基于熱成像的糧食干燥換熱器圓桶壁熱阻測試

張高杰,車 剛,萬 霖,陳竹筠,金中波

(黑龍江八一農墾大學 農業機械化工程重點實驗室,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

糧食干燥用氣相旋轉換熱器多層圓筒壁結構的熱性能是保證換熱器內部換熱環境的一個重要因素,影響著換熱器內部溫度的高低,間接地影響著換熱器的換熱效率[1]。相比于傳統的換熱器,糧食干燥用氣相旋轉換熱器圓桶為旋轉結構,筒壁磨損大,長期的工作會導致筒壁材料熱工性能發生變化。如何快速、便捷地測量圓筒壁傳熱阻值,對設計、使用和維護氣相旋轉換熱器并獲得良好的換熱效率具有重要的意義。

傳熱阻值是評價糧食干燥用氣相旋轉換熱器圓筒壁保溫性能好壞的重要參數,對換熱器內部換熱環境及換熱器整體的換熱效率影響非常大。圓筒壁傳熱阻的大小不僅僅與自身材料性質、材料厚度及每層材料的密度等因素有關[2],也與材料所處的設備工作環境有關,包括換熱器內部的風溫、風速及外界環境溫度等因素。圓筒壁的傳熱阻值越大,其保溫性能越好,相應的對換熱器換熱效率的提升也越大[3]。由于糧食干燥用氣相旋轉換熱器圓筒壁的傳熱阻測定時受到多種因素的影響[4-5],所以很難準確地標定出其材料的熱工性能,經常會出現實際測量的熱阻值與材料生產廠商提供的熱阻值不同的情況。目前,常用于換熱器圓筒壁結構傳熱阻的測量方法主要為接觸式測量法,但存在操作復雜、測點孤立及測試環境要求高等問題[6]。隨著近年來熱像儀的發展進步,使用熱像儀進行熱成像故障診斷和檢驗測試成為了一種先進的手段而被廣泛應用。相比于傳統的接觸式測量法,熱成像法使用熱像儀拍攝熱譜圖可以直觀、無損進行測試[7],且操作簡單、測試速度快,是一種十分便捷的傳熱阻測試方法。

本文將使用熱成像法進行實驗,運用熱像儀對糧食干燥用氣相旋轉換熱器圓筒壁進行熱特性參數測定[8],與傳統的接觸式測量法進行對比,再結合理論計算數據對熱成像法的測量結果進行評定[9],為換熱器圓筒壁傳熱阻測量及保溫性評定提供新的方法。

1 傳熱阻計算理論依據

1.1 熱成像法傳熱阻計算

熱像儀是一種通過熱譜圖拍攝準確、快速地測量物體表面溫度的測量設備。在使用熱像儀進行圓筒壁熱工性能測試時,只能夠測出圓筒壁表面的溫度,實際測量計算時需要結合熱平衡理論對換熱器圓筒壁結構的傳熱阻進行一定的有效估算[10],以完成最后的計算要求。

使用熱成像法進行傳熱阻計算時,需要將一維穩態導熱條件下的導熱微分方程與輻射換熱和對流換熱共同的邊界條件相結合,并以此推導出使用熱成像法測量圓筒壁傳熱阻R,計算公式為[11]

(1)

式中R—熱成像法計算出的傳熱阻值(m2·K/W);

Tw—圓筒壁內表面溫度(K);

Tref—圓筒壁反射溫度(K);

Tin—換熱器內部環境溫度(K);

Tout—換熱器外部環境溫度(K);

hin—圓筒壁內壁表面對流換熱系數(W/m2·K);

δ—斯蒂芬-玻爾茲曼常數,δ=5.67×10-8W/m2·K4。

由于旋轉式換熱器主要用于糧食烘干,而東北地區糧食烘干多在11月后進行,所以可將冬季換熱器內壁的散熱模型簡化成壁面自然對流傳熱[12]。Churchill等人通過對大量的文獻和數據的整理上推導出了自然對流傳熱的相關關聯式,即

(2)

式中Nu—無量綱努塞爾數;

l—傳熱面的幾何特征長度(m);

h—流體對流換熱系數(W/m2·K);

k—靜止流體的導熱系數(W/m·℃);

Ra—無量綱瑞利數,Ra取值范圍為10-1

Pr—無量綱普朗特數;Pr取值范圍為0

β—體積熱膨脹系數(1/K);

g—重力加速度(m/s2);

θ—圓筒壁切線與豎直面夾角(°);

α—熱擴散率(m2/s);

v—流體運動粘度(m2/s);

Ts—豎直表面溫度(K);

Tf—特征溫度(K),Tf=1/2(T∞+Ts);

T∞—邊界層外空氣溫度(K)。

公式使用限制條件為:表面溫度Ts較為恒定,流體的流動形式為湍流或者層流形式。

將實驗測試數據及相應的理論參數代入公式(2),即可計算出圓筒壁內表面的對流傳換熱系數hin。使用熱成像法測圓筒壁表面溫度情況時,也受到自身參數和外界環境的影響。在眾多影響因素中,發射率ε和環境反射溫度Tref對實驗結果有較大影響。

1.1.1 圓筒壁表面發射率

糧食干燥用氣相換熱器的圓筒壁表面發射率ε不僅受材料本身性質影響,也與材料所處的環境溫度濕度、材料的表面粗糙程度以及形狀有關[13]。在實驗中,可以根據熱輻射基本原理進行計算。熱像儀成像原理如圖1所示。

圖1 熱像儀成像原理圖Fig.1 Thermal imaging imaging schematic

圖1中:ε為圓筒壁表面發射率;T為溫度值;W為輻射能;τ為大氣透射率;腳標obj、ref、atm則分別表示樣本、反射以及空氣環境。

在發射率計算過程中,首先將熱像儀接收到的總輻射能確定出來,公式為

Wtot=ετWobj+(1-ε)τWref+(1-τ)Watm

(3)

式中Wtot—熱成像儀接收總輻射能(W/m2);

Wobj—目標輻射能(W/m2);

Wref—周圍環境的反射輻射能(W/m2);

Watm—大氣輻射能(W/m2);

ε—物體表面發射率;

τ—大氣透射率,由于換熱器內大氣透射率接近于1,所以計算中取τ=1。

化簡上式得到圓筒壁表面的發射率計算公式為

(4)

Wref=Eb1[Fb(0-λ2Tref)-Fb(0-λ1Tref)]

Wobj=Eb2[Fb(0-λ2Tobj)-Fb(0-λ1Tobj)]

式中Eb1—溫度為Tref時的黑體輻射力(W/m2);

Eb2—溫度為Tobj時的黑體輻射力(W/m2);

λ1、λ2—波長(μm);

Fb(0-λ2Tref)—溫度為Tref時,波長在0～λ2范圍內時黑體輻射力Eb1的百分數;

Fb(0-λ1Tref)—溫度為Tref時,波長在0～λ1范圍內時黑體輻射力Eb1的百分數。

同理可知Fb(0-λ2Tobj)和Fb(0-λ1Tobj)。

由于實驗所用的FLIR T420熱像儀的輻射波長范圍為8～14μm,所以在計算過程中λ1取值8μm,λ2取值14μm。

1.1.2 反射溫度測量

在測量反射溫度Tref時,由熱像儀拍攝反射溫度的原理可知:Tref可以看成是當將發射率約等于1的褶皺鋁箔覆蓋在圓筒壁表面時鋁箔表面的溫度[14]。測試方法如圖2所示。

圖2 測量圓筒壁表面反射溫度原理圖Fig.2 Measuring the reflection temperature of the cylinder wall surface

測試反射率的具體操作方法為:將褶皺的鋁箔與圓筒壁同軸放置,調整熱像儀的表面發射率,設置為1;將熱像儀與被測試樣保持一定距離,使熱像圖成像清晰,讀取此時熱像儀顯示的鋁箔表面溫度,反復進行3次,取平均數,即為反射溫度Tref。

1.2 其他傳熱阻測量方法

在將熱成像法應用于換熱器圓筒壁傳熱阻測量之前,采用接觸式測量法對圓筒壁進行傳熱阻測量。接觸式測量法是以圓筒壁結構材料內外兩側對流及傳熱原理建立起熱平衡,以此導出接觸式測量法計算傳熱阻公式為

(7)

式中R2—接觸式測量法測計算的傳熱阻;

hin—圓筒壁內部換熱系數;

Tout、Tin、Tw在公式(1)中有交代。

2 實驗設備與方法

2.1 實驗對象

選擇黑龍江八一農墾大學智能裝備實驗室研發的糧食干燥用氣相旋轉換熱器實驗臺為實驗設備,如圖3所示。

圖3 氣相旋轉換熱器實驗臺Fig.3 Gas phase rotary heat exchanger test bench

該實驗臺主要由殼程、管程及進出口等部件組成。其中,殼程主要為圓筒壁結構,是主要的保溫元件之一,由45#鋼、巖棉及304不銹鋼組成。各組成部分的導熱率如表1所示。

表1 圓筒壁組成材料及其熱導率Table 1 Composition and thermal conductivity of cylinder wal

2.2 實驗儀器及實驗方法

2.2.1 實驗儀器

實驗中熱成像法測量圓筒壁傳熱阻方法測量外壁溫度時,使用FLIR T420手持式熱像儀,如圖4所示。熱像儀量程為-20～650℃,測量精度為±2%,波長范圍7.5～14μm;傳統的接觸式測量法使用貼片式T型熱電偶,其測量量程為-200°～350℃,測量精度為±5%,熱電偶響應時間為3s,并使用與其配套的數采儀采集溫度數據;圓筒壁內壁溫度則采用換熱器實驗臺安裝的鉑電阻溫度傳感器進行溫度測量。

圖4 Flir T420手持式紅外熱像儀Fig.4 Flir T420 hand-held infrared thermal imager

2.2.2 實驗方法

熱成像法測量圓筒壁傳熱阻在使用熱像儀對圓筒壁外壁進行熱譜圖拍攝時,熱像儀的視角為25°×19°,測量換熱器整體高度為1.4 m,計算可得拍攝距離應為4m。根據換熱器圓筒壁長度,選取2個點對換熱器外壁進行拍攝,每個拍攝點拍攝3次,換熱器拍攝點布置圖如圖5所示。

實驗進行時,設置換熱器熱源溫度分別為130℃、95℃、60℃,并分別在每組溫度下進行3次實驗,旋轉換熱器圓筒壁外壁溫度由熱成像法和T熱電偶同時測量熱譜圖如圖6所示。內壁溫度則使用換熱器實驗臺自帶的鉑電阻溫度傳感器測量,設置換熱器控制柜對內部溫度的數據采集時間間隔為每1min記錄1次。

圖6 圓筒壁外壁熱譜圖Fig.6 Heat spectrum of outer wall of cylinder wall

2.3 數據處理

在分析熱像儀所拍攝的熱譜圖時,利用MatLab軟件對熱譜圖進行分析,并采集其中有效的溫度數據,然后于熱電偶數采儀及換熱器控制柜中提取所需的外表面溫度和內表面溫度,再利用Origin軟件對以上數據進行處理與分析。

3 結果與分析

3.1 熱阻值的理論計算值與測試值

分析時,將熱成像法、接觸式測量法與理論計算法結果進行比對。其中,熱成像法和接觸式測量法的計算用之前所述公式計算求得。圓筒壁穩態導熱傳熱阻理論計算公式為[15]。

(8)

式中Rλ—理論計算傳熱阻值(m2·K/W);

tw1、tw4—圓筒壁內、外壁溫度值(℃);

r—圓筒壁半徑(m);

l—圓筒壁長度(m);

q—熱流密度(J/m2·s)。

運用上述公式計算出理論熱阻值,再利用公式(1)和公式(7)分別計算出熱成像法熱阻值及接觸式測量法熱阻值,結果如表2所示。

表2 不同溫度條件和不同測量方法下的圓筒壁傳熱阻值Table 2 The heat transfer resistance of the cylinder wall under different measuring methods under different temperature conditions m2·K/W

由表2可知:使用熱成像法和接觸式測量法測量計算出的圓筒壁傳熱阻值均小于理論計算。原因如下:換熱器在日常使用過程中,隨著圓筒壁材料的老化、磨損、腐蝕等因素的影響,會使圓筒壁的實際熱阻值比設計熱阻值有所降低,且實驗誤差也是造成以上現象出現的原因之一。

3.2 測試值與理論計算值吻合度

為了進一步比較熱成像法與接觸式測量法的可靠性,將3種結果繪制成柱形圖(見圖7),并通過偏差的百分比對不同的測試方法進行比較。

圖7 測試值與理論計算值柱狀圖Fig.7 Histogram of test and theoretical values

由圖7可知:兩種方法測量計算所得的傳熱阻值與理論計算值均存在一定的偏差:熱成像法測得的傳熱阻值與理論計算值偏差在15%～20%之間,接觸式測量法偏差小于15%,相比之下接觸式測量法偏差較小。由于兩種測量方法偏差值均小于20%,因此結果均比較可靠。

4 結論

1)由于受到圓筒壁材料老化、磨損、腐蝕等影響,熱成像法和接觸式測量法測得的傳熱阻值均小于理論計算的圓筒壁傳熱阻值。

2)對比兩種方法可知:接觸式測量法與理論計算值偏差小于15%,熱成像法傳熱阻值與理論計算值偏差在15%～20%之間,利用接觸式測量法計算得到的阻值與理論計算值吻合度更高。

3)相比接觸式測量法,熱成像法的測量計算原理融入了圓筒壁結構的輻射傳熱過程,理論基礎完善。綜合考慮到環境因素對換熱器圓筒壁傳熱阻測量的影響,熱成像法的操作更為便利。