建筑环境测试技术第七章...ppt

第7章热量测量 热量与温度一样 是热学中最基本的物理量 热量的测量 目前采用两种方法测量 采用热阻式或辐射式热流计测量单位时间内通过单位面积的热量 热流密度 然后求得通过一定面积的热量 采用热量表 测量在一段时间内通过设备 用户 的流体输送的热量 第一节热流密度的测量 一 热阻式热流传感器的工作原理 当热流通过平板或平壁时 由于平板具有热阻 在其厚度方向上的温度梯度为衰减过程 故平板两侧具有温差 利用温差与热流量之间的对应关系进行热流量的测量 根据傅立叶定律可以得到通过热流传感器的热流密度为 垂直于等温面方向的温度梯度 热流传感器材料的导热系数 若热流传感器的两侧平行壁面各保持均匀稳定的温度t和t t 热流传感器的高度与宽度远大于其厚度 则可以认为沿高与宽两个方向温度没有变化 而仅沿厚度方向变化 所以可简化为一维导热问题 负号表示热流密度方向与温度梯度方向相反 结论 如果热流传感器材料和几何尺寸确定 那么只要测出热流传感器两侧的温差 即可得到热流密度 未加装传感器时 在稳定热状态下 通过被测平壁的热流量为 加装热流传感器后 由于增加了辅助层 通过被测壁面的热流量发生了变化 其热流量为 若满足 则传热工况不受影响 如果用热电偶测量温差 t 并且所用热电偶在被测温度变化范围内 其热电势与温度成线性关系时 其输出热电势与温差成正比 这样通过热流传感器的热流为 C 热流传感器系数 C 热电偶系数 热流传感器厚度 E 热电势 C的物理意义 当热流传感器有单位热电势输出时 垂直通过它的热流密度 当和C 值不受温度影响为定值时 C为常数 当温度变化幅度较大 和C 不是定值 而是温度的函数时 C就不是常数 而将是温度的函数 根据值的大小 热流传感器有高热阻型和低阻型之分 值大的是高热阻型 值小的是低热阻型 高热阻型热流传感器易于提高测量精度及用于小热流量测量 但是由于高热阻型热流传感器比低热阻型热流传感器热惰性大 这使得热流传感器的反应时间增加 如果在传热工况波动较大的场合测定 就会造成较大的测量误差 平板热流传感器是由若干块10mm 100mm热电堆片镶嵌于一块边框中制成 边框尺寸一般为130mm 130mm左右 材料是厚1mm左右的环氧树脂玻璃纤维板 热电堆片是由很多对热电偶串联绕在基板上组成 用于常温下测量的热流传感器 基板为层压板 用于高温下测量的热流传感器 基板为陶瓷片 由于采用串联连接 总热电势等于各分电势叠加 虽然基板两面温差 t很小 但也会产生足够大的热电势 结构 热流传感器产生热电势测量采用电位差计 动圈式毫伏表以及数字式电压表进行测量 然后用标定曲线或经验公式计算出热流密度 成套的热流测试仪表开始在国内应用 指针的热流指示仪表数字式的热流指示仪表 多点式热流计 测定项目 热流和温度 测定范围 热流 0 99999W m2或kcal m2h 温度 K型热电偶 200 1200 C 温度 T型热电偶 200 400 C 产品型号 HFM 215产品展商 鸿盛科仪有限公司 1 便于携带和数据处理 体积小且重量轻2 5 5英吋彩色显示屏幕 可显示热流图型 棒状图型 数字显示等 3 六个频道的测定 可储存每一秒循环之数据 共27个小时 4 数据可储存在内藏式3 5吋软盘中 5 可通过标准的网络功能储存数据 6 具有网络卡和收发电子邮件功能 7 包含充电电池和AC电源 特点 产品名称 便携式热流计产品型号 HFM 201测定项目 热流和温度 测定范围 热流 0 9999W m2或kcal m2h 温度 K型热电偶 99 9 999 9 C T型热电偶 199 9 400 C 1 热流值和温度可切换显示 2 温度感应器可切换成铬 铝热电偶或铜 铜镍电偶 3 包含TR B热流感应器 4 可储存20组数据档案 总共100个数据 5 二种电源供应方式 干电池或AC电源 6 标准配件RS 232C界面 7 包括携带式外箱 8 可选购打印机 特点 二 热流传感器的标定 组成热流传感器的热电堆的材质 加工工艺等都会影响热流传感器系数C 因此每个热流传感器都必须分别标定 严格地说 热流传感器系数C对于给定的热流传感器不是一个常数 而是工作温度的函数 但对于在常温范围内工作的热流传感器 标定的C值实际上可视为仪器常量 对测量不会造成很大误差 但用于测量冷库壁面热流时 要注意工作温度已远离标定时常温 实际的C值会低于原标定值 而且工作条件也有变化 以及将出现结露等复杂情况 如果不重新标定 就会造成较大的测量误差 热流传感器的标定方法有多种 常用的标定方法有平板直接法 平板比较法和单向平板法 平板直接法 两个热流传感器分别放在主热板两侧 再放上两块绝热缓冲块 外侧再用冷板夹紧 中心热板用稳定的直流加热 冷板是一恒温水套 平板直接法 根据不同的工况确定中心加热功率和恒温水的温度 调整保护圈加热器的加热功率 使保护圈表面均热板的温度和中心均热板表面的温度一致 从而就在热板和冷板之间建立起一个垂直于冷 热板面 也垂直于热流计 的稳定的一维热流场 主加热器所发出的热流均匀垂直地通过热流传感器 热流密度可由下式求得 q 热流密度 W m2 R 中心热板的加热电阻 F 中心热板的面积 m2 I 通过加热器的电流 A 在标定时 应保证冷 热板之间温差大于10 进入稳定状态后 每隔30min连续测量热流计和缓冲板两侧温差 输出电势及热流密度 4次测量结果的偏差小于1 且不是单方向变化时 标定结束 在相同温度下 每块热流传感器至少应标定两次 第二次标定时 两块热流传感器的位置就互换 取两次平均值作为该温度下热流传感器标定系数 例 解 当 有 同理可求C2 三 热阻式热流计的安装 热流传感器的安装有三种方法 埋入式 表面粘贴式和空间辐射式 埋入式和表面粘贴式是热阻式热流传感器常用的两种安装方法 被测物体表面的放热状况与许多因素有关 被测物体的散热热流密度与热测点的几何位置有关 对于水平安装的有均匀保温层圆形管道 一般选在截面上与管道水平中心线夹角约为45 和135 处 热流传感器表面为等温面 安装时应尽量避开温度异常点 热流传感器表面应与所测壁面紧密接触 不得有空隙并尽可能与所测壁面平齐 为此常采用胶液 石膏 黄油 凡士林等粘贴热流传感器 有条件时 应尽量采用埋入式安装 根据仪表的量程范围 允许使用温度 传感器的类型 尺寸 内阻等有关参数进行选择 热流传感器的选择 三 热阻式热流计的使用误差分析 热阻式热流计的误差与热流传感器热阻 热流传感器的响应时间和使用环境有关 热流传感器的热阻的影响 热阻式热流传感器无论是采用粘贴式还是采用埋入式安装方式 均会破坏原有热阻层的传热状态 都将改变原有热阻层的热阻值 其主要原因是热流传感器材料的导热系数与被测热阻层材料的导热系数不一致及被测热阻层厚度的有所改变 由于热流传感器本身是一块具有有限大面积和一定厚度的物体 它引起的传热变化是一个很复杂的三维传热问题 但为了使问题简化 不难理解当被测热阻层导热系数与热流传感器材料导热系数相差不大时 或者热流传感器的厚度相对被测热阻层厚度很小时 用一维传热的计算方法来估计测量误差 还是相当准确的 未安装热流传感器时 通过热阻层的热流密度为 式中t1 t2 热阻层两侧的温度 热阻层两侧的对流换热系数 热阻层的导热系数 热阻层的厚度 在安装热流传感器时 不管采用埋入式还是采用粘贴式 总要使用一些黏结剂等材料 在热流传感器与被测热阻层之间产生一定的接触热阻 这样热流传感器本身以及所产生的接触热阻 都会影响热阻层原有的传热情况 粘贴式 埋入式 如果知道各参数的具体值 就可以计算粘贴式或埋入式安装热流传感器后的热流密度 以及相对误差 被测热阻层导热系数越小 越厚 安装热流传感器时热阻引起的误差越小 在其他测量条件完全相同情况下 埋入式比粘贴式安装热流传感器引起的误差小一些 热流传感器的响应时间 当热流计用来监视热工设备运行时 热流传感器处于长期工作状态 采用埋入式安装 测量过程可以看成是个稳定过程 对于粘贴式安装的热流传感器来说 是在测量热流密度时在被测表面上突然加了一层热阻 这样就破坏了原来壁面的传热情况 传感器和被测热阻层都要经过一个热量传递的过渡过程后才能达到稳定 所以采用粘贴式安装的热流传感器测量热流密度时 必须在热量传递的过渡过程结束后才能读数 或者说 在测量条件不变的情况下 仪表指示值稳定时读数 否则 会造成读数误差 动态值误认为是稳态值 特别是某些需要较长时间才能稳定的情况 判断是否达到稳定状态是十分必要的 对流和辐射引起的误差 对流换热系数的变化也会引起一定的误差 但由于对流换热热阻远小于保温层热阻 因此对于测量引起的误差很小 辐射对测量过程的影响是由于热流传感器与被测表面的辐射系数的差别及外界辐射变化两方面所造成的 例 某冷水保湿管道 管壁温度为10 保温层处空气温度为30 原保温层表面黑度为0 1 空气对流换热系数为10W m2K 热流传感器表面的黑度为0 9 计算使用热流计时 由于辐射系数差别所造成的误差 解 未贴热流传感器时散出的热流密度为 贴热流传感器时散出的热流密度为 相对误差 圆盘式辐射热流计 用于测量纯辐射热量 热辐射强度照射在康铜制成的圆盘上 圆盘紧密安装在紫铜块上 紫铜块用水冷却以保持固定温度 圆盘接收辐射热后温度上升 向紫铜块传热 忽略圆盘的轴向热损失 圆盘接收到的辐射热全部以导热方式从侧面传给紫铜块 处于稳态时 有 r 圆盘半径方向变量 边界条件 第二节热量的测量 一 热水热量测量原理 热水吸收或放出的热量 与热水流量和供回水焓差有关 它们之间的关系为 Q 流体吸收或放出的热量 W qv 通过流体的体积流量 流体的密度 h1 h2 流进 流出流体的焓 J kg 由热力学知识可知 热水的焓值为温度的函数 因此只要测得供回水温度和热水流量 即可得到热水吸收 放出 的热量 热水热量计量仪表 就是基于这个原理测量热水热量的 二 热水热量测量仪表的构造 热量表由流量传感器 温度传感器和计算器组成 流量传感器 主要有两种 一种为超声波流量传感器 一种为远传机械热水表 温度传感器一般为铂电阻或热敏电阻 为减少导线电阻对测量精度的影响 多采用Pt1000或Pt500的铂电阻 早期的计算器体积较大 计算精度不是很高 自20世纪80年代以后 计算器开始采用微处理器芯片 使仪表体积变小 计算精度提高 干式热水表的叶轮和表头之间有一层隔离板 将热水和外界分隔开 叶轮上下有一对耦合磁铁 当热水流过热水表时 叶轮上的耦合磁铁A随水表的叶轮一起转动 通过磁耦合作用 带动耦合磁铁B同步转动 耦合磁铁B的转动带动了齿轮组的转动 在齿轮组上带有10L或1L指针的齿轮上装有一小块磁铁C 该磁铁通过齿轮组的转动与耦合磁铁B一起转动 在磁铁C的上部 侧面 安装一个干簧管 当