傳熱原理的熱電偶測(cè)溫誤差模型與應(yīng)用

摘要:應(yīng)用傳熱學(xué)原理研究了熱電偶靜態(tài)測(cè)溫誤差和動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型及減少測(cè)溫誤差的方法。熱電偶測(cè)溫誤差是由熱電偶與周圍環(huán)境凈熱輻射引起,對(duì)流傳熱系數(shù)大小決定性地影響測(cè)溫誤差。帶遮熱套熱電偶高速抽氣時(shí)能有效減少測(cè)溫誤差,裸裝和不抽氣的熱電偶不能直接應(yīng)用于氣體溫度在線檢測(cè);動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程誤差還受時(shí)間常數(shù)τ0影響,3。可視為動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)束時(shí)間。此研究結(jié)果不僅可用于裸偶信號(hào)校正、精度高溫度信號(hào)獲取及動(dòng)態(tài)讀數(shù)時(shí)間選取,也可為溫度在線控制提供科學(xué)依據(jù)。
0引言
　　溫度控制是熱工設(shè)備非常重要的參數(shù)控制,其測(cè)量和控制的準(zhǔn)確與否,影響著優(yōu)化的熱工制度的實(shí)現(xiàn)和設(shè)備的高效、低耗運(yùn)行。當(dāng)測(cè)溫誤差較大時(shí),不僅會(huì)導(dǎo)致熱工設(shè)備預(yù)定的溫度制度無(wú)法實(shí)現(xiàn),而且，還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行的不正常,甚至可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。就帶有空氣預(yù)熱裝置燃燒系統(tǒng)助燃空氣溫度而言,它不僅指示了空氣預(yù)熱效果，而且,還決定性地影響煤粉的穩(wěn)定燃燒及燃燒溫度。溫度控制過(guò)高,通過(guò)預(yù)熱裝置的助燃空氣量過(guò)小,換熱器換熱能力下降,熱工設(shè)備的熱效率下降;溫度控制過(guò)低,因燃燒效率下降和多余風(fēng)量排放,同樣導(dǎo)致熱效率下降。在線檢測(cè)各測(cè)控點(diǎn)溫度時(shí),裸裝熱電偶(以下簡(jiǎn)稱裸偶)受環(huán)境高、低溫?zé)嵩摧椛溆绊?如,燃燒室高溫火焰熱輻射、熱電偶節(jié)點(diǎn)對(duì)低溫內(nèi)壁面熱輻射)很難獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。為了確保控制的準(zhǔn)確性和減少溫度波動(dòng),人們?cè)跍p少熱電偶本身測(cè)量誤差和提高溫度控制精度方面進(jìn)行了卓有成效的研究工作,而對(duì)因傳熱原因造成的熱電偶測(cè)溫誤差研究鮮有報(bào)道。由熱電偶自身和溫度控制精度方面原因造成的測(cè)控誤差現(xiàn)已能減少到足夠小的程度,而以往常被人們疏忽的傳熱原因造成的測(cè)溫誤差現(xiàn)已成為熱電偶測(cè)溫誤差的主要構(gòu)成部份。研究熱電偶節(jié)點(diǎn)溫度與被測(cè)流體的溫差，不僅能夠給出傳熱學(xué)上熱電偶測(cè)量流體溫度誤差大小,獲得減少這種誤差的方法,而且,也為過(guò)程設(shè)備溫度的在線檢測(cè)及控制優(yōu)化提供了保證。
1熱電偶測(cè)量誤差產(chǎn)生機(jī)理
　　用于檢測(cè)各測(cè)控點(diǎn)溫度的裸偶測(cè)頭,由于受環(huán)境熱源影響,熱電偶輸出的溫度信號(hào)高于或低于測(cè)點(diǎn)的真實(shí)氣流溫度信號(hào)(分別對(duì)應(yīng)于裸偶接受高溫環(huán)境凈輻射和向低溫環(huán)境放出凈輻射熱2種情況)。此外,裸偶信號(hào)傳輸過(guò)程中的損耗與失真、熱電偶冷端環(huán)境溫度變化、熱電偶測(cè)頭熱容和熱電偶測(cè)頭與氣流之間傳熱阻力造成的熱電偶測(cè)頭溫度變化滯后及熱電偶表面積灰,也將一-定程度引起熱電偶的測(cè)溫誤差。由于上述諸種原因,造成熱電偶溫度讀數(shù)與氣體的真實(shí)溫度存在相當(dāng)大的誤差,不能滿尼溫度的精度控制要求。因此,為了確保溫度控制精度,有必要對(duì)裸偶測(cè)溫誤差產(chǎn)生機(jī)理和減少其測(cè)溫誤差的途徑進(jìn)行研究。
2靜態(tài)測(cè)溫誤差模型的建立
2.1抽氣熱電偶測(cè)量誤差分析
2.1.1基本假設(shè)
　　校正裸偶測(cè)量溫度時(shí),常用圖1所示的抽氣熱電偶。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化,作如下假設(shè):
 
(1)忽略熱電偶絲和遮熱套的徑向?qū)釤嶙?(2)測(cè)試在穩(wěn)定情況下進(jìn)行,氣流溫度波動(dòng)較小,忽略氣流溫度波動(dòng)對(duì)熱電偶測(cè)頭對(duì)流傳熱系數(shù)的影響;(3)考慮到高溫氣流的音速很大,熱電偶測(cè)頭所在地的馬赫數(shù)小于02,忽略高溫氣流遲滯過(guò)程對(duì)熱電偶測(cè)溫的影響;(4)基于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)氣流溫度波動(dòng)較小和波動(dòng)統(tǒng)計(jì)的均勻性,忽略測(cè)點(diǎn)處內(nèi)壁溫度Tw在氣流溫度波動(dòng)過(guò)程中的變化;(5)假定熱電偶的黑度和遮熱套的黑度相等。
2．1.2遮熱罩傳熱原理
　　遮熱罩內(nèi)外兩面接受氣流對(duì)流給熱和熱電偶接點(diǎn)熱輻射,本身輻射傳熱給測(cè)點(diǎn)處內(nèi)壁表面。與其他二項(xiàng)比較,熱電偶節(jié)點(diǎn)對(duì)遮熱套熱輻射很小,忽略其對(duì)熱平衡的影響,經(jīng)推導(dǎo)遮熱套達(dá)到熱平衡時(shí)，各溫度之間滿足如下方程：
 
2.2熱電偶測(cè)溫靜態(tài)誤差模型的分析和應(yīng)用
2.2.1計(jì)算實(shí)例
　　以熱電偶測(cè)量管道內(nèi)氣體溫度為例,應(yīng)用牛頓迭代方法編程求解式(4).式(5)得出的5種典型情況下測(cè)量誤差值。計(jì)算結(jié)果如表1。
 
2.2.2結(jié)論分析
　　綜合分析公式(3)、式(5)及表1得出:(1)裸裝熱電偶測(cè)溫誤差很大,加裝遮熱套不抽氣)能顯著地減少測(cè)溫誤差,但仍遠(yuǎn)不能滿足溫度正確控制要求;(2)增加對(duì)流傳熱系數(shù)能顯著地減少測(cè)量誤差。由公式α=Anw^0.8d^0.2知,增加抽氣速度或減少遮熱套管徑均能顯著地增加對(duì)流傳熱系數(shù),在生產(chǎn)實(shí)際中,因前者較后者對(duì)誤差的影響更為敏感,一般用增加抽氣速度的辦法來(lái)提高校正或測(cè)試精度;(3)套管黑度對(duì)減少測(cè)溫誤差作用甚微,選材時(shí)可不考慮黑度影響;(4)測(cè)試誤差是氣流溫度的增函數(shù)。校正高溫氣體中裸偶溫度時(shí)應(yīng)采用較高的抽氣速度;(5)裸偶測(cè)控時(shí),減少裸偶黑度、保持表面光潔及加強(qiáng)測(cè)試部位的保溫有利于減少測(cè)溫誤差;(6)帶套熱電偶高速抽氣時(shí),測(cè)試部位保溫對(duì)測(cè)溫誤差影響甚微,測(cè)點(diǎn)無(wú)需特別保溫。
3抽氣熱電偶動(dòng)態(tài)溫度模型的建立
3.1熱電偶測(cè)頭和遮熱套動(dòng)態(tài)溫度微分方程的建立
　　生產(chǎn)過(guò)程的波動(dòng)勢(shì)必造成檢測(cè)點(diǎn)氣流溫度變化。當(dāng)氣流溫度突然由Tf變化到TM置于氣流中的熱電偶測(cè)頭由于滯后原因,溫度讀數(shù)以較慢的速度由T1變化到T2,熱電偶遮熱套的溫度相應(yīng)地由T0變?yōu)門´0。易驗(yàn)算熱電偶和遮熱套的畢渥準(zhǔn)數(shù)均滿足Bi=αV/λF<0.1,滿足集總參數(shù)法/應(yīng)用條件。將集總參數(shù)法分別用于響應(yīng)過(guò)程中熱電偶測(cè)頭和遮熱套基于熱平衡分析同樣原因,研究遮熱套時(shí)忽略熱電偶對(duì)它的熱輻射)得能量守衡方程(6),(7)
 
3.2抽氣熱電偶動(dòng)態(tài)溫度模型
　　因氣流溫度波動(dòng)甚少,基于微分理論可設(shè)熱電偶測(cè)頭對(duì)遮熱套的熱輻射、遮熱套對(duì)測(cè)點(diǎn)內(nèi)表面的熱輻射只與它們的溫度差成線性關(guān)系,即
 
3．3動(dòng)態(tài)測(cè)溫時(shí)間
　　已知熱電偶節(jié)點(diǎn)的半徑R=2mm,質(zhì)量熱容Cp1=0.157kJ/(kg.℃),導(dǎo)熱系數(shù)λ1=8260W/(m.℃),密度?1=20880kg/m³,熱電偶隔熱套長(zhǎng)L=50nm,外徑D=20mm,內(nèi)徑d=18mm,質(zhì)量熱容Cp2=0.620kJ/(kg·℃),導(dǎo)熱系數(shù)λ2=3260W/(m.℃),，密度?2=7430kg/m³,;r≈?r=0.45,Tw=673K，α1=α2=600W/(m².℃),Tw=673K。當(dāng)氣流溫度由1025.81K躍遷至1050.50K時(shí),由式(1),式(2)計(jì)算得熱電偶溫度由1023.15K躍遷至104073K,遮熱套溫度由1004.20K躍遷至1026.87K;由公式(8)、式(9)計(jì)算得.kq≈10630W/(m.°C),k2≈6254W/(m².K),由Bt定義式算得Bi1=5.00X10^-3’《0.100,Bi2=23X10^-2~<0.10,由時(shí)間常數(shù)定義式計(jì)算得τ01=3.08s,τ02=7.31s.
4應(yīng)用實(shí)例
表2.表3為湖南新生水泥廠干法預(yù)熱器窯各測(cè)控點(diǎn)溫度校正結(jié)果。
 
 
備注:帶套偶:是指僅裝遮熱罩而不抽氣的裸偶;
誤差1:指的是帶套偶與抽氣偶溫度差值;
誤差2:指的是抽氣偶與中控室溫度差值之絕對(duì)值。用此值較
正中控室溫度讀數(shù);
誤差3=傳熱誤差=抽氣偶溫度-裸偶溫度;
誤差4=抽氣偶溫度.中控室溫-校正誤差;
誤差5=中控室溫度-裸偶溫度=傳輸誤差。
　　從表3.表4可以看出:實(shí)際校正測(cè)試結(jié)果所呈現(xiàn)的規(guī)律與模型計(jì)算結(jié)果相吻合。對(duì)二次風(fēng)(冷卻高溫熟料后的助燃空氣)而言,因環(huán)境高溫料輻射強(qiáng)烈,中控室顯示溫度遠(yuǎn)大于實(shí)際氣流溫度,必須進(jìn)行較正，較正后的氣流溫度等于中控室顯示溫度值與誤差2相減;對(duì)于窯尾各測(cè)點(diǎn)溫度，誤差由傳熱誤差和信號(hào)傳輸?shù)日`差構(gòu)成,低溫誤差較小,中溫、高溫時(shí),誤差較大,必須予以校正,較正后的氣流溫度等于中控室顯示溫度值與誤差4相加。
5結(jié)論
(1)裸裝或不抽氣的帶遮熱套熱電偶測(cè)溫誤差大,不能直接用于溫度參數(shù)的正確在線控制。高速抽氣熱電偶能正確地校正裸裝熱電偶溫度測(cè)量誤差,其誤差隨抽氣速度增加而減少。為保證校正精度,抽氣的標(biāo)定速度應(yīng)大于80m/s(2)τ=3。可視為動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程結(jié)束時(shí)間,亦即溫度讀數(shù)時(shí)間。當(dāng)氣流溫度波動(dòng)較頻繁時(shí),應(yīng)增加抽氣速度以增加熱電偶測(cè)溫的靈敏度;(3)低黑度裸偶和測(cè)點(diǎn)處的保溫有利于減少裸偶測(cè)溫誤差。為減少積灰?guī)?lái)的測(cè)溫誤差,使用中的裸偶表面應(yīng)定期清灰;(4)高抽氣速度時(shí),測(cè)試部位保溫對(duì)測(cè)量精度影響甚微,校正時(shí)無(wú)需保溫;(5)為實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的正確控制,裸偶信號(hào)必須校正或直接使用帶遮熱套的高速抽氣熱電偶測(cè)控溫度信號(hào)。重要點(diǎn)的溫度參數(shù)應(yīng)采用帶套的高速抽氣熱電偶直接測(cè)控;對(duì)使用裸偶測(cè)量的較重要點(diǎn)溫度應(yīng)采用抽氣熱電偶校正或用計(jì)算法做出溫度校正曲線;(6)裸偶可直按用于精度不高的低溫氣流溫度測(cè)控,裸偶測(cè)控回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)溫時(shí),因環(huán)境高溫待冷卻熟料和密出口部位熟料熱輻射強(qiáng)烈,誤差很大。為保證回轉(zhuǎn)窯預(yù)定的溫度制度的實(shí)現(xiàn),應(yīng)采用高速抽氣的帶遮熱套熱電偶直接測(cè)控二次風(fēng)溫度信號(hào)。
　　應(yīng)用熱電偶溫度測(cè)量靜態(tài)誤差模型和抽氣熱電偶校正了多家新型干法預(yù)熱器窯各控制點(diǎn)的溫度信號(hào),確保了回轉(zhuǎn)窯在優(yōu)化的溫度參數(shù)條件下運(yùn)行,基本.上消除了窯尾結(jié)皮堵塞.低溫?zé)?、跑生料等不正常窯況的出現(xiàn),提高了熟料產(chǎn)量和質(zhì)量。新生水泥廠”干法回轉(zhuǎn)窯溫度信號(hào)校正后,取得了小時(shí)產(chǎn)量提高0.60t,噸熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低5.80kg,窯運(yùn)轉(zhuǎn)率提高2.2%,窯尾溫度提高12℃的良好效果。