[发明专利]一种热流密度测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及热流密度测量领域，尤其涉及一种热流密度测量装置及方法。

背景技术

在传热领域的基础研究中，通过测量壁的热流密度进而获得流体侧的对流换热系数或辐射换热系数（或称为辐射换热表面传热系数）是一种研究换热特性的主要方法。如对各种管件壁的热流密度测量是推导其内部流体换热规律的主要途径；在核电领域中，对压力容器或压力管道壁热流密度特点和换热特性的研究，是核反应堆安全分析试验研究的重要部分；对安注箱内两相流体的换热性能研究是分析热分层现象的主要手段，大型锅炉水冷壁和大型金属熔融系统的热流密度分析都是决定设备或系统性能的主要因素。然而，无论对于高温高压状态、还是常温或普冷区温度和压力状态的气流，热流密度的精确测量一直是传热试验研究和工业应用中最棘手的问题之一。因此，开发一种壁热流密度的精确测量技术，无论对传热领域科学研究还是实际工程应用或工程试验都具有极其重要意义。

在热流密度测量方面，已经存在许多测量固体壁热流密度的计量装置和方法。如发明1（专利申请号：201010124574）和发明2（专利申请号：98805407.8）提出的薄膜式热流密能较精确测量壁热流密度。发明3（专利申请号：200610028865.4）和发明4（专利申请号：200410026343.1）则给出了一种根据热流密度特点，间接测量墙体平均导热系数的检测方法。发明5(专利申请号：200910021343.5)的热流密度计是采用热电偶直接测量温差的方法，测量高温、高压状态下的热流密度。发明6（专利申请号：200610009794.3）则给出了一种适用于超高温、强电和大干扰流场环境下热量密度的测量方法及测量装置。

通过对已有文献进行调研发现，对壁热流密度测量的方法中，主要采用热电偶元件测温，获得温度或温差的形式，根据傅立叶定律间接推导热流密度是普遍采用的方法。然而，针对性的工业领域如核电站的压力容器、大型供热锅炉水冷壁和发电机组等器壁热流密度的大小决定了其传热特性和针对换热特性的工程设计。此外，较大的热流密度偏差可能引发核电严重事故，如大型压水堆热量载出系统在传热性能较差时会使冷却剂汽化。因此，无论对于高温高压流体流动还是常温或普冷区的流体流动中存在的换热问题，其热流密度测量非常关键。然而，在一些测量方法上，如上述的发明1、发明5和发明6，在安装测量装置后必然改变壁面附近的流体流场或采用其他材料改变测量壁面处的热流密度，导致不可估量的测量误差，误差甚至远大于装置本身的测量误差。同时，建筑墙体的导热系数测量方法严重破坏流场、并增设热源，不适用于对壁热流密度的测量。此外，热电偶本身的误差也是制约提高热流密度测量精度的重要因素之一。

发明内容

为准确测量流体在壁面处换热的热流密度，对传热基础试验研究和广泛的工程应用提供便利测量手段和测量工具，本发明以提高测量热流密度精度为目的，针对现有测量方法的不足，根据现有技术对热流密度测量的精度和灵敏度低特点，提出一种简单而又可以在较广泛的工业领域和基础研究领域中应用的测量装置及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种热流密度测量装置，包括多个热电偶和管，其中：管在被测壁的厚度方向上形成封闭空腔，所述多个热电偶的热电偶结点被如此埋置以使得在被测壁的不同待测深度处存在一个或多个热电偶结点，与热电偶结点相连的热电偶线被引入管的空腔内并且经由管从被测壁中引出，其中被测壁厚度方向的热流密度通过从所述多个热电偶测量得到的温度变化来得出。

根据本发明的另一个方面，提供了一种热流密度测量方法，包括：将管插入被测壁中使之在被测壁的厚度方向上形成封闭空腔；埋置多个热电偶的结点以使得在被测壁的不同待测深度处存在一个或多个热电偶结点；将与热电偶的结点相连的热电偶线引入所述管的空腔内并且经由所述管从被测壁中引出；以及通过从所述多个热电偶测量得到的温度变化来得出被测壁厚度方向的热流密度。

附图说明

在阅读结合以下附图所描述的根据本发明的实施例之后，本领域技术人员将会更清楚地理解本发明的原理。

图1示出了根据本发明的实施例的热流密度测量装置。

图2a-2c分别示出根据本发明的实施例的三种热流密度测量装置。

图3a-3c分别示出根据本发明的实施例的三种热流密度测量装置。

图4a-4b示出根据本发明的实施例的由两个热电偶构成的热电偶组中热电偶的连接方式，其中图4a示出热电偶的并联连接方式，并且图4b示出热电偶的串联连接方式。