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(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

糧食干燥用氣相旋轉(zhuǎn)換熱器多層圓筒壁結(jié)構(gòu)的熱性能是保證換熱器內(nèi)部換熱環(huán)境的一個(gè)重要因素,影響著換熱器內(nèi)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(tǒng)的換熱器,糧食干燥用氣相旋轉(zhuǎn)換熱器圓桶為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),筒壁磨損大,長期的工作會(huì)導(dǎo)致筒壁材料熱工性能發(fā)生變化。如何快速、便捷地測量圓筒壁傳熱阻值,對(duì)設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)氣相旋轉(zhuǎn)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(píng)價(jià)糧食干燥用氣相旋轉(zhuǎn)換熱器圓筒壁保溫性能好壞的重要參數(shù),對(duì)換熱器內(nèi)部換熱環(huán)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(zhì)、材料厚度及每層材料的密度等因素有關(guān)[2],也與材料所處的設(shè)備工作環(huán)境有關(guān),包括換熱器內(nèi)部的風(fēng)溫、風(fēng)速及外界環(huán)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(yīng)的對(duì)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(zhuǎn)換熱器圓筒壁的傳熱阻測定時(shí)受到多種因素的影響[4-5],所以很難準(zhǔn)確地標(biāo)定出其材料的熱工性能,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際測量的熱阻值與材料生產(chǎn)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(jié)構(gòu)傳熱阻的測量方法主要為接觸式測量法,但存在操作復(fù)雜、測點(diǎn)孤立及測試環(huán)境要求高等問題[6]。隨著近年來熱像儀的發(fā)展進(jìn)步,使用熱像儀進(jìn)行熱成像故障診斷和檢驗(yàn)測試成為了一種先進(jìn)的手段而被廣泛應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)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(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn),運(yùn)用熱像儀對(duì)糧食干燥用氣相旋轉(zhuǎn)換熱器圓筒壁進(jìn)行熱特性參數(shù)測定[8],與傳統(tǒng)的接觸式測量法進(jìn)行對(duì)比,再結(jié)合理論計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)熱成像法的測量結(jié)果進(jìn)行評(píng)定[9],為換熱器圓筒壁傳熱阻測量及保溫性評(píng)定提供新的方法。

1 傳熱阻計(jì)算理論依據(jù)

1.1 熱成像法傳熱阻計(jì)算

熱像儀是一種通過熱譜圖拍攝準(zhǔn)確、快速地測量物體表面溫度的測量設(shè)備。在使用熱像儀進(jìn)行圓筒壁熱工性能測試時(shí),只能夠測出圓筒壁表面的溫度,實(shí)際測量計(jì)算時(shí)需要結(jié)合熱平衡理論對(duì)換熱器圓筒壁結(jié)構(gòu)的傳熱阻進(jìn)行一定的有效估算[10],以完成最后的計(jì)算要求。

使用熱成像法進(jìn)行傳熱阻計(jì)算時(shí),需要將一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱條件下的導(dǎo)熱微分方程與輻射換熱和對(duì)流換熱共同的邊界條件相結(jié)合,并以此推導(dǎo)出使用熱成像法測量圓筒壁傳熱阻R,計(jì)算公式為[11]

(1)

式中R—熱成像法計(jì)算出的傳熱阻值(m2·K/W);

Tw—圓筒壁內(nèi)表面溫度(K);

Tref—圓筒壁反射溫度(K);

Tin—換熱器內(nèi)部環(huán)境溫度(K);

Tout—換熱器外部環(huán)境溫度(K);

hin—圓筒壁內(nèi)壁表面對(duì)流換熱系數(shù)(W/m2·K);

δ—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),δ=5.67×10-8W/m2·K4。

由于旋轉(zhuǎn)式換熱器主要用于糧食烘干,而東北地區(qū)糧食烘干多在11月后進(jìn)行,所以可將冬季換熱器內(nèi)壁的散熱模型簡化成壁面自然對(duì)流傳熱[12]。Churchill等人通過對(duì)大量的文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)的整理上推導(dǎo)出了自然對(duì)流傳熱的相關(guān)關(guān)聯(lián)式,即

(2)

式中Nu—無量綱努塞爾數(shù);

l—傳熱面的幾何特征長度(m);

h—流體對(duì)流換熱系數(shù)(W/m2·K);

k—靜止流體的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·℃);

Ra—無量綱瑞利數(shù),Ra取值范圍為10-1

Pr—無量綱普朗特?cái)?shù);Pr取值范圍為0

β—體積熱膨脹系數(shù)(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(kuò)散率(m2/s);

v—流體運(yùn)動(dòng)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(dòng)形式為湍流或者層流形式。

將實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及相應(yīng)的理論參數(shù)代入公式(2),即可計(jì)算出圓筒壁內(nèi)表面的對(duì)流傳換熱系數(shù)hin。使用熱成像法測圓筒壁表面溫度情況時(shí),也受到自身參數(shù)和外界環(huán)境的影響。在眾多影響因素中,發(fā)射率ε和環(huán)境反射溫度Tref對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大影響。

1.1.1 圓筒壁表面發(fā)射率

糧食干燥用氣相換熱器的圓筒壁表面發(fā)射率ε不僅受材料本身性質(zhì)影響,也與材料所處的環(huán)境溫度濕度、材料的表面粗糙程度以及形狀有關(guān)[13]。在實(shí)驗(yàn)中,可以根據(jù)熱輻射基本原理進(jìn)行計(jì)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(fā)射率;T為溫度值;W為輻射能;τ為大氣透射率;腳標(biāo)obj、ref、atm則分別表示樣本、反射以及空氣環(huán)境。

在發(fā)射率計(jì)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(biāo)輻射能(W/m2);

Wref—周圍環(huán)境的反射輻射能(W/m2);

Watm—大氣輻射能(W/m2);

ε—物體表面發(fā)射率;

τ—大氣透射率,由于換熱器內(nèi)大氣透射率接近于1,所以計(jì)算中取τ=1。

化簡上式得到圓筒壁表面的發(fā)射率計(jì)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(shí)的黑體輻射力(W/m2);

Eb2—溫度為Tobj時(shí)的黑體輻射力(W/m2);

λ1、λ2—波長(μm);

Fb(0-λ2Tref)—溫度為Tref時(shí),波長在0～λ2范圍內(nèi)時(shí)黑體輻射力Eb1的百分?jǐn)?shù);

Fb(0-λ1Tref)—溫度為Tref時(shí),波長在0～λ1范圍內(nèi)時(shí)黑體輻射力Eb1的百分?jǐn)?shù)。

同理可知Fb(0-λ2Tobj)和Fb(0-λ1Tobj)。

由于實(shí)驗(yàn)所用的FLIR T420熱像儀的輻射波長范圍為8～14μm,所以在計(jì)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(shí),由熱像儀拍攝反射溫度的原理可知:Tref可以看成是當(dāng)將發(fā)射率約等于1的褶皺鋁箔覆蓋在圓筒壁表面時(shí)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(diào)整熱像儀的表面發(fā)射率,設(shè)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(shí)熱像儀顯示的鋁箔表面溫度,反復(fù)進(jìn)行3次,取平均數(shù),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(yīng)用于換熱器圓筒壁傳熱阻測量之前,采用接觸式測量法對(duì)圓筒壁進(jìn)行傳熱阻測量。接觸式測量法是以圓筒壁結(jié)構(gòu)材料內(nèi)外兩側(cè)對(duì)流及傳熱原理建立起熱平衡,以此導(dǎo)出接觸式測量法計(jì)算傳熱阻公式為

(7)

式中R2—接觸式測量法測計(jì)算的傳熱阻;

hin—圓筒壁內(nèi)部換熱系數(shù);

Tout、Tin、Tw在公式(1)中有交代。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選擇黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)智能裝備實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的糧食干燥用氣相旋轉(zhuǎn)換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)為實(shí)驗(yàn)設(shè)備,如圖3所示。

圖3 氣相旋轉(zhuǎn)換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.3 Gas phase rotary heat exchanger test bench

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由殼程、管程及進(jìn)出口等部件組成。其中,殼程主要為圓筒壁結(jié)構(gòu),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(dǎo)熱率如表1所示。

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

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中熱成像法測量圓筒壁傳熱阻方法測量外壁溫度時(shí),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(tǒng)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(yīng)時(shí)間為3s,并使用與其配套的數(shù)采儀采集溫度數(shù)據(jù);圓筒壁內(nèi)壁溫度則采用換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝的鉑電阻溫度傳感器進(jìn)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(shí)驗(yàn)方法

熱成像法測量圓筒壁傳熱阻在使用熱像儀對(duì)圓筒壁外壁進(jìn)行熱譜圖拍攝時(shí),熱像儀的視角為25°×19°,測量換熱器整體高度為1.4 m,計(jì)算可得拍攝距離應(yīng)為4m。根據(jù)換熱器圓筒壁長度,選取2個(gè)點(diǎn)對(duì)換熱器外壁進(jìn)行拍攝,每個(gè)拍攝點(diǎn)拍攝3次,換熱器拍攝點(diǎn)布置圖如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí),設(shè)置換熱器熱源溫度分別為130℃、95℃、60℃,并分別在每組溫度下進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn),旋轉(zhuǎn)換熱器圓筒壁外壁溫度由熱成像法和T熱電偶同時(shí)測量熱譜圖如圖6所示。內(nèi)壁溫度則使用換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)自帶的鉑電阻溫度傳感器測量,設(shè)置換熱器控制柜對(duì)內(nèi)部溫度的數(shù)據(jù)采集時(shí)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(shù)據(jù)處理

在分析熱像儀所拍攝的熱譜圖時(shí),利用MatLab軟件對(duì)熱譜圖進(jìn)行分析,并采集其中有效的溫度數(shù)據(jù),然后于熱電偶數(shù)采儀及換熱器控制柜中提取所需的外表面溫度和內(nèi)表面溫度,再利用Origin軟件對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱阻值的理論計(jì)算值與測試值

分析時(shí),將熱成像法、接觸式測量法與理論計(jì)算法結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。其中,熱成像法和接觸式測量法的計(jì)算用之前所述公式計(jì)算求得。圓筒壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱傳熱阻理論計(jì)算公式為[15]。

(8)

式中Rλ—理論計(jì)算傳熱阻值(m2·K/W);

tw1、tw4—圓筒壁內(nèi)、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(yùn)用上述公式計(jì)算出理論熱阻值,再利用公式(1)和公式(7)分別計(jì)算出熱成像法熱阻值及接觸式測量法熱阻值,結(jié)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(jì)算出的圓筒壁傳熱阻值均小于理論計(jì)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(huì)使圓筒壁的實(shí)際熱阻值比設(shè)計(jì)熱阻值有所降低,且實(shí)驗(yàn)誤差也是造成以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因之一。

3.2 測試值與理論計(jì)算值吻合度

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

圖7 測試值與理論計(jì)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(jì)算所得的傳熱阻值與理論計(jì)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(jì)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(jié)果均比較可靠。

4 結(jié)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(jì)算的圓筒壁傳熱阻值。

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

3)相比接觸式測量法,熱成像法的測量計(jì)算原理融入了圓筒壁結(jié)構(gòu)的輻射傳熱過程,理論基礎(chǔ)完善。綜合考慮到環(huán)境因素對(duì)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。