建筑環(huán)境測試技術(shù) 第4版 課件 Chapter 9 熱量測量

建筑環(huán)境測試技術(shù)第九章熱量測量BuiltEnvironmenttestingtechnology1第九章熱量測量概述熱阻式熱流計輻射式熱流計熱水熱量指示積算儀蒸汽熱量指示積算儀熱流計的標定2了解熱量測量的主要方法及常用儀表掌握熱流計的分類和主要使用場合了解蒸汽熱量指示積算儀的工作原理了解熱阻式熱流計、熱水測量儀表的校正方法本章目標34主要測量儀器及原理

熱流計分為三類：采用熱阻式熱流計，測量單位時間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量；采用輻射式熱流計，測量物體表面的輻射熱量；采用熱量表，測量在一段時間內(nèi)通過設(shè)備（用戶）的流體輸送的對流傳質(zhì)傳熱量。9.1概述5儀器測量原理應(yīng)用場合熱阻式熱流計導(dǎo)熱中的傅立葉原理測量設(shè)備、管道、建筑圍護結(jié)構(gòu)等壁體的導(dǎo)熱量輻射式熱流計輻射換熱中的斯蒂芬-波爾茲曼原理測量高溫物體表面的輻射熱換量熱量表熱力學(xué)中的焓差原理計量流過管道、設(shè)備的流體熱量主要測量儀器及原理9.1概述6熱阻式熱流計輻射式熱流計熱水熱量積算儀蒸汽熱量積算儀分類9.1概述7熱阻式熱流計9.2熱阻式熱流計8當壁體上有傳熱存在時，緊貼在壁面上的薄板傳感器上形成一維導(dǎo)熱，傳感器兩側(cè)表面上產(chǎn)生溫度梯度，通過將這一溫度梯度轉(zhuǎn)換為電信號，并根據(jù)傳感器的導(dǎo)熱特性，利用傅立葉定律可計算出通過傳感器的導(dǎo)熱量。當傳感器相對于傳熱壁體很薄時，通過傳感器的導(dǎo)熱量可以認為等于被測表面的熱量。熱阻式熱流計9.2熱阻式熱流計9熱阻式熱流計測頭系數(shù)C：當傳感器有單位熱電勢輸出時，垂直通過它的熱流密度。由傳感器的幾何尺寸、導(dǎo)熱系數(shù)和熱電偶的熱電特性決定。單位：W/(m2·mV)熱電勢熱電偶溫度系數(shù)兩面溫差9.2熱阻式熱流計10按熱阻值：高熱阻型：精度高，附加熱阻和時間延遲大，適用厚壁穩(wěn)態(tài)熱流測量(被測物自身熱阻大)；低熱阻型：反應(yīng)靈敏，溫差小-測熱流誤差大，適合于動態(tài)熱流測量；按測溫方式：熱電偶（熱電堆）和熱電阻（或熱敏電阻）；按力學(xué)性能：硬平板式和可撓式。傳感器類型9.2熱阻式熱流計111-基板；2-熱電偶接點；3-熱電極連線；4-熱電堆片傳感器類型—按測溫方式熱電堆片:單個熱電偶是單點測量，不能反映整個傳感器兩側(cè)表面溫差，且形成的熱電勢很小，故在傳感器上將若干個熱電偶串聯(lián)起來形成熱電堆片。9.2熱阻式熱流計121-熱阻層；2-薄膜熱電阻熱電阻熱流傳感器傳感器類型—按測溫方式熱電阻式原理：在熱阻層兩邊貼上薄膜熱電阻或熱敏電阻做成。利用電橋測量輸出電壓來測量熱流密度。優(yōu)點:只需很小的溫度梯度就能產(chǎn)生較大的信號，對于測量低溫氣體產(chǎn)生的較小的對流傳熱或者其它小熱流密度傳熱較理想。9.2熱阻式熱流計13硬平板式熱流傳感器傳感器類型—按力學(xué)性能9.2熱阻式熱流計14可撓式熱流傳感器傳感器類型—按力學(xué)性能9.2熱阻式熱流計151-埋入式；2-表面粘貼式；3-空間輻射式熱阻式熱流計的安裝方式9.2熱阻式熱流計16使用誤差分析熱流傳感器對被測溫度場的影響（a）原有的溫度場；（b）埋入熱流傳感器后；（c）粘貼熱流傳感器后1-被測熱阻層；2-對流空氣層9.2熱阻式熱流計17安裝情況未安裝粘貼式安裝埋入式安裝傳感器熱阻響應(yīng)時間--需要經(jīng)過一段過渡過程重新穩(wěn)定無影響使用環(huán)境（對流和輻射）--傳感器表面特性與原結(jié)構(gòu)不一致，引起表面對流換熱和輻射換熱變化無影響熱流傳感器熱阻、響應(yīng)時間和使用環(huán)境的影響使用誤差分析9.2熱阻式熱流計18熱流傳感器使用環(huán)境的影響：使用誤差分析【例】：某保冷管道，管外空氣30℃管壁10℃，表面發(fā)射率ε1=0.1，空氣側(cè)對流換熱系數(shù)為10W/m2K，熱流計表面發(fā)射率ε2=0.9，計算熱流計由于發(fā)射率不同造成的誤差。對于保溫管，由于外壁面對流換熱熱阻相對較小，因此影響不大。而輻射影響主要是由于測頭和待測物體表面發(fā)射率不同而造成的?！窘狻浚何词褂脽崃饔嫞菏褂脽崃饔嫞簝烧咧g偏差約50％！

9.2熱阻式熱流計19熱能輻射轉(zhuǎn)移過程的量化檢測儀器，用于測量熱輻射遷移量、評價熱輻射性能的工具。輻射式熱流計輻射熱流傳感器分類：根據(jù)熱輻射電磁波的波長可以分為：總熱流計（總輻射+對流）總輻射計（紅外+可見光）紅外熱輻射計陽光輻射強度計9.3輻射式熱流計20根據(jù)環(huán)境溫度可以分為：低溫?zé)彷椛溆嫺邷責(zé)彷椛溆?1圓箔式熱流計（Gardon戈登熱流計）是一種接收輻射熱的熱流計，本質(zhì)上其結(jié)構(gòu)是一種特殊熱電偶。康銅箔焊到空心圓柱體的銅熱沉體上，一條銅引線焊到康銅箔中心，得到一個由銅引線—康銅箔—銅熱沉體組成的差分熱電偶。焊在康銅箔中心的銅引線與焊在銅熱沉體上的銅引線構(gòu)成熱電偶的輸出E。圓箔式熱流計具有熱慣性小，穩(wěn)定性好的優(yōu)點。結(jié)構(gòu)9.3輻射式熱流計22傳熱過程：當熱輻射投射到圓的康銅箔的涂黑(高吸收率)表面上，輻射熱使康銅的溫度升高，并沿著康銅箔的徑向傳到銅熱沉體上，再通過熱沉體耗散到周圍環(huán)境中去。測量過程：當處于某一瞬時熱平衡，由于熱量沿康銅箔徑向流動(忽略中心線下的熱損失)，康銅箔中心的溫度To高于它周徑上的溫度Ts。這個溫度差很容易被由銅引線-康銅箔-銅熱沉體構(gòu)成的差分熱電偶檢測并輸出與之對應(yīng)的電壓信號。工作原理9.3輻射式熱流計圓箔式熱流計（Gardon戈登熱流計）23信號輸出：這個電壓信號可以很容易地與投射在康銅箔上的輻射通量q建立起函數(shù)關(guān)系且經(jīng)過標定，就可進行熱流測量。輻射通量q與熱電偶輸出E(mV)之間關(guān)系為：

箔片半徑箔片厚度9.3輻射式熱流計工作原理圓箔式熱流計（Gardon戈登熱流計）24實際使用時，為防止高溫燃氣對流換熱對接收熱流康銅板的影響，前面裝單晶硅片。9.3輻射式熱流計圓箔式熱流計（Gardon戈登熱流計）25薄膜式熱流計根據(jù)測溫單元結(jié)構(gòu)，薄膜式熱流計可分為熱電堆式和電橋式兩種形式。9.3輻射式熱流計在一塊基板上鍍上2個溫度傳感器，并分別鍍上厚度不同而導(dǎo)熱系數(shù)相同的陶瓷熱絕緣材料，然后根據(jù)溫差數(shù)據(jù)信息計算出所吸收的熱流大小。使用多對薄膜熱電偶串聯(lián)成熱電堆以提高薄膜熱流傳感器的靈敏度和精度。熱電堆式薄膜熱流計26薄膜式熱流計根據(jù)測溫單元結(jié)構(gòu)，薄膜式熱流計可分為熱電堆式和電橋式兩種形式。9.3輻射式熱流計通過惠斯通電橋測熱電阻的變化來測量溫度差，從而推算出熱流量的大小。由于熱敏電阻輸出大，靈敏度高，可用于高溫環(huán)境，具有響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但輸出不穩(wěn)定，且與熱流呈非線性關(guān)系，測量標定過程較復(fù)雜。電橋式薄膜熱流計27總熱流計熱流計檢測器裝在水冷不銹鋼探頭的前端面，前端面表面開同心圓鋸齒槽，涂成黑色以更好地吸收輻射熱流。檢測器為圓柱形，后面及旁邊為水冷。熱流沿檢測器長度方向形成溫度梯度。檢測器外面用圓筒防護套隔熱。沿檢測器中心線前后安裝兩個熱電偶，其熱電勢是檢測器上總熱流量的函數(shù)。一種接收對流換熱和輻射換熱之和的熱流計。通常，結(jié)合輻射熱流計可以計算對流換熱量。9.3輻射式熱流計工作原理基本原理：熱水吸收或放出的熱量，與熱水流量和供回水焓差有關(guān)。熱水熱量積算儀對上式進行時間積分，可獲得在一段時間內(nèi)流體吸收或放出的總熱量。結(jié)構(gòu)與工作原理：流量計：主要有機械式、超聲波式和電磁式，計量流過系統(tǒng)體積流量。溫度傳感器：一般為鉑電阻或熱敏電阻，測量系統(tǒng)供回水溫度。能量計算器：焓差計算和積分運算。9.4熱水熱量指示積算儀28類型：根據(jù)外觀結(jié)構(gòu)：一體式和組合式根據(jù)流量計類型：機械式、超聲波式和電磁式結(jié)構(gòu)組成9.4熱水熱量指示積算儀299.4熱水熱量指示積算儀30應(yīng)安裝在流動平穩(wěn)的直管段上；應(yīng)根據(jù)儀表要求水平安裝或垂直安裝；應(yīng)根據(jù)儀表要求選擇回水管或供水管；測試流量范圍應(yīng)與系統(tǒng)流量對應(yīng)；注意安裝方向。9.4熱水熱量指示積算儀流量計的安裝：31溫度傳感器安裝：溫度探頭處于管道中流速最大的位置應(yīng)對安裝探頭的地方進行保溫處理傾斜安裝探頭方向須迎向水流方向，并設(shè)保護套內(nèi)安裝前，應(yīng)對系統(tǒng)管路進行徹底清洗，以保證管道中沒有污染物和雜質(zhì)。9.4熱水熱量指示積算儀32

工作原理與熱水熱量指標積算儀相同，也是通過蒸汽的流量、蒸汽與凝水焓差計算熱量。但過熱蒸汽的焓通過測量蒸汽壓力和溫度求得。飽和蒸汽的焓通過測量蒸汽的溫度求得。蒸汽放熱后形成凝水的焓通過測量凝水溫度求得。實際上由于凝水回收不可靠，有些蒸汽熱量指標積算儀只記入蒸汽的供熱量，而不減去凝水余熱量，則不需測量凝水焓值。蒸汽熱量積算儀原理9.5蒸汽熱量積算儀33

差壓變送器

標準孔板

混飽和蒸汽混飽和蒸汽

開方器

干度設(shè)定

熱量運算電路

213位數(shù)字顯示

流量系數(shù)設(shè)定

熱量運算電路

累積熱量

ΣQ

瞬時熱量指示

Q

瞬時流量指示

W

瞬時溫度指示

T

穩(wěn)壓電源

+5V

-5V

220V

飽和蒸汽熱量指示積算儀原理圖9.5蒸汽熱量積算儀34熱流傳感器測頭系數(shù)C受傳感器材質(zhì)、加工工藝、工作溫度等影響，每個測頭的系數(shù)都不可能完全一致，且一般不能通過計算得到，因此每個傳感器都要分別標定。標定條件：建立一個穩(wěn)定的具有確定方向的一維熱流；熱流計表面等溫且可調(diào)。標定方法：平板直接法、平板比較法、單向平板法熱阻式熱流計的傳感器標定9.6熱流計的標定35核心思想：無限大平面的單向穩(wěn)定傳熱原理。在熱板和冷板之間建立起一個垂直于冷、熱板面（也垂直于熱流計）的穩(wěn)定的、可調(diào)的一維熱流場：根據(jù)不同的工況確定中心加熱器的加熱功率和恒溫水溫度，調(diào)整保護環(huán)加熱器的加熱功率，使保護環(huán)表面的溫度和中心計量板表面的溫度一致，從而在計量板和冷板之間建立起垂直于冷板和計量板(也垂直于熱流計)的穩(wěn)定的一維熱流場。平板直接法（保護熱板法；絕對法）平板直接法原理圖A—中心計量板；B—保護板；C—冷板；D—熱流傳感器；E—傳感器保護圈；F—保護板；H—熱板表面熱電偶；I—熱流傳感器表面熱電偶；J—冷板表面熱電偶；K—熱板與保護板表面溫度熱電偶；M—保溫材料雙試件單試件369.6熱流計的標定雙試件根據(jù)計算熱流密度和熱流計的輸出電勢標定測頭系數(shù)。平板直接法平板直接法原理圖A—中心計量板；B—保護板；C—冷板；D—熱流傳感器；E—傳感器保護圈；F—保護板；H—熱板表面熱電偶；I—熱流傳感器表面熱電偶；J—冷板表面熱電偶；K—熱板與保護板表面溫度熱電偶；M—保溫材料

單試件熱流密度：測頭系數(shù)：Q：中心計量板發(fā)熱功率(W)F：中心熱板面積(m2)R：中心計量板加熱電阻(Ω)I：通過中心計量板的電流(I)E：熱流傳感器輸出電勢(mV)C：熱流傳感器測頭系數(shù)(W/m2·mV)雙試件單試件379.6熱流計的標定應(yīng)保證冷、熱板之間溫差大于10℃；傳熱穩(wěn)定后，每30min連續(xù)4次測量熱流計和熱電偶輸出電勢及熱流密度；4次測量結(jié)果的偏差小于1%，且不是單方向變化時，一次標定結(jié)束；在相同溫度下，兩塊熱流傳感器的位置應(yīng)互換后再標定，取兩次平均值作為該溫度下熱流傳感器標定系數(shù)。標定過程389.6熱流計的標定標定裝置包括熱板、冷板和測量系統(tǒng)。把待標定的傳感器B與標準的熱流傳感器D以及絕熱材料做成的緩沖塊一起放在表面溫度保持穩(wěn)定均勻的熱板和冷板之間，熱板和冷板溫度可控。

利用標準熱流傳感器測定的系數(shù)C1、C2和輸出電勢E1、E2，就可以求出熱流密度q，從而可確定被標定的熱流傳感器的系數(shù)CB。A—熱板；B—待標熱流傳感器；C—冷板；D—標準熱流傳感器；E—傳感器保護圈；H—熱緩沖板；T—表面溫度平板比較法標定過程：同平板直接法399.6熱流計的標定標定裝置包括熱板、冷板和測量系統(tǒng)。除了使中心計量熱板A和保護熱板B的溫度相等，而且還要使A底部的溫度和背保護板下的溫度相等。因此中心計量熱板的熱量不能向周圍及底部損失，唯一可傳遞的方向是通過熱流傳感器，保證了一維穩(wěn)定熱流的條件。標定過程：同平板直接法單向平板法

D1、D2、D3—熱流傳感器；G—橡皮板；其余同平板直接法409.6熱流計的標定分項檢定：分別對溫度、流量傳感器和積算器按相