专利名称：用于热交换系数测定的装置及相关方法
技术领域：
本发明关于用于测定热交换系数的装置及相关方法。
背景技术：
在物理学领域中，了解在管件中流动的流体与管件壁间的热交换系数，是计算流体与壁间热交换的必要讯息。在工业领域中，热交换系数在设计上常用于量度热交换的表面以及计算流体传送的热功率量。在检测中，了解热交换系数可显示故障的特征，例如干燥作用实例的显现、孔穴的显现，或非可凝气体的存在。热交换系数并非直接利用传感器测量。为了测量热交换系数，使用数学交换相关性模型(科卡伯恩(Colburn)、迪图斯-贝尔特(Dittus-Bolter)或罗圣豪(Rosenhow)模型)，所述的数学交换相关性模型要求了解流体的若干特性，举例来说，例如速度、黏度、温
fiF绝绝 /又寸寸。在利用相关性模型获得热交换系数中存在的困难性或不可能性，被显现于许多工业应用中，举例而言，例如当一壁面对可导致干燥作用的流体旋涡时，例如具有极大温度差异(热疲劳)的湍动流体的掺合物、非可凝气体的存在、奇异点的存在。本发明的用于测量热交换系数的装置及相关方法以特别有利的方式应对交换相关性模型所不适用的工业应用。利用内部有流体流动的管件测量热流的系统，在本发明的一般技术背景中也是已知的，其中管件中有流体流。然而，这些系统并非用于测定热交换系数的系统。法国专禾Ij申请案 FR 2 266 869，发明名称为「Appareil de me sure de 1 ‘encrassement d'une surface metallique acourant de liquid(禾用液体、流须|J量金属表面污染物的装置)」，揭露此种系统。其中将希望用于测量表面污染物的金属部件插入管件壁内，使被污染的金属表面与在管件中循环的液体接触，且使位在被污染表面对面的金属表面与加热该部件的加热电阻器接触。两个温度传感器被定位于金属部件中，一个靠近加热电阻器且另一个靠近液体，将一个第三传感器定位在液体中，靠近表面。定位在金属部件中的两个温度传感器，测量存在于遍及金属部件全部厚度的温度差，由此显示通过加热电阻器增加热能的特征。定位于液体中的温度传感器测量接近金属表面的液体的温度。污染物的热电阻且因而污染物本身是由金属部件与流体间的温度测量值差异推衍而来。此类装置并非热交换系数装置。实际上，热交换系数被被动地测量，也就是说，没有任何干扰测量的热的外部添加。除此之外，进行的测量有关金属部件整个表面的污染物。因此获得金属部件整个表面的完整测量，而非局部测量。在此种测量系统中，熟习此技术人士了解到，关于各种传感器的位置，重要的是a)定位在金属部件中的两个测量传感器都在与金属部件厚度平行的轴上，是尽可能地远离(因为一个测量传感器必须靠近加热电阻器且另一个测量传感器必须靠近被污染表面)，以及b)定位在液体中的测量传感器是靠近被污染表面。因此所得的测量并非局部测量，而是完整测量。
发明内容
本发明关于一种装置，用于在与流体接触的壁表面的点1\测定流体与壁间热交换系数，所述装置的特征在于包括一温度测量装置，其包括两个壁温传感器，其中第一温度传感器测量在点P1的壁第一温度值Ta，且第二温度传感器测量在点P2的壁第二温度值τ。2，该点P2在与点处表面垂直的直线上大致与点 P1对齐且其中点P1较靠近壁表面，以及一流体温度传感器，测量在大致与点P1及P2对齐的流体的点Pf的流体温度值TF， 以及一计算器，其包括第一手段，用于自温度值Ta及T。2计算壁的温度值Tp及由下述方程式获得的热流 Φ Φ = -λ grad(Tci-Tc2)，其中λ为壁导热系数，及第二手段，用于自流体温度TF、温度Tp及热流Φ计算以下述形式表示的热交换系数h = Φ/(Tf-Tp) ο温度Tp是例如根据以使用每一瞬时测定的流动为基础的逆解法(reverse method)来计算。此方法是出现在标题为「受到温度差距大的二种流体产生的湍流影响的 T 型混合管中的热负荷测定(THERMAL LOAD DETERMINATION IN THE MIXING TEE IMPACTED BY A TURBULENT FLOW GENERATED BY TWO FLUIDS AT LARGE GAP OF TEMPERATURE)」的文献中(Olivier Braillard, Yvon Jarny, Guillaume Balmigere ；第 13 届核工禾呈国际会议； 北京；中国；2005 年 5 月 16 至 20 日；ICONE 13-50361)。根据本发明的另一个特征，所述温度测量装置包括第三壁温传感器，其测量在大致与点Pi、P2及Pf对齐的点P3的壁第三温度Tc3，其中点P3比点P2更远离点IV本发明亦关于一种在与流体接触的壁表面的点测定流体与壁间热交换系数的方法，其特征在于包括测量在点P1的壁第一温度值Tci，测量在点P2的壁第二温度值TC2，所述点P2在与点处表面垂直的直线上大致与点P1对齐，其中点P1最靠近壁表面，测量大致与点P1及P2对齐的流体的点Pf的流体温度值TF，
由温度值Tci及Tc2计算壁温TP，计算热流Φ，使得满足下式Φ = - λ grad (Tci-Tc2)，其中λ为壁导热系数，以及
计算热交换系数h，使得满足下式h = Φ/(Tf-Tp) ο根据本发明方法的另一特征，在大致与点PpP2及Pf对齐的点P3进行第三壁温测量Tra，其中点P3比点P2更远离点PN，且其中温度Tra为用作计算热交换系数的边界条件的温度值。本发明是以通过有关讯号处理算法的原始传感器的壁中及流体中精确局部温度测量为基�。龅难逗糯硭惴扑阋蛔槲锢砹壳彝ü耸侄尾舛ū谟肓魈寮涞木植渴笛樾匀冉换幌凳�。
本发明的其它特征及优点将在参考附图阅读较佳实施例时显现，在所述附图中图1代表根据本发明的用于测定热交换系数装置的温度测量装置形成部件的第一实施例横的断面图；图2代表根据本发明的用于测定热交换系数装置的温度测量装置形成部件的第二实施例的横断面图；图3代表根据本发明的用于测定热交换系数装置的概括图；图4代表通过根据本发明的用于测定热交换系数装置递送的热交换系数功率谱密度的一例。在所有附图中，相同的组件符号指明相同的组件。
具体实施例方式本发明较佳实施例的详细说明图1代表根据本发明的温度测量装置的第一实施例的横断面图。温度测量装置包括定位在壁P的二个温度传感器Dl、D2及定位在流体F中的温度传感器DF。温度传感器Dl与D2能够分别在壁的点Pl与P2取样温度，及温度传感器DF能够在流体的点Pf取样温度。温度传感器D1、D2及DF优先地是热电偶，其等的末端分别定位在点P1J2及PF。点P1J2及Pf优先地在点IV在与接触流体的壁表面垂直的直线上对齐。温度传感器Dl、D2及DF是定位在接近壁P的表面。温度传感器DF被对准，使得其面向流体F的流S。存在于壁P中的热电偶Dl与D2被附接于由二半月形体L1、L2所形成的圆柱体结构中，且此结构本身被附接于主体1中。点PpP2及Pf被对齐所在的垂直直线与由二半月形体Li、L2所形成的圆柱体结构的轴重叠。热电偶DF面向流被对齐以致于不干扰流。热电偶D1、D2及DF的直径一般在20μπι与200μπι间。热电偶的直径优先地等于25μπι。一般来说，热电偶DF的直径是相对于欲达到的截止频率来选择。热电偶DF是位于与壁P表面相隔距离df处，一般在ΙΟμπι与Icm间，举例来说，2000μπι。最接近流体的热电偶Dl是定位在与壁P的壁表面相隔距离dl处，一般是在10 μ m与3mm间，举例来说， 300 μ m,且最远离流体的热电偶D2是定位在与P的壁表面相隔距离d2处，一般在100 μ m 与Icm间，举例来说，500 μ m。一般而言，存在于流体F中的热电偶DF必须同时充分远离热电偶Dl及D2，所述热电偶是位在壁P内，使得不干扰通过本发明方法执行的热流测量(参看下文中参照图3描述的方法)，且充分靠近这些相同的热电偶，使得在流体温度测量与壁中温度测量间可建立令人满意的相关性。壁导热系数是用于决定给予距离dl及d2的数值选择的重要参数。此外，对于关于距离df及dl的本发明测量装置的一给定结构，已显示出在通过热电偶Df测量的流体温度Tf与通过最靠近流体的热电偶Dl测量的壁温Ta间的相关性，必须高于一阈值，使得能获得可靠的热交换系数计算结果。这相关性阈值可等于例如80%。低于相关性阈值，关于所得结果的可靠性存有不确定性。有利地，本发明的方法包括一致性函数(在谱表示中的互相关函数)的计算，其评估计算的交换系数值的不确定性。
主体1在壁P中的位置及因而热电偶Dl与D2相对于流体F的位置，是利用垫片5 来机械地调整。一旦由两个半月形体形成的圆柱体的与流体接触表面，与壁P的内表面同高，主体1就被附接到选定的位置。螺帽E帮助将主体1附接于壁P中。密封是藉由0形环3来达成。 在组合之前，主体1与两个半月形体Ll及L2尚未联结或定位于壁P中，且构成两个热电偶Dl及D2的金属线优先地被数微米厚(无氧化镁且无外鞘)的卡普顿(Kapton) 微细层覆盖。热电偶DF相反地是装配有电绝缘外鞘的标准热电偶。测量装置的组合包括首先形成测量传感器，以及其次将测量传感器整合于管件中。形成测量传感器包括下述步骤使构成热电偶Dl及D2的金属线进入形成于主体1内的外鞘中，直到这些金属线自形成于主体内的开口腔显露出为止；这些金属线被定位在两个半月形体中第一个的预先制作选定路线中；这些金属线被附接到两个半月形体中第一个的选定路线中(金属线的本体是通过黏着剂点来附接且这些金属的末端通过焊点被附接)；用于测量流体温度的热电偶DF被引入形成于主体1的极小直径极的通孔内，直至热电偶的末端自主体1显露出为止；第二半月形体是附接面向第一半月形体，使得能构成供热电偶Dl及D2插入其中的圆柱体；因而形成的圆柱体被引入形成于先前提及的主体1的开口腔内通孔内(举例来说，通过间隙配合)，以致使由两个半月形体形成的圆柱体与划分开口腔开口的主体表面同尚；密封焊接是由两个半月形体及主体1表面形成的接点所制作；热电偶DF的密封是在其自形成于主体1的孔显露出来的地方完成；热电偶DF是在欲将其对齐以面向流体流的位置折起。在此阶段，完成传感器的结构且完成将传感器整合入管件壁中。传感器的整合包括下述步骤传感器被引入形成至此端的壁P的腔内，传感器的引入是伴随与垫片5壁P接触的定位，使得能调整传感器欲与流体接触表面的位置(因而定位传感器欲与流体接触表面，使得所述表面与壁P内表面同高)；因为流体不可引入热电偶焊接的区域，使用0形环3密封传感器；以及例如使用螺帽E，将传感器附接于壁P。
本发明的一优点是提供具有极小量度的测量装置，例如体积为0. 2cm3，其被整合入欲研究的管件中，由于这种热非侵入性的整合，没有对管件造成任何扰动。再者，也是有利地，测量装置完整地定位在管件的一侧上，因此促进其整合。图2代表根据本发明第二实施例的温度测量装置。除了先前参照图1描述的组件之外，图2的装置包括位在壁P内的另一个温度传感器D3。温度传感器D3的功能是递送用作通过计算器C进行计算的边界条件的温度(参照图幻。接着将通过传感器D3递送的温度当成半无限壁的温度。传感器D3优先地是热电偶，其末端P3是与点PI、P2及PF对齐。 传感器D3与传感器Dl及D2同时被组合入测量装置中。由于传感器D3的功能，不同于其它传感器，温度传感器D3并非优先地定位在接近与流体接触的壁P表面处。传感器D3是以与流体相隔距离d3来定位，距离d3 —般为Imm与3cm之间，例如2. 5mm。图3代表用于使用本发明方法测定热交换系数的装置的概括图。用于测定热交换系数的装置包括根据本发明的温度测量装置DT，以及用于自通过装置DT递送的温度测量值计算热交换系数的计算器C。本发明的方法将首先参照根据图1的测量装置DT来描述，其中只有两个温度传感器Dl及D2存在于壁P中。在一瞬时t，测量装置DT提供通过传感器DF递送的流体温度测量值TF，以及分别通过传感器Dl及D2递送的两个壁温测量值Ta及T。2。传感器的位置使得所有温度测量值大致都沿着相同的横坐标s取样，其中横坐标s的轴大致与点Pp P2及Pf被对齐所在的垂直直线垂直。温度TF(t，s)、Tcl(t，s) RTc2 (t, s)被传送到计算器C。由温度Tci (t，s) 及TC2(t，s)，计算器C计算壁温Tp (t，s)及热流Φα，s)。以已知方法，贝克特法(Becket method)计算壁温Tp (t，s)，及通过下述方程式获得热流Φ (t，s)
<D(t，s)=_ λ grad (tcj( t，s) -Τ。2( t,s))
，其中λ为壁导热系数。接着使用下述方程式推导出热交换系数(t，s)
「00741 h ( t,s)=-
隣」、，Tf(t, s) -Tp(t,s)在计算器C输出中，算法因而能够以时间与壁P横坐标s的被考虑点的函数提供流体温度(平均与标准偏差)；在传感器Dl区域的壁温(平均与标准偏差)；在传感器D2区域的壁温(平均与标准偏差)；壁温(平均与标准偏差)；热交换系数h (平均与标准偏差)。在本发明的第一实施例中，其中只有两个温度传感器Dl及D2被定位在壁P，通过当作适用的每一个数值优先测定关于温度的边界条件。通过计算器C递送的数据优先地呈现于频域。因此，计算器C优先地自交换系数 h(t, s)的傅立叶变换式(Fourier transform)递送功率谱密度DSP[h(v，s)]。本发明的方法接着对每一频率间隔V，利用DSP [ Δ T (ν, s) ] = DSP [TF (t, s) -Tp (t, s) ] (ν, s)
计算下式
权利要求
1.一种装置，用于在与流体(F)接触的壁(P)表面的点1\测定流体(F)与壁(P)间热交换系数，所述装置的特征在于包括一温度测量装置(DT)，其包括两个壁温传感器(D1，D2)，其中第一温度传感器(Dl)测量在AP1的壁第一温度值Τα， 且第二温度传感器(拟)测量在点P2的壁第二温度值Τ。2，点P2在与点处表面垂直的直线上大致与点P1对齐且其中点P1较靠近壁表面，以及一流体温度传感器(DF)，其测量在大致与点P1及P2对齐的点Pf的流体温度值TF，以及一计算器(C)，其包括第一手段，用于自温度值Ta及T。2计算壁温度值Tp及由下述方程式获得的热流Φ Φ = - Agrad(Tci-Tc2), 其中λ为壁导热系数，以及第二手段，用于自流体温度TF、温度Tp及热流Φ计算以下述形式表示的热交换系数 h = Φ / (Tf-Tp)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述温度测量装置包括一第三壁温传感器(D3)，其测量在大致与点Pp P2及Pf对齐的点P3的壁第三温度Tc3,其中点P3比点P2更远离点IV
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述计算器(C)包括第三手段，用于自温度值Τ。2及τ。3，计算通过下述方程式获得的额外热流φ3 = - λ grad (Tc2-Tc3)。
4.一种根据前述权利要求中任一权利要求的装置，其特征在于每一温度传感器是一热电偶。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述热电偶是定位在由多数个半月形体(Li，L2) 的总成所形成的圆柱体结构中，其中与点处的壁表面垂直的直线是笔直圆柱体的中心轴，且其中笔直圆柱体与流体接触的表面与壁表面同高。
6.一种方法，用于在与流体(F)接触的壁(P)表面的点1\测定流体(F)与壁(P)间热交换系数，所述方法的特征在于包括测量在点P1的壁第一温度值τα，测量在点P2的壁第二温度值τ。2，点P2在与点处表面垂直的直线上大致与点P1对齐， 其中点P1最靠近壁表面，测量大致与点P1及P2对齐的流体的点Pf的流体温度值TF， 由温度值Ta及Tc2计算壁平均温度TP， 计算热流φ，使得满足下式 Φ = - Agrad(Tci-Tc2),其中λ为壁导热系数，以及计算热交换系数h，使得满足下式 h = Φ / (Tf-Tp)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于温度Tp是通过贝克氏法(Beckmethod)测定。
8.根据权利要求6或7中任一权利要求所述的方法，其特征在于第三壁温测量1 是在大致与点Pp P2及Pf对齐的点P3进行，且其中点P3比点P2更远离点Pn,且其中温度Tc3为用作计算热交换系数的边界条件的温度值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于温度Ira被用于计算流Φ3，使得满足下式 φ3 =-入 grad (Tc2-Tc3)。
10.根据权利要求6至9中任一权利要求所述的方法，其特征在于计算一致性函数，所述一致性函数估算热交换系数计算值的不确定性。
全文摘要
本发明关于一种装置，用于在与流体接触的壁表面的点PN测定流体与壁间热交换系数，所述装置的特征在于包括一测量装置(DT)，其测量所述壁的至少两个温度值TC1及TC2，及流体的温度值TF，以及一计算器(C)，其包括(a)第一手段，用于自所述的温度值TC1及TC2，计算壁温度值TP及通过下述方程式获得的热流ΦΦ＝-λgrad(TC1-TC2)，其中λ为壁导热系数，及(b)第二手段，用于自流体温度TF、温度TP及热流Φ计算以下述形式表示的热交换系数h＝Φ/(TF-TP)。
文档编号G01K17/08GK102326071SQ200980157290
公开日2012年1月18日 申请日期2009年12月22日 优先权日2008年12月23日
发明者奥利维耶·布拉亚尔 申请人:原子能与替代能源委员会
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