抽氣熱電偶遮熱罩結(jié)構(gòu)對測溫的影響

　　抽氣熱電偶對于測量窯爐溫度、減少測溫誤差、提高制品燒成質(zhì)量等都有著突出的作用和意義。設(shè)計優(yōu)化遮熱罩結(jié)構(gòu),提高測溫精度已成為當(dāng)前研究和開發(fā)新型熱工測量設(shè)備的重要課題。通過FLUENT6.0軟件模擬抽氣熱電偶工作,針對熱電偶遮熱罩結(jié)構(gòu)，在遮熱罩制作成減縮噴管、加長遮熱罩長度和縮小遮熱罩直徑等三種方式的結(jié)構(gòu)優(yōu)化并模擬,從而驗證了通過優(yōu)化遮熱罩結(jié)構(gòu),可以減小測溫誤差。
0引言
　　抽氣式熱電偶測溫裝置主要是由遮熱罩"熱電偶及補償導(dǎo)線、水冷管和風(fēng)機四個部件組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
　　在高溫工業(yè)爐中，爐內(nèi)氣體溫度很多情況下高達1573K,但爐壁溫度較低,使得抽氣熱電偶遮熱罩向爐壁輻射熱量,引起抽氣熱電偶測頭的輻射換熱損失,導(dǎo)致抽氣熱電偶讀數(shù)偏低于真實值。此外由于抽氣熱電偶的熱容以及抽氣熱電偶測頭與爐內(nèi)氣體之間的傳熱阻力的存在,使抽氣熱電偶的溫度變化滯后于爐內(nèi)氣體溫度的變化。基于通過軟件FLUENT模擬，研究了抽氣熱電偶遮熱罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對溫度測量誤差的影響。
1建模及參數(shù)計算選取
1.1模型假設(shè)
(1)抽氣式熱電偶套管的導(dǎo)熱損失忽略不計;
(2)忽略高溫?zé)煔獠▌訉Τ闅鉄犭娕紲y頭換熱系
數(shù)的影響;
(3)考慮到高溫?zé)煔獾囊羲俸艽?抽氣熱電偶測頭位置馬赫數(shù)小于0.2,忽略部分高溫?zé)煔鉁惯^程;
(4)忽略較低固體壁面溫度Tc在高溫?zé)煔鉁囟炔▌舆^程中的變化;
(5)忽略高溫?zé)煔獠▌訉Τ闅鉄犭娕嫉膭討B(tài)時間滯后的影響。
2.2參數(shù)計算與選取
　　取空氣過剩系數(shù)為a=1.1，則1m'液化石油氣的.理論空氣需要量L=23.601508m),實際空氣需要量為Ln=aL0=259616588m³,水力直徑為1cm。
　　計入空氣中的水分則實際空4氣需要量為L=nLo(1+0.00124)=26.225777m³。
　　煙氣密度為ρ=1.260134536m³;當(dāng)煙氣溫度為t=1300℃時,C1=1.581793783KJ/m³.℃;煙氣溫度為t=100℃時,C2=1.377705914KJ/m³.℃;煙氣比熱容c=1.47975KJ/m³℃,動力粘度v=1.7894e^-5.
模型選擇速度進口分別為37.5m/s、.50m/s.80m/s三種,選擇給定壁面溫度模型和對流傳熱邊界條件模型,熱電偶絕緣套管處溫度為1527K,內(nèi)層遮熱罩上平均溫度為1482K,外層遮熱罩上平均溫度為1376K。固壁材料厚度一律設(shè)置為0.2cm,熱電偶保護套管長度為35cm,半徑為1cm,遮熱罩總長度為40cm,半徑為2cm,二個體的交界面為內(nèi)部界面。運用fluent12習(xí))前處理軟件gambit建立模型。在陶瓷窯高溫?zé)煔鉁囟鹊臏y試中,煙氣對熱電偶測頭和隔熱罩的對流換熱系數(shù)a=116W/(m2k),固體壁面溫度T-=1573"C的測量則是在鋼管隔熱情況下采用激光紅外測溫儀進行測量的。此外,抽氣熱電偶開始測試前熱電偶測頭和隔熱罩的表面黑度均為0.3。設(shè)置模型為湍流對流-輻射Do模型!45,采用耦合隱式解法,選用二階迎風(fēng)格式按穩(wěn)態(tài)問題處理,采用絕對速度公式，流體為粘性牛頓不可壓縮流體,選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。
 
2模擬實驗結(jié)果及討論
2.1優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)一
　　模型尺寸變?yōu)榧娱L遮熱罩5cm,前段遮熱罩部分長10cm,入口半徑增大為2.5cm,后端遮熱罩部分長35cm,半徑保持為2cm,二者在z=0cm處相接。流體絕對速度v=80m/s，其他參數(shù)保持不變，模型及Z=0cm處溫度模擬云如圖2。
 
　　從截面溫度模擬云圖可以看出,熱電偶保護套結(jié)構(gòu)改變后,熱電偶熱端截面處平均溫度接近1540~1570K,測量準(zhǔn)確性有了很大的提高,同時抽氣熱電偶整體溫度場也基本均勻,顯示測量溫度接近真實值程度進一步提高。說明在其他條件保持不變的情況下,僅通過加長遮熱罩前端尺寸方式改變熱電偶結(jié)構(gòu),測溫誤差就能進一步減小。
2.2優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)二二
　　在單層遮熱罩基礎(chǔ)_上進一步加大遮熱罩前段尺寸,具體尺寸為:前段遮熱罩長20cm,入口半徑增大為3cm,后端遮熱罩部分長35cm,半徑為2cm。其它參數(shù)不變。優(yōu)化結(jié)構(gòu)后模型及截面模擬溫度云如.圖3。
 
　　分析可知,通過繼續(xù)加長抽氣熱電偶前段遮熱罩長度,在入口條件不變情況下,即相當(dāng)于加大了抽氣速度,模型二斷面處平均溫度和整體溫度云圖平均溫度均高于模型一,即該優(yōu)化措施可以進一步有效減小.測溫誤差。但因加長了遮熱罩,工藝要求也相對更嚴(yán)格,即增加了制作成本,所以需從工藝和效果二者結(jié)合起來進行優(yōu)化。
2.3優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)三
　　在單層遮熱罩模型-基礎(chǔ).上進--步縮小抽氣熱電偶遮熱罩后端尺寸,具體為:前段遮熱罩部分長10cm,入口半徑為2.5cm,后端遮熱罩部分長35cm,半徑為1.5cm,其他參數(shù)不變,比較分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)后模擬z=0斷面和整體溫度云圖,同樣可得模型三斷面處平均溫度和整體平均溫度均高于模型--。即該優(yōu)化措施亦可以明顯提高測溫精度,減小測溫誤差。需要說明一點,管徑減小,沿程阻力損失將加大,所以一味的通過減小管徑達到測溫誤差程度是有限的,需跟熱傳遞結(jié)合起來進行優(yōu)化設(shè)計。
3結(jié)論
　　對比普通單層遮熱罩和優(yōu)化結(jié)構(gòu)(任取--種)的熱電偶熱端截面處平均溫度結(jié)果如圖4。
 
　　通過對比可得:單層遮熱罩熱電偶熱端截面處溫度曲線(紅色曲線)溫度平均值明顯低于優(yōu)化結(jié)構(gòu)的單層遮熱罩熱電偶熱端溫度曲線(綠色曲線)的溫度平均值,即驗證通過優(yōu)化抽氣熱電偶遮熱罩結(jié)構(gòu)的確可以明顯提高測溫精度,模擬的結(jié)果和規(guī)律符合通過燃燒學(xué)傳熱學(xué)6”和流體力學(xué)理論計算得到的結(jié)果。