专利名称：气体喷嘴冷却性能的测量方法
技术领域：
本发明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，一种气体冷却装置的冷却性能实验测量方法，用于金属热处理工艺中气体冷却装置的研究开发领域。
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。
发明内容
本发明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方法，该方法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。本发明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方法，其特征在于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，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 ；第二步，喷嘴冷却的空白实验不启动供风系统，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；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(实验设定值，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、电加热平板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，可在上述温度区间的交集中，每隔20°C 30°C取一温度设定点，进行多组实验，然后将多组实验结果进行曲线回归)；电加热平板15稳定在温度的实验设定值后，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，电流值可以使用钳表电流计测得；重复测量电流电压值超过3次，两次间的间隔不少于5min，将每次电流值Itl和电压值Vtl记录下来，其乘积的平均值Ptl ( S卩加热功率) 作为无喷嘴强制冷却时的系统散热量；第三步，先关闭电加热系统，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的空气流量数据；逐渐加大主回路上的第一蝶阀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(实验设定的气体流量，应保证在此流量下，气体喷嘴处的雷诺数Re与工程原型中的喷嘴工作时的Re偏差在士20%以内)；测量实验中，空气在气体喷嘴处的流速W1 =流量孔板4测得的气体流量/气体喷嘴截面积；此流速设定时需要保证其Re1 =W1S1ZiV1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 IOOOOO^e1为气体喷嘴处的雷诺数，S1表示气体喷嘴的特征尺寸(窄缝喷嘴的S1等于2倍的窄缝宽度，圆口喷嘴的S1等于圆口直径)，ν工表示空气在实验温度下的运动粘度；同时为了保证流量孔板4的测量精度，气体喷嘴处气流速度不宜低于10m/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 ；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-Po ；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Q2=Qv
Yl2 2 X - χ - XΡΓ2Iv2;1Vpr1J其中W1为测量系统中空气在气体喷嘴处的流速(通过流量/喷口截面积计算得到)，V1为空气在实验温度下的运动粘度，AT1为电加热平板与喷嘴处空气的温差，1^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，氮气与氢气任意配比的混合气，纯氢气，或氮气与氨气任意配比的混合气等)，V2为工程原型中气体介质的运动粘度，△ T2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。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；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9为1-4个。
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所述的电加热平板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。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。本发明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/Re11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。与现有技术相比，本发明具有以下的主要有益效果1.该方法可在工程施工调试前，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，通过该方法，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。
具体实施例方式本发明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。本发明所基于的Martin理论认为，针对垂直射流的圆形喷嘴阵列
权利要求
1.气体喷嘴冷却性能的测量方法，其特征在于它包括如下步骤 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(2)的输出口相连通，第一风管上设有第一蝶阀C3)和流量孔板(4)；风箱(5)的出风端设有气体喷嘴组，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；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)；第二步，喷嘴冷却的空白实验不启动供风系统，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(1 加热；测量者通过红外热像仪(10)观测电加热平板(1 的表面温度变化，直到其电加热平板(1 的板面平均温度达到实验设定值；电加热平板(1 稳定在温度的实验设定值后，测量整个加热回路的电流和电压值；重复测量电流电压值超过C3)次，两次间的间隔不少于5min，将每次电流值Itl和电压值Vtl记录下来，其乘积的平均值Ptl作为无喷嘴强制冷却时的系统散热量；第三步，先关闭电加热系统，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)的空气流量数据；逐渐加大主回路上的第一蝶阀⑶的开度，直至流量孔板⑷测得的气体流量达到实验设定的气体流量；测量实验中，空气在气体喷嘴处的流速W1 =流量孔板(4)测得的气体流量/气体喷嘴截面积；此流速设定时需要保证其Re1 = W1S1/ ν工的范围在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 IOOOOO^e1为气体喷嘴处的雷诺数，S1表示气体喷嘴的特征尺寸，ν ！表示空气在实验温度下的运动粘度；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，此时测得的加热功率记为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-Po ；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( ，则其中W1为测量系统中空气在气体喷嘴处的流速，V i为空气在实验温度下的运动粘度， AT1为电加热平板与喷嘴处空气的温差A1为空气在实验温度下的导热系数，Pr1为空气的普朗特数;w2为工程原型中气体的流速，V2为工程原型中气体介质的运动粘度，ΔΤ2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。
2.根据权利要求1所述的气体喷嘴冷却性能的测量方法，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方法，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；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。
4.根据权利要求1所述的气体喷嘴冷却性能的测量方法，其特征在于所述的热像仪观测孔(9)为1-4个。
5.根据权利要求1所述的气体喷嘴冷却性能的测量方法，其特征在于所述的电加热平板(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(1 的材质耐温程度以及红外热像仪量程确定。
6.根据权利要求1所述的气体喷嘴冷却性能的测量方法，其特征在于所述的第二步中的实验设定值，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、电加热平板 (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，可在上述温度区间的交集中，每隔20°C 30°C取一温度设定点，进行多组实验，然后将多组实验结果进行曲线回归。
7.根据权利要求1所述的气体喷嘴冷却性能的测量方法，其特征在于所述的第三步中，气体喷嘴的特征尺寸为窄缝喷嘴的S1等于2倍的窄缝宽度，圆口喷嘴的S1等于圆口直径。
全文摘要
本发明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，一种气体冷却装置的冷却性能实验测量方法，用于金属热处理工艺中气体冷却装置的研究开发领域。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；第二步，打开电加热系统，不启动供风系统，进行喷嘴冷却的空白实验，待钢板温度稳定后，此时测得的加热功率记为P0；第三步，先关闭电加热系统，启动供风系统；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，此时测得的加热功率记为P1；第五步，空气冷却功率的测量；第六步，喷嘴冷却功率的换算。该方法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G01M13/00GK102359871SQ201110255200
公开日2012年2月22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