专利名称：气体喷嘴冷却性能的测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于冷轧金属板带热处理技术领域，尤其涉及热处理工艺中的气体喷嘴冷却性能的测量系统。
背景技术：
随着各产业对高质量产品的需求不断增加，对金属板热处理的工艺要求越来越严格，在热处理过程中，为了得到一定机械性能和良好表面特性的金属板带产品，需要将金属板加热到临界温度以上，然后用气体喷吹冷却方法，并严格控制冷却速率在工艺许可的范围内。因此，为了开发适应这种精细的热处理工艺的冷却设备，需要对气体喷吹冷却装置的性能进行测试和检验，确保适应热处理工艺的需要。但由于热处理往往在特殊气氛(如纯氮气、氮气与氢气混合气、纯氢气、氮气与氨气混合气等)中进行，这些气体十分危险或无法通过实验装置直接测量，因此需要用安全的空气替代，并将测量到的空气的数据，换算成工程原型中真实的工作气氛状态。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种气体喷嘴冷却性能的测量系统，该系统可对气体喷嘴冷却性能进行离线测量，且操作简便，安全性好。本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是气体喷嘴冷却性能的测量系统， 其特征在于它由供风系统、气体喷嘴、电加热系统和测量系统组成；供风系统包括风机、第一蝶阀、流量孔板、风箱；风箱的进风端由第一风管与风机的输出口相连通，第一风管上设有第一蝶阀和流量孔板；风箱的出风端设有气体喷嘴组；电加热系统由变压器、可控硅调压器、铜排线缆和电加热平板组成；变压器的输入端与380V的交流电源相连，变压器的输出端设有可控硅调压器，可控硅调压器的输出端由铜排线缆与电加热平板相连；电加热平板位于气体喷嘴组与测量系统的测量黑箱的开口端之间；测量系统由测量黑箱与红外热像仪组成；测量黑箱的一端为开口端并朝向电加热系统的电加热平板，测量黑箱的另一端设有热像仪观测孔，热像仪观测孔外侧设有红外热像仪。所述的风箱内安装有均流板，均流板位于风箱的进风端与出风端之间，均流板为多孔板或格栅板，可使通入气体喷嘴的空气流动更加均勻。所述的气体喷嘴组的气体喷嘴为窄缝喷嘴时，气体喷嘴组的气体喷嘴数量不少于 3个；若气体喷嘴组的气体喷嘴为圆口喷嘴，气体喷嘴组的气体喷嘴数量不少于7个。所述的热像仪观测孔为1-4个。在第一蝶阀与风机的输出口之间的第一风管上连接第二风管，第二风管与放散器相连通，第二风管上设有第二蝶阀。与现有技术相比，本实用新型具有以下的主要有益效果1.该系统可在工程施工
3调试前，对金属平板材料热处理机组中采用的气体喷嘴冷却性能进行离线测量；因不直接在工程原型所采用的特殊气氛(如纯氮气、氮气与氢气混合气、纯氢气、氮气与氨气混合气等)下进行测试，操作简便，安全性好。2.在设备正式运行前，通过该系统，可测试(测量) 气体喷嘴的参数设计是否满足冷却工艺需求，降低工程设计和建设风险；3.测量喷嘴冷却特性曲线，可用于二级控制系统的数学模型参数计算，有利于一级控制系统以最优的风机转速控制风机运行，提高设备运行的经济性；4.用于开发更高性能的气体冷却喷嘴，并进行可靠的实验测试。
图1是气体喷嘴冷却性能的测量系统的原理图。图2是多台热像仪同时测量时的设备安装图。图3是单台热像仪测量时的设备安装图。图4是直接电加热的接线示意图。图5是金属丝/箔绕线式电加热的接线示意图。图中1-风机消音器；2-风机；3-第一蝶阀(手动蝶阀)；4-流量孔板；5-风箱；6-均流板；7-气体喷嘴；8-测量黑箱；9-热像仪观测孔；10-红外热像仪；11-交流电源；12-变压器；13-可控硅调压器；14-铜排线缆；15-电加热平板；16-放散器；17-电极； 18-观测孔盲板；19-标记用细金属丝；20-蛇形金属箔/丝；21-第二蝶阀。
具体实施方式
如图1所示，气体喷嘴冷却性能的测量系统，它由供风系统、气体喷嘴、电加热系统和测量系统组成；供风系统包括风机2、第一蝶阀3、流量孔板4、风箱5 ；风箱5的进风端由第一风管与风机2的输出口相连通，第一风管上设有第一蝶阀3和流量孔板4 ；风箱5的出风端(出风端面)设有气体喷嘴组，在第一蝶阀3与风机2的输出口之间的第一风管上连接第二风管，第二风管与放散器16相连通，第二风管上设有第二蝶阀21 ；电加热系统由变压器12、可控硅调压器13、铜排线缆14和电加热平板15组成；变压器的输入端与380V的交流电源11相连，变压器的输出端设有可控硅调压器13，可控硅调压器13的输出端由铜排线缆14与电加热平板15相连；电加热平板15位于气体喷嘴组与测量系统的测量黑箱的开口端之间；测量系统由测量黑箱与红外热像仪10组成；测量黑箱的一端为开口端并朝向电加热系统的电加热平板15，测量黑箱的另一端设有热像仪观测孔9，热像仪观测孔9外侧设有红外热像仪10。所述的风箱5内安装有均流板6，均流板6位于风箱5的进风端与出风端之间，均流板6为多孔板或格栅板，可使通入气体喷嘴7的空气流动更加均勻。所述的气体喷嘴组的气体喷嘴为窄缝喷嘴时，气体喷嘴组的气体喷嘴数量不少于 3个(一般采用3-20个)；若气体喷嘴组的气体喷嘴为圆口喷嘴，气体喷嘴组的气体喷嘴数量不少于7个(一般采用7-30个)。所述的热像仪观测孔9为1-4个(具体个数根据需要确定)。由于风机2在低负荷时容易发生喘振，因此在启动风机以及低流量时(流量^ 10 20%风机额定流量时)，需要打开旁路的第二蝶阀21 ；当风机流量增大至其额定流量(风机的额定流量，应为气体喷嘴在最大实验流速下，气体管道总流量的110 150% ) 的三分之一以上后(或参考风机厂家提供的P-V曲线，确定风机不会发生喘振的流量值)， 关闭旁路的第二蝶阀21。本实用新型以热平衡法为基本原则，将空气鼓入待测量的气体喷嘴，对电加热的平板进行冷却。待平板温度稳定，即系统达到热平衡后，测量加热电流和电压，作为此时气体喷嘴的冷却功率，并通过传热学Nu/Ren相似原则，换算为喷嘴在其他气体冷却介质或工况时的冷却功率。本实用新型提供的气体喷嘴冷却性能的测量方法，具体是以室温空气为冷却介质，通过一组喷嘴对电加热平板进行冷却热平衡实验，测得平板表面平均温度达到某个稳定值时的电加热功率，以此功率作为喷嘴在此状态下的冷却功率，并运用气体射流换热问题中较为公认的Martin理论作为不同工况间的基本相似准则，换算成实际工程应用中的工况下喷嘴的冷却能力。本实用新型所基于的Martin理论认为，针对垂直射流的圆形喷嘴阵列dW +)6]—。。5-V7 卜0.2277 厂W
Pr0'420.6/^/1 + 0.2(///1)-6)7/2000 彡 Re 彡 100，000，0. 004 彡 f 彡 0. 042 彡 H/D 彡 12式中，Nu为平板上气体的平均努赛尔数，Pr为气体的普朗特数，Re表示雷诺数， (衾滅稱歹丨撤一例棚寺難，f力-_车另励(輕循和 粘-嘴阵列总面积之比值)。若为出口处直接开圆孔的喷箱形式，需要用截面收缩系数ε来修正w，D，f:w' =Wls-D =D/^;f = f ε式中，W'表示收缩后的喷嘴处气流速度，D'表示收缩后的喷口直径，Γ表示收缩后的喷嘴阵列系数。对于平行狭缝阵列
P00O71 r ^u Λ -2 f 3/4, 2Re 2/3f0 (H/S) = [60+4(H/S_2)2r1/21500 彡 Re 彡 40，000，0. 008 彡 f 彡 2. 5f0 (H/S)1 彡 H/D 彡 40式中，f0表示窄缝喷嘴的阵列特征系数两种喷嘴的计算式中，雷诺数Re = wS/v，普朗特数ft· = ν/α其中H为喷嘴到固体表面的垂直距离(m)，D为圆喷嘴直径(m)，B为狭缝喷嘴宽度(m)，S为流动特征尺寸(圆喷嘴S = D，狭缝喷嘴S = 2B)，w为喷射速度(m/s)，ν为运动学粘度(m2/s)，α为气体的热扩散率(m2/s)，f为喷嘴阵列系数(即喷嘴的开口面积与喷嘴阵列总面积之比值)。努赛尔数Nu和气体与平板间的对流传热系数h之间有如下关系h = ，其中k为气体的导热系数(W/m. K)
S式中，h为对流传热系数，S表示流动特征尺寸。设进行该实验时空气的各项物性参数下标记为1，工程原型中使用的气体为2，则对于同一喷嘴组来说，存在以下相似关系
f )2/3 _ , ^ti ^0.42冷却功率1= H
β2 {W2VlJ其中定义ΔΤ = T平板-T气体通过测得在室温空气介质下的Ql (即通入空气的喷嘴的强制冷却功率)，即可按照上述公式，根据工程中所使用的气体的物性和实际温差△ T2，得到工程原型中气体的冷却能力Q2。下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步说明。本实用新型提供的方法是通过气体喷嘴与被其冷却的电加热平板之间热平衡的， 测量该状态下的喷嘴冷却功率，然后通过喷嘴在不同气体介质和工作状态下的换算公式， 得到在实际工程运行状态下，该喷嘴的冷却能力。本实验中温度设定值，由实验员根据工程原型中被冷却的热金属平板的温度范围、平板15的耐温能力以及红外热像仪10的最佳测量温度区间，综合考虑后确定。可仅取上述三者的交集区间的中间值，进行一组实验；如需要提高实验测量结果的可靠性，可在上述三个温度区间交集中，每隔约20°C 30°C取一温度设定点，反复进行多组实验，然后将多组实验结果进行曲线回归。实验中流量的设定值，应保证在此流量下，喷嘴处的雷诺数Re 与工程原型中的喷嘴工作时的Re基本一致(偏差范围不超过工程原型中Re的士20% )。气体喷嘴冷却性能的测量方法，它包括如下步骤第一步，气体喷嘴冷却性能的测量系统的准备气体喷嘴冷却性能的测量系统由供风系统、气体喷嘴、电加热系统和测量系统组成；供风系统包括风机消音器1、风机2、第一蝶阀3、流量孔板4、风箱5 ；风箱5的进风端由第一风管与风机2的输出口相连通，第一风管上设有第一蝶阀3和流量孔板4 ；风箱5的出风端设有气体喷嘴组，风箱5内安装有均流板6，均流板6位于风箱5的进风端与出风端之间，均流板6为多孔板或格栅板，可使通入气体喷嘴7的空气流动更加均勻；在第一蝶阀3与风机2的输出口之间的第一风管上连接一第二风管，第二风管与放散器16相连通即此外供风系统还有一支旁路通过第二蝶阀21 进入放散器16放散(气体放散口 )，第二风管上设有第二蝶阀21。所述的气体喷嘴组的气体喷嘴7为窄缝喷嘴时，气体喷嘴组的气体喷嘴数量不少于3个；若气体喷嘴组的气体喷嘴7为圆口喷嘴，气体喷嘴组的气体喷嘴数量不少于7个。电加热系统由交流电源11、变压器(降压器)12、可控硅调压器13、铜排线缆14和电加热平板(加热面板)15组成；变压器的输入端与380V的交流电源11相连，变压器的输出端设有可控硅调压器13，可控硅调压器13的输出端由铜排线缆14与电加热平板15相连；电加热平板15位于气体喷嘴组与测量系统的测量黑箱的开口端之间。 测量系统由测量黑箱与红外热像仪10组成；测量黑箱的一端为开口端并朝向电加热平板，测量黑箱的另一端设有热像仪观测孔9，热像仪观测孔9外侧设有红外热像仪 10。所述的热像仪观测孔9为1-4个。第二步，喷嘴冷却的空白实验，打开交流电源11，启动可控硅调压器13，将电压逐步调高，电流通过铜排线缆14和电加热平板15构成的加热回路，将电加热平板15加热； 电压上调时应循序渐进，每次上调幅度不超过当前电压值的10% (避免电压过调，以保护实验设备)，并且稳定在此加热功率至少40秒时间；若电加热平板15的厚度(厚度> 3 5mm)和面积较大(面积> 150000 200000mm2)，其热容和热惯性也较大，应适当延长温度稳定的时间，保证通过红外热像仪10观测到的电加热平板15的表面温度，在30秒内波动幅度维持此次实验设定值的3%以下；测量者通过红外热像仪10观测电加热平板15的表面温度变化，直到其电加热平板15的板面平均温度达到实验设定值；为了提高温度的测量精度，电加热平板15的板面平均温度的实验设定值应至少高于空气以及环境温度30°C以上，实验设定值上限值由电加热平板15的材质耐温程度以及红外热像仪量程确定；电加热平板15稳定在温度设定值后，测量整个加热回路的电流和电压值；其中电压值可以通过可控硅调压器13自带的电压表测得，电流值可以使用钳形表电流计测得；重复测量电流电压值超过3次，2次间隔不少于5min，将每次电流值Itl和电压值Vtl记录下来，其乘积的平均值 P0(即平均加热功率)作为无喷嘴强制冷却时的系统散热量。第三步，先关电加热系统，启动供风系统；在气体喷嘴冷却性能的测量系统使用之前，需要首先启动供风系统，并采集风箱5的流量数据；由于风机2在低负荷时容易发生喘振，因此在启动风机以及低流量时(流量< 10 20%风机额定流量时)，需要打开旁路的第二蝶阀21 ；当风机流量增大至其额定流量(风机的额定流量，应为喷嘴在最大实验流速下，气体管道总流量的110 150%)的三分之一以上后(或参考厂家提供的P-V曲线， 确定风机不会发生喘振的流量值)，关闭旁路的第二蝶阀21，逐渐加大主回路上的蝶阀3 的开度，直至流量孔板4测得的气体流量达到实验设定的气体流量(实验中空气流量的设定值，应保证在此流量下，喷嘴口处的雷诺数Re与工程原型中的喷嘴口的Re偏差不超过 ±20% )。测量实验中，空气在喷嘴处的流速W1 =流量孔板4测得的气体流量/喷嘴截面积； 此流速设定时需要保证其Re1 = W1S1A1的范围在Martin理论的适用范围内，即对于窄缝喷嘴Re1在1500 40000，对于圆口喷嘴Re1为2000 100000，Re1空气在喷嘴处的雷诺数， S1表示喷嘴的流动特征尺寸。同时为了保证流量孔板4的测量精度，喷嘴处气流速度不宜低于lOm/s。窄缝喷嘴组，其喷嘴数量不少于3个；若为圆口喷嘴，其数量不少于7个。第四步，电加热平板加热重复第二步的步骤，启动电加热系统，但温度测量值稳定时间应超过5min。此时测得的加热功率记为P1 (将每次电流值I1和电压值V1记录下来， 其乘积的平均值为P1)。第五步，空气冷却功率的测量扣除掉气体喷嘴冷却性能的测量系统本身在此电加热平板温度下的散热量，即为通入空气的喷嘴的强制冷却功率，记为A = P1-P00第六步，喷嘴冷却功率的换算工程实际运行状态下的喷嘴冷却能力记为％，则
、2/3Q2=Qv' “ V
Yl2 2 X - χ - XΡΓ2Iv2;1Vpr1J 其中W1为测量系统中空气在喷嘴处的流速(通过流量/喷口截面积计算得到)，V1
7为空气的运动粘度，△ T1为电加热平板与喷嘴处空气的温差，Ic1为空气在实验温度下的导热系数(可查传热手册的气体物性表得到)，Pr1为空气的普朗特数(可查传热手册的气体物性表得到)；w2为工程原型中气体的流速(工程原型中使用的气体通常为纯氮气，氮气与氢气混合气，纯氢气，或氮气与氨气混合气等)，V2为工程原型中气体介质的运动粘度，AT2 为被冷却的电加热平板表面与喷嘴处气体的温差，k2为工程原型中气体的导热系数，Pr2为工程原型中气体介质的普朗特数。查阅传热手册时，气体的定性温度一般为喷嘴出口处气温与加热平板表面温度的平均值。特别注意的是，若工程原型中的混合气体，在其工作温度区间内会发生化学反应或有相变，则不可采用本实用新型所述的方法进行测量。下面简述气体喷嘴冷却性能的测量系统的安装方法。由于红外热像仪(热像仪)10的视野范围有限，在被测的电加热平板面积较大时 (能测量的面积，由热像仪镜头的视野范围决定)，一台热像仪可能无法覆盖整个电加热平板区域的温度测量。为此，可以采取两种解决方案。当有多台热像仪时，采取如图2的方式， 在测量黑箱8上开多个热像仪观测孔(观测孔)9 (通常不超过4个)，架设多台热像仪10 同时测量，然后将所有热像仪10的热成像照片传回电脑，进行实时拼接。当仅有一台热像仪10时，可采取如图3的方式，开多个观测孔9 (通常不超过4个)，每次测量时，先用观测孔盲板18封闭暂时不用的观测孔，以避免外部空间对热成像造成影响。然后在同一稳定的测量状态下，用同一台热像仪分次测量，再将每次的热成像照片进行拼接。为了拼接图像的方便，需要在电加热平板或者热成像照片上做标记，但是普通的标记无法在红外热成像照片上面得到投影，因此可在测量黑箱8内部，贴近电加热平板15处，沿横向与纵向拉上数根标记用细金属丝19 (一般选用直径在Imm以下的细钢丝)，由于金属丝温度比电加热平板温度低，会在红外照片上形成一道细长的暗色线条，作为红外热成像照片拼接的标记线。电加热平板的直接加热方式有两种，一种是平板本身作为导体通电发热，另一种是在电加热平板中安装导体通电发热。如图4所示的方式，是将电加热平板15本身作为导体，夹持在电极17之间，直接通电发热的方式。电加热平板选择电阻较大的金属材质，不可选铝、铜等电阻率小的金属，以免电压加热功率集中在外部导线铜排14上。此种加热方式的平板表面上限温度较高，例如采用耐热不锈钢板，最高表面温度可达到500 600°C (空气中)，但由于材质内部的组织均勻性等问题，电加热平板表面的温度均勻性较差，表面温差会超过10°C，严重的可能达到50°C。若电加热平板最高表面温度低于250°C时，可选择如图5的加热方式，选择耐热绝缘有机材料(如高温硅胶)作为平板材料，在平板内部用铝或铜金属箔/丝，以蛇形盘绕方式覆盖平板的全部面积。这种方式的温度均勻性好，一般可保证电加热平板各处的温度偏差在5°C以内，电加热功率最高可达4W/cm2。应用实例1 若原型工程中采用50°C的纯氮气，喷嘴处气流速度W2 = 30m/s，金属板表面温度为160-240°C，进行本实验测试时的空气温度为20°C时步骤1 由于平板温度低于250°C，宜选用如图5的电加热方式；步骤2 若只进行一组实验，电加热平板15的设定温度优选200°C ；若进行多组实验，可选择设定温度在160°C、180°C、200°C、220°C、240°C分别进行实验测试。步骤3:以只进行一组实验，平板15的温度设定值取200 °C为例。AT1 =2000C -200C= 180°C。空气的物理性质定性温度为(20°C +200°C )+2 = 110°C，查传热手册得空气的 V1 = 37. 90X 10_6m2/s，Pr1 = 0. 68, ^ = 0. 04038ff/m. °C。工程原型中，氮气的定性温度为(50°C +200°C ) +2 = 125°C，查传热手册，氮气的 V2 = 37. 66 X 10"6m2/s, Pr2 = 0. 684，k2 = 0. 03984ff/m. °C，则喷嘴实验时的气流速度设定值取W1 = W2Xv1A2 = 30. 19m/
So步骤4:首先进行空白实验，假设不启动供风系统时，平板达到热平衡时的加热电功率为AW。步骤5 然后进行冷却性能的测试。实际操作时，无法做到与温度和速度设定值精确匹配，一般以温度设定值为系统稳定的基准，假设此时实测的速度值W1为32m/s，加热电功率为50kW。步骤6 典型工况的功率换算。
工程原型中，实际工况下喷嘴的冷却能力A为
权利要求1.气体喷嘴冷却性能的测量系统，其特征在于它由供风系统、气体喷嘴、电加热系统和测量系统组成；供风系统包括风机O)、第一蝶阀(3)、流量孔板、风箱(5)；风箱(5)的进风端由第一风管与风机⑵的输出口相连通，第一风管上设有第一蝶阀⑶和流量孔板 (4)；风箱(5)的出风端设有气体喷嘴组；电加热系统由变压器(12)、可控硅调压器(13)、铜排线缆(14)和电加热平板(15) 组成；变压器的输入端与380V的交流电源(11)相连，变压器的输出端设有可控硅调压器 (13)，可控硅调压器(1 的输出端由铜排线缆(14)与电加热平板(1 相连；电加热平板 (15)位于气体喷嘴组与测量系统的测量黑箱的开口端之间；测量系统由测量黑箱与红外热像仪(10)组成；测量黑箱的一端为开口端并朝向电加热系统的电加热平板(15)，测量黑箱的另一端设有热像仪观测孔(9)，热像仪观测孔(9)外侧设有红外热像仪(10)。
2.根据权利要求1所述的气体喷嘴冷却性能的测量系统，其特征在于所述的风箱(5) 内安装有均流板(6)，均流板(6)位于风箱(5)的进风端与出风端之间，均流板(6)为多孔板或格栅板。
3.根据权利要求1所述的气体喷嘴冷却性能的测量系统，其特征在于所述的气体喷嘴组的气体喷嘴为窄缝喷嘴时，气体喷嘴组的气体喷嘴数量不少于3个；
4.根据权利要求1所述的气体喷嘴冷却性能的测量系统，其特征在于气体喷嘴组的气体喷嘴为圆口喷嘴，气体喷嘴组的气体喷嘴数量不少于7个。
5.根据权利要求1所述的气体喷嘴冷却性能的测量系统，其特征在于所述的热像仪观测孔(9)为1-4个。
6.根据权利要求1所述的气体喷嘴冷却性能的测量系统，其特征在于在第一蝶阀(3) 与风机O)的输出口之间的第一风管上连接第二风管，第二风管与放散器(16)相连通，第二风管上设有第二蝶阀01)。
专利摘要本实用新型属于冷轧金属板带热处理技术领域，尤其涉及热处理工艺中的气体喷嘴冷却性能的测量系统。气体喷嘴冷却性能的测量系统，其特征在于它由供风系统、气体喷嘴、电加热系统和测量系统组成；供风系统包括风机、第一蝶阀、流量孔板、风箱；风箱的出风端设有气体喷嘴组；电加热系统由变压器、可控硅调压器、铜排线缆和电加热平板组成；电加热平板位于气体喷嘴组与测量系统的测量黑箱的开口端之间；测量系统由测量黑箱与红外热像仪组成；测量黑箱的一端为开口端并朝向电加热系统的电加热平板，测量黑箱的另一端设有热像仪观测孔，热像仪观测孔外侧设有红外热像仪。该系统可对各种形式的气体喷嘴冷却性能进行离线测量，且操作简便，安全性好。
文档编号G01M13/00GK202210026SQ20112032425
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者伍成波, 廖慧 申请人:中冶南方(武汉)威仕工业炉有限公司