 1 乇刁陟t o w 叶q m 一 苊体y n 习 j j 匡勿 呻呻 乙 一 赢蚀勿髟 1 i 0 x x 七 x 图1 2 房间绝热模型 f i g u r el 2t h em o d e lo fi n s u l a t i o nh o u s e 在该模型中 室内与室外是绝热的 将散热器中的热水看成热流体 室内空 气看成冷流体 在图中沿热流体流动方向x 取一个微元出 通过研究融上的热 量传递情况 得到如公式 1 1 2 所示的进出1 3 温差公式 1 6 a t 赤 死叫卜任匀 1 1 2 式中 为入口水温度 死叫为出水口温度 4 丁为出入口水温差 即入水 口水温减去出水1 3 的水温 一乃埘 死删为室温 鳊为所要求解的流过散热器的 热水质量流量 a b c 为常数 第1 章绪论 通过公式 1 1 2 可以得出供热系统进出口温差与流量之间的关系 这样就 可以通过测量进出口水的温差来估计流过散热器的水的流量值 从而可以计算出 散热器的热流量 1 5 无流量计热量表存在的问题 无流量计热量计量方法不需要测量流经散热器的瞬时流量值 所以即便当供 热系统的水质较差时 该计量方法仍能较准确的计量热量 从而避免了供暖系统 水质对其结果的影响 而且在其结构和原理上 避免了对流量计的需求 简化了 设计电路 使其成为一种更加经济 便捷的计量方法 但是从公式 1 1 2 中知通过进出口温差估计流量需要测量三个温度 入口 水温度 出水1 5 1 温度死以和室温 删 其中室内空气温度 d 小具有其所在空 间范围太广而且每个空间上的温度几乎不相同的的特点 这些都给测量带来了困 难 由于公式 1 1 2 存在的问题 希望找到可以简化无流量计热量表测量的方 法 避免对室内空气温度的测量 1 6 课题的主要研究内容 通过上述内容可以对我国现在的供热体制改革和现有热量表以及无流量计 热量表存在的问题有一个较深的认识 本课题就是在供热体制改革的大背景下 针对无流量计热量计量方面存在的问题 而对室内空气温度展开的研究 我们希望避免对室内空气温度进行测量 为了达到这个目的 希望可以找到 某种方法把室温间接地估算出来 从而简化无流量计热量计量的模型 在这个思 路的指导下 开始了本课题的研究 主要内容包括 把散热器看成房间里的一个 热源 利用对流换热理论来确定室内空气温度 在对流换热微分方程数值解法的 指导下 利用g a m b i t 和f l u e n t 软件建立房间模型并进行仿真实验 通过对 仿真结果进行数值拟合得到室内平均空气温度和散热器出口温度以及散热器流 量之间的函数关系 通过做实验来验证该函数关系的正确性 1 7 本文的组织 全文共分五章 文章的结构安排如下 第1 章为 绪论 阐明了本研究课题的产生背景 概述了本课题的研究现 状 表明了本文主要的研究内容 介绍了文章的组织结构 第2 章为 对流换热方程及其求解 介绍了对流换热的概念 以及对流换 热微分方程及其定解条件 最后对微分方程的数值解法和各种数值解法软件进行 北京t 业大学工学硕士学位论文 了介绍 第3 章在对流换热微分方程的指导下 利用f l u e n t 的前处理软件g a m b i t 建 立了绝热房间的几何物理模型和数学模型 并对其进行了网格的划分 第4 章利用g a m b i t 中导出的带网格的模型 通过设置不同的入口条件 得 到一组仿真数据 对该数据进行分析 得到了室内平均空气温度和散热器出口温 度以及流量之间的关系 并代入到无流量计热量计量方法中对其进行化简 并通 过仿真验证 第5 章在真实的密闭小室中 通过一组p t l 0 0 测量不同入口条件下的室内空 气温度 得到一组实验结果 并对其进行拟合 对仿真结果进行验证 最后为结论与展望 对本课题的研究内容进行了总结 并展望了进一步工作 的构想 第2 章对流换热方程及其求解 第2 章对流换热方程及其求解 2 1 对流换热概述 2 1 1 对流换热的定义 流体与不同温度的固体壁面直接接触时 因相对运动而发生的热量传递过程 称为对流换热 对流换热属于发生在流动过程中的传热过程 在工程应用中是常见的传热现 象 由于流体是运动着的 热量的传递主要以导热和热对流的方式进行 2 1 2 对流换热的分类 由于对流换热是发生在流体和固体界面上的热交换过程 流体的流动和固体 壁面的几何形状以及相互接触的方式都会不同程度影响对流热交换的效果 由此 也构成了许许多多复杂的对流换热过程 因此 为了研究问题的条理性和系统性 以及更便于把握对流换热过程的实质 按不同的方式将对流换热过程进行了如下 分类 1 按流体的流动种类分为强制对流换热和自然对流换热 强制对流换热是流体在外力作用下而产生的对流换热 如泵 风机等等 自 然对流换热是流体因温度和密度不同而产生的对流换热 如散热器等 2 按流体在换热中是否发生相变或存在多相的情况可分为单相流体对流换 热和多相流体对流换热 3 按流体与固体接触方式分为管内对流换热和流体与管外物体对流换热 4 按流体的运动状态可分为层流流动换热和湍流流动换热 5 按流体运动是否与时间相关可分为非稳态对流换热和稳态对流换热 2 1 3 对流换热的特点 传热问题有三种基本方式 导热 对流 热辐射 对流换热不是传热的基本 方式 它是对流和导热综合作用的结果 因此 对流换热问题是十分复杂的 也 就是说 凡是影响导热 对流 速度场 温度场的因素 都会影响对流换热 综上所述 对流换热有如下特点 1 对流换热发生时同时有导热和热对流现象 2 对流换热发生在流体与固体有相对运动时 3 对流换热仅有热量传递 而无能量形式转换 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 换热系数和对流换热微分方程式 2 2 1 对流换热微分方程式 1 7 0 1 年 牛顿提出了对流换热的基本计算式 公式如 2 1 所示 q h a t 2 一1 式中 为流体与壁面间的温差 约定换热量总是为正值 h 为对流传热 系数 w l m 2 c 1 公式 2 1 是历史上沿用下来的牛顿冷却定律的表达式 事实上 该公式并不 是表述对流换热现象本质的物理定律 只能看作对流换热系数h 的一个定义 并 不能直接去解决对流换热问题 但是 利用这个定义的直接好处是 把研究复杂 对流换热问题集中到研究和确定对流换热系数上 使复杂问题从形式上得到简 化 同时 由于对流换热系数可以用来衡量各种对流换热过程换热性能的差异 这也就是对流换热系数这个定义沿用至今的道理 为了确定对流换热系数 考虑流体在壁面上的换热特征 流体流过壁面时 贴近壁面的流速为零 这时换热是导热 也就是说对流换热量等于导热量 对流换热量如公式 2 1 所示 导热量如公式 2 2 所示 a q 2 k 2 2 哕 式中 y 为距离壁面的法向距离 兄为热交换系数 t 为温度 由于公式 2 1 的对流换热量与公式 2 2 的导热量相等 所以得到如公式 2 3 所示的公式 h 一 兰k 2 3 凸lo y 公式 2 3 称为对流换热微分方程式 它给出了计算对流换热壁面上热通量的 公式 也确定了对流换热系数h 与流体温度场之间的关系 2 2 2 影响换热系数的因素 由于对流换热是运动着的流体与固体壁面之间的热传递 因而除两者的温差 之外 一切有关流体流动和固体壁面的种种因素 也都将影响换热系数的大小 所以 换热系数h 的大小不仅与流体的热物性有关 还与流体流动的动力因素 流体流动的状态 换热壁面的几何因素等有关 1 流体流动的动力因素对换热系数的影响 强制对流换热时 整个流体有宏观运动 因而流体的流速将对换热系数 的 大小产生很大的影响 而自然对流换热时 流体内部不存在整齐的宏观运动 因 而浮升力的大小则是影响换热系数h 大小的主要因素 一般而言 在外部条件相 第2 章对流换热方程及其求解 同的情况下 强制对流换热系数大于自然对流换热系数 2 流体流动的状态对换热系数的影响 层流边界层中 在垂直方向上没有流动 因此在纵向只有导热来传递热量 尽管在层流的主流方向上 某一流体层运动到相邻层有对流换热 但是在层流中 主要是依靠导热 紊流边界层中 不仅沿平壁方向有流动 而在各个方向都有流 动 不仅有导热 还有对流 严格说是对流换热 只有层流底层是导热 但是通 过实验可知 层流底层与紊流层相比是极小 这使得紊流中对流换热是主要的 因此在其余条件相同的情况下 湍流时的对流换热系数比层流时的对流换热系数 大 3 流体的热物性对换热系数的影响 导热系数a 值大 流体与壁面之间的导热热阻小 换热就强 对流换热系数 大 反之导热系五数值小 流体与壁面之间的导热热阻大 换热就弱 对流换热 系数小 如果比热容量胪值小说明物体载热能力小 对流换热系数小 如果矽 值大说明物体载热体能力大 对流换热系数大 物性参数u 值大 粘性力大 边 界层厚度大 热阻也就大 对流换热系数小 反之 则对流换热系数大 4 换热壁面的几何因素对换热系数的影响 换热壁面的几何因素对换热系数的影响主要表现在壁面的形状 尺寸 流体 相对于壁面的流动方向 壁面的粗糙度等因素的不同会使换热系数不同 2 3 对流换热的数学描述 从公式 2 3 可以看出 为了确定对流换热系数 必须知道给定点的壁面温度 和流体内的温度分布 即必须知道温度场 然而 由于温度场与流体内的速度场 是相关联的 必须先求解流体内的速度场 描写速度场的数学表达式是质量守恒 方程和动量守恒方程 描写温度场的数学表达式是能量守恒方程 这些方程总称 为对流换热微分方程组 对流换热问题完整的数学描写除了包括对流换热微分方程组外 还涉及方程 的定解条件 2 3 1 对流换热微分方程组 2 3 1 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律 质量守恒方程又称作连续性方程 该定律可表述为 单位时间内流体微元体中质量的增加 等于同一时间间隔内流 入该微元体的净质量 方程形式如 2 4 所示 望 剑 劐 刿 o 2 4 一 r 一十一十一2 u a r舐 咖 瑟 北京工业大学工学硕士学位论文 式中 p 为流体密度 姆i m 3 1 w 分别为流体在x 方向 y 方向及z 方 向的速度分量 m s f 为时间 2 3 1 2 动量守恒方程 动量守恒方程也称作运动方程 该定律可表述为 微元体中流体的动量对时 间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和 x 方向的动量方程如公式 2 5 所示 p 鲁 甜罢 v 丝a y w 罢 1 1 嘉 x 窘 窘 一篆 只 c 2 卸 p i 甜 1 一 w i i 一 一i 一一 l z 一 ia f苏沈j i 出 勿 出2j 缸 4 y 方向的动量方程如公式 2 6 所示 p 妾 瓦a v v 考 詈 u w 窘 雾 窘 一蒡 c c 2 一 0 p l 1 j j 一 一l 一 il ia f 苏 咖瑟jl 玉2咖2 瑟2j 匆 7 7 z 方向的动量方程如公式 2 7 所示 p 筹 芸 v 考 w 警 窘 窘 窘 一警 e c 2 忉 p l v 一十w l l i 一 1 z 一 ia r 叙 却昆j i 叙2咖2 出2j 瑟 式中 p 为流体密度 堙i m 3 1 w 分别为流体在x 方向 y 方向及z 方向的速度分量 m l s z 为流体的粘性系数 k g m s p 为流体内部压力 p a f f 分别为x 方向 y 方向及z 方向的体积力 2 3 1 3 能量守恒方程 能量守恒方程描述了流动流体的温度场 该方程是根据热力学第一定律 能 量守恒定律 推导出来的 推导过程中 假设流体为常物性不可压缩流体 且 无内热源 能量守恒方程如公式 2 8 所示 p 掣 p 等 尸掣 毒降o x 窑0 3 窘 陆8 d f积 印 出 o i 宓一 式中 p 为流体密度 堙i m 3 l l 1 w 分别为流体在x 方向 y 方向及z 方向的速度分量 m l s t 为温度 k c p 为流体的比热容 厂 眙 k 五为 流体的导热系数 w m k 2 3 2 对流换热微分方程的定解条件 对流换热微分方程是用数学形式表达出了换热过程的共性 它抓住了换热过 程的本质 彼此不同的换热过程 都能用它来描述 也就是说 它是一般的规律 解的结果为通解 然而 对每个具体的换热过程 总有它的个性 总是在特定的位置 时间和 容积空间内进行 因此要单一的确定一个具体对流换热问题的解 就必须充分的 第2 章对流换热方程及其求解 给出所研究具体问题的定解条件 定解条件包括初始条件和边界条件 初始条件说明了过程开始时刻温度场和速度场所具有的特点 稳态过程没有 初始条件 边界条件说明了流体在求解域的边界上过程所具有的特点 在固定壁面上 流体速度的边界条件是无滑移条件 即认为由于流体粘性的滞止作用流体速度为 零 如果界面非固体壁面 则应给出流体跨越该界面的速度分布 流体的温度边 界条件是指物体边界上的温度特征和换热情况 常见的温度边界条件可分为如下 三类 第一类边界条件 第二类边界条件和第三类边界条件 第一类边界条件给定了边界上任一瞬时物体各边界的温度随时间的变化规 律 如 t i x j z f 2 9 式中 为温度 k j c y z 为坐标方向 f 为时间 h 最简单的第一类边界条件是在传热过程中 边界上的温度始终为一常数 即 t c o n s t 2 一t 0 公式 2 1 0 说明边界上的温度是已知的常数 第二类边界条件给定了边界上各点的热通量随时间的变化规律 即 q 一兄i a ti x j z f 2 11 册 式中 q 即为热通量 可以是一常数 亦可以是时间的函数 第二类边界 条件中较特殊的是在边界上完全绝热 即 q 0 2 1 2 亦即 一要l 0 w 2 1 3 i 一一一7 公式 2 1 2 2 1 3 说明任何时间边界上的导热热通量均为零 此即为所谓的 绝热边界条件 第三类边界条件 又称为对流边界条件 它给出了物体周围介质的温度t 和 物体与边界之间的表面传热系数k 其表达式为 一旯 0 t w 吃础 2 1 4 在第三类边界条件中 边界面上的温度和温度梯度则是未知的 但是它们的 和是已知的 当定解条件给定后 一个具体的对流换热问题的解就会确定下来 1 8 1 9 1 北京工业大学t 学硕七学位论文 2 4 对流换热方程的求解 2 4 1 对流换热方程的解法概述 在对流换热方程和定解条件给定后 我们便可以对其进行求解 主要有以下 几种解法 1 解析法 解析法指通过分析某一具体对流传热问题特征 建立描述该问题的数学模 型 并获得数学模型的解来求解对流传热系数的方法 由于所建立的数学模型一 般由偏微分方程组和复杂的定解条件所构成 因而这种方法只能对于少数简单的 对流传热问题才能有解 如平板层流对流传热 管内层流对流传热等 即便如此 解析法对揭示对流传热系数和各物理量间的关系以及评价其他方法所得结果的 正确性方面具有重要作用 2 数值法 指将对流换热过程的微分方程和边界条件转换为流场一系列离散点的离散 方程 利用计算机和各种计算方法 来获得对流传热系数h 的数值解的方法 这 一方法虽然在定量准确性方面还有待提高 但对对流传流过程的特征和主要参数 的定性预测有指导作用 随着计算性能的大幅度提高和计算方法的完善 以及一 些用来计算流场 温度场 浓度场的大型商业软件的开发和使用 这一方法得到 越来越广泛的应用 3 比拟法 比拟法也称类比法 指通过分析动量传递和热量传递的类似特性 建立对流 传热系数和流动阻力系数间的函数关系来求解对流传热系数的方法 由于流动阻 力系数比较容易通过实验来确定 因此这一方法在早期的对流传热研究中应用较 广 近年来由于实验技术及计算机技术的发展 这一方法已较少采用 2 4 2 对流换热方程的数值解法 解析法的结果是空间坐标和时间坐标的连续函数 由于解析法的求解过程非 常严格 到目前为止 我们只能对一些几何形状及边界条件比较简单的问题获得 其解析解 但是 对于工程技术中遇到的许多几何形状或边界条件复杂的传热问 题 如几何形状不规则 热物性参数随温度的变化而变化 辐射边界条件等问题 时 由于数学上的困难目前还