抽气热电偶遮热罩结构对测温的影响

　　抽气热电偶对于测量窑炉温度、减少测温误差、提高制品烧成质量等都有着突出的作用和意义。设计优化遮热罩结构,提高测温精度已成为当前研究和开发新型热工测量设备的重要课题。通过FLUENT6.0软件模拟抽气热电偶工作,针对热电偶遮热罩结构，在遮热罩制作成减缩喷管、加长遮热罩长度和缩小遮热罩直径等三种方式的结构优化并模拟,从而验证了通过优化遮热罩结构,可以减小测温误差。
0引言
　　抽气式热电偶测温装置主要是由遮热罩"热电偶及补偿导线、水冷管和风机四个部件组成,结构如图1所示。
 
　　在高温工业炉中，炉内气体温度很多情况下高达1573K,但炉壁温度较低,使得抽气热电偶遮热罩向炉壁辐射热量,引起抽气热电偶测头的辐射换热损失,导致抽气热电偶读数偏低于真实值。此外由于抽气热电偶的热容以及抽气热电偶测头与炉内气体之间的传热阻力的存在,使抽气热电偶的温度变化滞后于炉内气体温度的变化。基于通过软件FLUENT模拟，研究了抽气热电偶遮热罩结构优化设计对温度测量误差的影响。
1建模及参数计算选取
1.1模型假设
(1)抽气式热电偶套管的导热损失忽略不计;
(2)忽略高温烟气波动对抽气热电偶测头换热系
数的影响;
(3)考虑到高温烟气的音速很大,抽气热电偶测头位置马赫数小于0.2,忽略部分高温烟气滞止过程;
(4)忽略较低固体壁面温度Tc在高温烟气温度波动过程中的变化;
(5)忽略高温烟气波动对抽气热电偶的动态时间滞后的影响。
2.2参数计算与选取
　　取空气过剩系数为a=1.1，则1m'液化石油气的.理论空气需要量L=23.601508m),实际空气需要量为Ln=aL0=259616588m³,水力直径为1cm。
　　计入空气中的水分则实际空4气需要量为L=nLo(1+0.00124)=26.225777m³。
　　烟气密度为ρ=1.260134536m³;当烟气温度为t=1300℃时,C1=1.581793783KJ/m³.℃;烟气温度为t=100℃时,C2=1.377705914KJ/m³.℃;烟气比热容c=1.47975KJ/m³℃,动力粘度v=1.7894e^-5.
模型选择速度进口分别为37.5m/s、.50m/s.80m/s三种,选择给定壁面温度模型和对流传热边界条件模型,热电偶绝缘套管处温度为1527K,内层遮热罩上平均温度为1482K,外层遮热罩上平均温度为1376K。固壁材料厚度一律设置为0.2cm,热电偶保护套管长度为35cm,半径为1cm,遮热罩总长度为40cm,半径为2cm,二个体的交界面为内部界面。运用fluent12习)前处理软件gambit建立模型。在陶瓷窑高温烟气温度的测试中,烟气对热电偶测头和隔热罩的对流换热系数a=116W/(m2k),固体壁面温度T-=1573"C的测量则是在钢管隔热情况下采用激光红外测温仪进行测量的。此外,抽气热电偶开始测试前热电偶测头和隔热罩的表面黑度均为0.3。设置模型为湍流对流-辐射Do模型!45,采用耦合隐式解法,选用二阶迎风格式按稳态问题处理,采用绝对速度公式，流体为粘性牛顿不可压缩流体,选择标准k-ε模型。
 
2模拟实验结果及讨论
2.1优化模型结构一
　　模型尺寸变为加长遮热罩5cm,前段遮热罩部分长10cm,入口半径增大为2.5cm,后端遮热罩部分长35cm,半径保持为2cm,二者在z=0cm处相接。流体绝对速度v=80m/s，其他参数保持不变，模型及Z=0cm处温度模拟云如图2。
 
　　从截面温度模拟云图可以看出,热电偶保护套结构改变后,热电偶热端截面处平均温度接近1540~1570K,测量准确性有了很大的提高,同时抽气热电偶整体温度场也基本均匀,显示测量温度接近真实值程度进一步提高。说明在其他条件保持不变的情况下,仅通过加长遮热罩前端尺寸方式改变热电偶结构,测温误差就能进一步减小。
2.2优化模型结构二二
　　在单层遮热罩基础_上进一步加大遮热罩前段尺寸,具体尺寸为:前段遮热罩长20cm,入口半径增大为3cm,后端遮热罩部分长35cm,半径为2cm。其它参数不变。优化结构后模型及截面模拟温度云如.图3。
 
　　分析可知,通过继续加长抽气热电偶前段遮热罩长度,在入口条件不变情况下,即相当于加大了抽气速度,模型二断面处平均温度和整体温度云图平均温度均高于模型一,即该优化措施可以进一步有效减小.测温误差。但因加长了遮热罩,工艺要求也相对更严格,即增加了制作成本,所以需从工艺和效果二者结合起来进行优化。
2.3优化模型结构三
　　在单层遮热罩模型-基础.上进--步缩小抽气热电偶遮热罩后端尺寸,具体为:前段遮热罩部分长10cm,入口半径为2.5cm,后端遮热罩部分长35cm,半径为1.5cm,其他参数不变,比较分析优化结构后模拟z=0断面和整体温度云图,同样可得模型三断面处平均温度和整体平均温度均高于模型--。即该优化措施亦可以明显提高测温精度,减小测温误差。需要说明一点,管径减小,沿程阻力损失将加大,所以一味的通过减小管径达到测温误差程度是有限的,需跟热传递结合起来进行优化设计。
3结论
　　对比普通单层遮热罩和优化结构(任取--种)的热电偶热端截面处平均温度结果如图4。
 
　　通过对比可得:单层遮热罩热电偶热端截面处温度曲线(红色曲线)温度平均值明显低于优化结构的单层遮热罩热电偶热端温度曲线(绿色曲线)的温度平均值,即验证通过优化抽气热电偶遮热罩结构的确可以明显提高测温精度,模拟的结果和规律符合通过燃烧学传热学6”和流体力学理论计算得到的结果。