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1、第五讲 二次空气量测量与计算,高温气体,感温元件,周围器壁,换热,高温气体主要以对流形式传热给热电偶,其单位时间内的传热量,式中,气体对热电偶的对流传 热系数，W/(m2.K) As热电偶插入部分的表面积，m2 As=dlL。,三者之间的换热,2. 沿热电偶套管向外导出热量，其单位时间内的导热量式中,热电偶套管材料的导热系数, W/m.K；Ab热电偶套管横截面积, m2；x 热电偶套管轴的方向，m；T 热电偶沿套管轴方向的温度分布，K。,3. 热电偶主要以辐射形式传热给周围器壁,其传热量,式中,n热电偶与器壁系统的辐射率(黑度系数) 一般，器壁表面积比热电偶套管表面积大很多，系统辐射率近似等于
2、热电偶的辐射率； 斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6710-8 /(m2.K4),4. 由于被测温度随时间变化而引起的热电偶动态吸热量 式中,、c、V热电偶套管的密度(Kg/m3)、比热(W.s/(Kg.K)、体积(m3); 温度变化经历的时间，s,由热平衡方程当热电偶测温达到稳态时, 热电偶动态吸热量可以忽略不计；若安装正确、使用合理，热电偶的导热误差也可以忽略不计。则热平衡方程可简化为热电偶的测温误差,某烟室插入热电偶测温,烟室内壁表面温度测得ts=422，热电偶辐射率=0.78，气体与热电偶对流换热系数=30 W/(m2.K)，热电偶显示仪表示值为tr=535。试估计实际气体温度? 解:(1)温
3、度换算Ts=422+273=695 K，Tr=535+273=858 K；(2)Tg=Tr+284=808+284=1092 K(819 )；估计实际气体温度为819 左右，测温误差高达284 。,举例,由上例可见，对高温气体测温时,辐射误差竟高达-284K,因此,设法减少辐射误差十分重要。减少辐射误差的三条措施(1) 降低热电偶-周围壁面系统的黑度系数n；(2) 增大气体-热电偶之间的对流换热系数；,减少热电偶误差的措施-加隔热罩,1. 加装遮热罩在热电偶端部加装1-3层薄壁的同心圆筒(称为遮热罩)，如图所示。由于遮热罩壁薄，又处于高温气流中间，与气体对流换热充分,温度较冷壁高很多；加上在遮
4、热罩内壁表面光亮镀镍,将大大降低与热电偶端部的系统辐射率 1，从而有效地降低辐射误差。 以简单的单层遮热罩为例,列遮热罩热平衡方程 :,式中,s1高温气体与遮热罩的对流换热系数，W/(m2.K)； 2As1 遮热罩内外壁总表面积,为外壁表面积的两倍，m2；As 感温元件端部表面积,m2；1 热电偶与内壁的总辐射率, W/(m2.K4)；s1遮热罩与冷壁面之间的辐射率, W/(m2.K4)；As1遮热罩外壁表面积, m2。 此时，测温误差应为:当得知遮热罩有关参数，并测得冷壁面温度Ts和热电偶示值温度Tr,便可联立以上两式,估计气体的温度,并对误差作出判断。,加装隔热罩,抽气热电偶,抽气热电偶既
5、借助于遮热罩以减少热电偶工作端辐射散热损失，并用抽气的方法提高烟气对热电偶及遮热罩的冲刷速度以增加对流换热系数而减小测量误差。,遮热罩；2-双孔瓷套管；3-刚玉保护管；4-罩座；5-水冷套管；6-膨胀密封填料函；7-耐热钢保护管；8-标准铂铑铂热电偶接线盒；9-安装遮热罩用的榫销；10冷却水进口；11-冷却水出口；12-抽气热电偶出口；13-吹尘器吸入口；14-吹尘器喷出口,吹尘器抽气的抽气热电偶,抽气热电偶由标准热电偶、抽气套管、多层遮热罩（三层及三层以上）、水冷套管等组成,遮热罩；2-双孔瓷套管；3-刚玉保护管；4-罩座；5-水冷套管；6-膨胀密封填料函；7-耐热钢保护管；8-标准铂铑铂热
6、电偶接线盒；9-安装遮热罩用的榫销；10冷却水进口；11-冷却水出口；12-抽气热电偶出口；13-喷射器；,喷射器抽气的抽气热电偶,抽气热电偶的水冷套管多用三层同心钢管焊制而成，长度视需要而定，直径的大小根据热电偶抽气截面和冷却水管截面决定。为了隔绝辐射热，配以遮热罩。遮热罩可以用一层至三层。一般气体温度在600以下时，用一层遮热罩，700-1000时用两层，1200以上用三层。,为了保证气体向热电偶热接点传热，抽气速度一般不宜小于80ms，用双层遮热罩的抽气热电偶的抽气速度不小于下列数值,1准备工作测定前，除应进行热电偶校正外，抽气速度应做空白试验。试验方法是做一个扩散管，接在抽气套管气体进
7、口处，从通过扩大管的风量，换算出热电偶接点在缩颈处的风速、以检查抽气速度是否合乎要求。 2测点的选择 由于入窑二次空气温度的分布不均匀，为得到其平均温度，在测量单筒或篦式冷却机时，应将断面分为几个等分，测量后取其平均值。测量多筒式冷却机时，要沿入窑二次空气进口的断面上左右两边下面取3个测定点，热电偶接点应伸过箱形缺口一定距离(不超过0.5m)。 因为有部分漏风掺杂在里面，这样所测得的温度略低于真正的二次空气温度。,抽气热电偶测量回转窑入窑二次空气温度,3测定测定最好是在窑的操作稳定时进行。测定时先将温度表的起点拔在当时的冷端温度上。在不稳定时，应注意窑的操作变动情况，对来料多少、风门大小、风量
8、调整等都应加以记录。正常或不正常时的二次空气温度均需分别测量三次。当温度跳动比较大时，每点最少测量半小时，如波动不大，每点测定10min即可。,抽气热电偶结构比较复杂，使用也不方便，但使用得好可在很大程度上降低辐射误差而得到气体的真实温度。若用抽气热电偶与普通热电偶同时对某一气流温度进行测量，则可画出对比曲线，利用曲线则可用普通热电偶来测量而加以校正后即得气流的真实温度。,也可采用光学高温计、红外辐射高温计测量二次空气和烟气温度，但必须事前用抽气热电偶校正其测量误差。,1回转窑二次空气量测量与计算测定二次空气量，目前还没有一个比较完善的方法。,多筒冷却机转至不同位置时进入冷却筒内的风量也不相等
9、。 只测定一、二个位置的入口风速是不能代表整个冷却简入口风速的。 可以用冷却筒热量平衡的方法来推算。,冷却筒热量平衡法,热平衡法计算入窑二次空气温度：冷却机的热平衡表示如下： 热量收入热量支出 热量收入熟料进冷却机带入的热量十入冷却机空气显热 热量支出二次空气带出热量十出冷却机熟料带出热量十冷却机烟囱排风显热十冷却机表面散热损失 用公式表示如下：,例子,某工厂测定数据为,篦式冷却机,漏风导致测不准。 不能用热平衡法计算,先用抽气热电偶测量入窑二次空气的温度：在篦式冷却机到窑头的直通道上、尽量靠近窑头选取一截面，测量23个点的温度，取其平均值即为二次空气温度。然后用下式进行计算：,计算法,通过烟
10、气分析求出过剩空气系数，再根据煤耗求出每千克熟料所需要空气消耗量减去一次空气量，即为所求的二次空气量，便可以用上式试求出包括漏风在内入窑二次空气的温度。 真实的二次空气温度必须用抽气热电偶实测才能得到。注意与煤粉燃烧时起直接作用的，还是混合的二次空气温度，考虑到这一点，采用计算方法时就没有必要把漏风扣除。,2玻璃熔窑二次空气量的测量与计算,(1)换热式池窑二次空气量的测量,主要测定换热室进风口空气平均流速,大多数采用风速计热线风速仪热球风速仪,热线风速计,热线风速仪（Hot wire Anemometer，简称HWA） 基本原理：将一根细的金属丝放在流体中，通电流加热金属丝，使其温度高于流体的
11、温度，因此将金属丝称为“热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。此热量与流体的速度有关。 常用的两种确定流速的方法：（一）定电流法，即加热金属丝的电流不变，气体带走一部分热量后金属丝的温度就降低，流速愈大温度降低得就愈多；测得金属丝的温度则可得知流速的大小。 （二）定电阻法（即定温度法），改变加热的电流使气体带走的热量得以补充，而使金属丝的温度保持不变（也称金属丝的电阻值不变）；这时流速愈大则所需加热的电流也愈大，测得加热电流值则可得知流速的大小。,工作模式1.恒流式，亦称定电流法，即加热金属丝的电流保持不变，气体带走一部分热量后金属丝的温度就降低，流
12、速愈大温度降低得就愈多；温度变化时，热线电阻改变，两端电压变化，因而测得金属丝的温度则可得知流速的大小。2.恒温式，亦称定电阻法（即定温度法），改变加热的电流使气体带走的热量得以补充，而使金属丝的温度保持不变（也称金属丝的电阻值不变）如保持150，；这时流速愈大则所需加热的电流也愈大，根据所需施加的电流（加热电流值）则可得知流速的大小。恒温式比恒流式应用更广泛。,优点 (1)灵敏度高，能够进行低速气流的测量，例如热线风速仪可以准确地测量低至0.1 30.0 m/s的气流速度；(2)频率响应特性好，可利用来测量各种紊流参数；(3)感应元件体积小对被测气流干扰小；(4)以电量为输出信号，可在远离研
13、究对象处进行自动记录及计算机数据处理。通常，热线风速仪用于实验室测量速度和气流紊流参数；热柱或热球风速仪用于实验室和工业现场测量气流平均速度。热线风速仪的缺点：探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。,1.禁止在可燃性气体环境中使用风速仪。 2.禁止将风速仪探头置于可燃性气体中。否则，可能导致火灾甚至爆炸。 3.不要拆卸或改装风速仪。否则，可能导致电击或火灾。 4.请依据使用说明书的要求正确使用风速仪。使用不当，可能导致触电、火灾和传感器的损坏。 5. 在使用中，如遇风速仪散发出异常气味、声音或冒烟，或有液体流入风速仪内部，请立即拔掉电源插头。并立即送到就近的维修部门修理。否则，将有被电击、火灾和
14、损坏风速仪的危险。 6.不要将探头和风速仪本体暴露在雨中。否则，可能有电击、火灾和伤及人身的危险。,7.不要触摸探头内部传感器部位。否则，有被烫伤的危险。 8.不使用时，请拔下电源插头。否则，可能有触电、火灾和损坏内部电路的危险。 9.风速仪长期不使用时，请取出内部的电池。否则，将电池可能漏液，导致风速仪损坏。 10.不要将风速仪放置在高温、高湿、多尘和阳光直射的地方。否则，将导致内部器件的损坏或风速仪性能变坏。 11.不要用挥发性液体来擦拭风速仪。否则，可能导致风速仪壳体变形变色。风速仪表面有污渍时，可用柔软的织物和中性洗涤剂来擦拭。切忌使用信那水和苯基试剂。 12.不要摔落或重压风速仪。否
15、则，将导致风速仪的故障或损坏。 13.不要在风速仪带电的情况下触摸探头的传感器部位。否则，将影响测量结果或导致风速仪内部电路的损坏。,热球风速仪,风速仪测量注意事项,a风速仪测定风速和计时的一致 b风速仪测定的部位与计算断面的一致 C 测量风温及校正风速。,换算成标态下的流量,二次空气进风量为,热线风速仪的主要用途是（1）测量平均流动的速度和方向。（2）测量来流的脉动速度及其频谱。（3）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。（4）测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。（5）测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得
16、的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多专业用途。 2. 热线风速仪的使用 本仪器主要与本实验室实验风洞配套使用。在老师的指导下，学生了解仪器的原理、性能和操作方法，对风洞实验段进行实际测量；经报名参加部分科研项目的测试。 热线风速仪hot-wire anemometer 将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，也可测量流体温度或密度。其原理是，将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。它有两种工作模式： 恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速
17、；恒温式。热线的温度保持不变，如保持150，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。热线长度一般在0.52毫米范围，直径在110微米范围，材料为铂、钨或铂铑合金等。若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金属膜代替金属丝，即为热膜风速仪，功能与热丝相似，但多用于测量液体流速。热线除普通的单线式外，还可以是组合的双线式或三线式，用以测量各个方向的速度分量。从热线输出的电信号，经放大、补偿和数字化后输入计算机，可提高测量精度，自动完成数据后处理过程，扩大测速功能，如同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流参数的测量。热线风速仪与皮托管相比，具有探头体积小，对流场干扰小；响应快，能测量非定常流速；能测量很低速（如低达0.3米秒)等优点。,
