一种油垢热阻测量装置及油垢热阻计算方法与流程

本发明涉及一种油垢热阻测量装置及油垢热阻计算方法，属于热阻测量技术领域。

背景技术：

在燃油供应及润滑系统中涉及各种换热器，由于油垢的存在及随时间的积累影响传热系数，进而影响换热量，轻则导致油温偏差、泵耗加大、影响生产设备正常工作，重则导致金属超温、影响设备寿命、甚至引发严重事故。

油垢热阻测量有直接测量法和间接测量法。直接测量法即测量油垢厚度，然后根据油垢的导热系数来计算油垢热阻，具体方法有光学法、放射法、脉冲反射法等，但数据不理想、代价高；间接测量法常用传热系数法，目前的测量系统精度较差、数据稳定性不好、未充分考虑油速影响、过于复杂。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种依据传热学原理，可模拟水平管、弯管、垂直管工况，测量精度高的油垢热阻测量装置；

本发明还提供一种油垢热阻测量装置的油垢热阻计算方法，该法考虑了油速对油垢热阻测量精度的影响，并且可模拟水平管、弯管、垂直管工况，测量精度高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种油垢热阻测量装置，包括供油管，所述供油管的进油口与油泵的出油口相连，所述油泵的进油口与油冷器的出油口相连，所述油冷器的进油口与回油管的出油口相连，所述回油管进油口与所述供油管的出油口之间并联有上通道测量段和下通道测量段；

所述供油管上设置有过滤器和总调节阀；

所述回油管上设置有截止阀；

所述上通道测量段和下通道测量段均包括与所述总调节阀相连的分支调节阀，所述分支调节阀与入口管相连，所述入口管与流量计相连，所述流量计与l型弯管相连，所述l型弯管包括一体连接的水平段、弯管段和垂直段，所述水平段与所述流量计相连；

所述水平段、弯管段和垂直段均由内到外依次包括油管、保温层和保护层；所述水平段、弯管段和垂直段的油管中部均设置有加热器，所述加热器两端的所述水平段和垂直段的油管上均设置有热电偶和热电阻；

两所述垂直段均通过止回阀与回油管相连；

所述流量计、热电偶、加热器、热电阻、截止阀、油泵均与显示仪的控制器相连；所述显示仪上设置有液晶屏，所述液晶屏与所述控制器相连。液晶屏显示质量流量(kg/min)、油速c(m/s)、油垢热阻rx(m²℃/w)。

流量计测得的是体积流量，即流量计读数流量v，单位为l/min，本发明显示质量流量更有实用性，质量流量依据流量计的体积流量、油密度计算而来。

所述热电偶和热电阻布置在油管直径方向的两侧，即相同位置的所述热电偶和热电阻位置相对应。

热电偶插入油管内部，用于测量油温，热电偶采用东台鑫瑞仪表公司生产的铠装热电偶，型号wrpk，分度号s，测量范围0～1350℃，允许误差±0.5℃，外径2mm。

热电阻贴在油管表面，用于测量油管壁温，热电阻采用上海双旭薄膜型铜电阻，型号wzc，测量范围-50～150℃，允许误差±(0.30+0.006t)℃。

所述截止阀通过三通接头分别与所述上通道测量段和下通道测量段的止回阀连接。

所述总调节阀通过三通接头分别与所述上通道测量段和下通道测量段的分支调节阀相连。

所述供油管、回油管和油管均为dn25钢管。除水平段、弯管段、垂直段外，其他油管部分均不保温，供油管、回油管和油管组成一个过油通路。

所述保温层的材质为发泡聚氨酯。

所述油冷器为蛇形管式换热器，圆柱形，常压，所述蛇形管式换热器顶端设置有用于插入所述回油管的进油孔，所述油冷器内设置有冷水管，所述冷水管接自来水。

供油管从油冷器底部引出，配有油泵，过滤器，总调节阀，通过三通接头分别与上通道测量段、下通道测量段的分支调节阀连接。回油管配有截止阀，通过三通接头分别连接上通道测量段、下通道测量段的止回阀，最后进入油冷器的上部空间。在油冷器中，油被冷水管冷却降温。

所述流量计采用合肥仪表总厂生产的椭圆齿轮流量传感器，型号lc，远传，精度±0.5％，dn25，介质温度-20～80℃，最高承压1.6mpa。

加热器采用绝缘电热丝，缠绕在油管表面，由显示仪控制加热及测量电热功率。

油泵采用泉达泵阀制造有限公司生产的齿轮油泵，型号wcb-75p，不锈钢材质，流量75l/min，压头30m，电功率750w，工作油温不高于80℃。

截止阀采用上海泰通波纹管截止阀，-29～350℃，最高承压1.6mpa，口径25mm。

分支调节阀采用上海北四特t40柱塞式手动调节阀，-29～150℃，最高承压1.6mpa，口径25mm。

根据流量计读数及其后的热电偶读数，可得到油的质量流量；测量水平段的加热器的电热功率，油温升，油管外壁平均温度，可以计算出总热阻、对流换热热阻，由于导热热阻一定，最终计算出油垢热阻。弯管段、垂直段与水平段测量原理一样。

一种油垢热阻测量装置的油垢热阻计算方法，包括以下步骤：

以上通道测量段的水平段为例，上通道测量段的水平段的油垢热阻的计算方法为：

调整上通道测量段的水平段上的加热器的电流，控制加热器前后的油温升δt＝t2-t1，其中t2代表升温后的温度，其中t1代表升温前的温度，δt代表传热温差，δt不超过10℃，测出加热器的电热功率n；加热器前后的油管的管外壁温度分别由热电阻测量，分别为tw1、tw2，管外壁平均温度为tw，tw＝0.5(tw1+tw2)；此时水平段的对数平均温差为：

式(1)中，下标lm代表对数平均，δt代表传热温差，(δt)lm代表对数平均传热温差，简称对数平均温差，对数平均温差比算术平均温差更符合工程实际；

由于水平段的长度和加热面积a一定，故水平段的导热热阻r0一定，水平段的传热系数为k一定，则可以算出传热总热阻r：

式(2)中，r代表水平段的传热总热阻；n代表加热器的电热功率；rx代表油垢热阻；rα代表水平段的对流换热热阻；

从式(2)可知，只要算出r、rα，便可知道油垢热阻rx；r＝1/k；下面计算rα；

根据流量计读数流量v，单位为l/min，油管内径d，单位为mm，计算油速c，单位为m/s：

油平均温度t＝0.5(t1+t2)，根据t从油物性参数表查得油密度ρ，ρ单位为kg/l、导热系数λ、运动粘度、pr数；上通道测量段的通道流量m采用m＝ρv公式计算，m的单位为kg/min；根据已知数据可算出雷诺数re，采用下式(4)可算出努氏数nu：

nu＝0.023re^0.8pr^0.4(4)

由于nu＝αd/λ，其中，α代表对流换热系数；故对流换热热阻rα用下式(5)计算：

式(5)中，α代表对流换热系数；

最后可得，油垢热阻rx＝r-r0-rα。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

1.可在线测量油垢热阻，模拟水平管、弯管、垂直管工况，测量精度较高。

2.可采用实际油速或其它油速来测量油垢热阻，研究其随时间的变化规律。

3.选用精密传感器，多方面采取措施限制测量误差，测量方法得当。

4.在油垢热阻测量装置首次使用时，油垢热阻为0，可用来标定显示仪。

本测量装置及其方法可测量不同流速下水平管、弯管、垂直管的油垢热阻，可用来研究油垢热阻随时间的增加规律，由于测量方法得当，又采取了多种措施限制测量误差，因而油垢热阻测量精度比较高，可以满足热工设备的测量与控制需要。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中，1-分支调节阀；2-流量计；3-热电偶；4-水平段；5-垂直段；6-止回阀；7-加热器；8-弯管段；9-入口管；10-保护层；11-热电阻；12-过滤器；13-供油管；14-油泵；15-冷水管；16-截止阀；17-回油管；18-油冷器；19-显示仪；20-上通道按钮；21-下通道按钮；22-液晶屏；23-电源按钮；24-水平段按钮；25-弯管段按钮；26-垂直段按钮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1所示，一种油垢热阻测量装置，由供油管13、测量段(分上通道测量段和下通道测量段，对称布置)、回油管17、油冷器18、显示仪19组成。测量段包括分支调节阀1、入口管9、流量计2、水平段4、弯管段8、垂直段5以及止回阀6。

所述供油管13的进油口与油泵14的出油口相连，所述油泵14的进油口与油冷器18的出油口相连，所述油冷器18的进油口与回油管17的出油口相连，所述回油管17进油口与所述供油管13的出油口之间并联有上通道测量段和下通道测量段；

所述供油管13上设置有过滤器12和总调节阀；

所述回油管17上设置有截止阀16；

所述上通道测量段和下通道测量段均包括与所述总调节阀相连的分支调节阀1，所述分支调节阀1与入口管9相连，所述入口管9与流量计2相连，所述流量计2与l型弯管相连，所述l型弯管包括一体连接的水平段4、弯管段8和垂直段5，所述水平段4与所述流量计2相连；

所述水平段4、弯管段8和垂直段5均由内到外依次包括油管、保温层和保护层10；所述水平段4、弯管段8和垂直段5的油管中部均设置有加热器7，所述加热器7两端的所述水平段4和垂直段5的油管上均设置有热电偶3和热电阻11；

两所述垂直段5均通过止回阀6与回油管17相连；

显示仪19内设有控制器，流量计2、热电偶3、加热器7、热电阻11、截止阀16、油泵14均与控制器连接，显示仪19上还设有液晶屏22，液晶屏22与控制器连接。液晶屏22显示质量流量(kg/min)、油速(m/s)、油垢热阻(m²℃/w)。

供油管13从油冷器18底部引出，配有油泵14，过滤器12，总调节阀，通过三通接头分别与上通道测量段和下通道测量段的分支调节阀1连接。回油管17配有截止阀16，通过三通接头分别连接上通道测量段和下通道测量段的止回阀6，最后进入油冷器18的上部空间。在油冷器18中，油被冷水管15冷却降温。

所有油管均采用dn25钢管，除水平段4、弯管段8、垂直段5外，均不保温。入口管9左边接分支调节阀1，右边接流量计2。l型弯管由内到外是油管、发泡聚氨酯保温层和保护层10，水平段4从左到右依次为热电偶3、热电阻11、加热器7、热电偶3、热电阻11。

弯管段8有加热器7。

垂直段5结构与水平段4类似，从下到上依次为热电偶3、热电阻11、加热器7、热电偶3、热电阻11。为减少测量误差，热电阻11与热电偶3尽可能布置在油管直径方向的两侧，即位置最好对应。

位于水平段4右侧的热电偶3和热电阻11，以及垂直段5下方的热电偶3和热电阻11，分别还可用于弯管段8的测量。

热电偶3插入油管内部，用于测量油温，型号wrpk；

热电阻11贴在油管表面，用于测量油管壁温。

流量计2型号lc。

加热器7采用绝缘电热丝，缠绕在油管表面，由显示仪19控制加热及测量电热功率。

油泵14型号wcb-75p，不锈钢材质。

油冷器18为蛇形管式换热器，圆柱形，常压，上有进油孔、用于插入回油管17，冷水管15可接自来水。

截止阀16的耐受温度为-29～350℃，最高承压1.6mpa，口径25mm。

分支调节阀1的耐受温度为-29～150℃，最高承压1.6mpa，口径25mm。

本发明的工作过程及原理如下：

测量油管管壁油垢热阻时，上通道测量段油速控制在正常流速范围，即2～3m/s，下通道测量段油速较低，约1～1.5m/s。测量装置可同时测量上通道测量段和下通道测量段的水平段4、弯管段8及垂直段5的油垢热阻。

根据流量计2读数及其后的热电偶3读数，可得到油的质量流量；测量水平段4的加热器7的电热功率，油温升，油管外壁平均温度，可以计算出总热阻、对流换热热阻，由于导热热阻一定，最终计算出油垢热阻。弯管段8、垂直段5与水平段4的测量原理一样。

按下显示仪19的电源按钮23，总调节阀、截止阀16打开，油泵14启动，油路开始循环，冷水管15工作、流量计2工作，各温度传感器工作。按下上通道按钮20，液晶屏22显示“累计工作时间(h)、上通道质量流量(kg/min)、油速(m/s)”，可改变分支调节阀1开度调整油速；按下下通道按钮21，液晶屏22显示“累计工作时间、下通道质量流量(kg/min)、油速(m/s)”，可改变分支调节阀1开度调整油速。显示仪19不能同时显示上、下通道的数据。

在按下上通道按钮20的情况下，依次按下水平段按钮24、弯管段按钮25、垂直段按钮26，液晶屏22分别显示“水平段流速油垢热阻”、“水平段流速油垢热阻；弯管段流速油垢热阻”、“水平段流速油垢热阻；弯管段流速油垢热阻；垂直段流速油垢热阻”；回弹某个按钮，对应显示消失。下通道显示与上通道类似。

一种油垢热阻测量装置的油垢热阻计算方法，包括以下步骤：

以上通道测量段的水平段4为例，上通道测量段的水平段4的油垢热阻的计算方法为：

调整上通道测量段的水平段4上的加热器7的电流，控制加热器7前后的油温升δt＝t2-t1，其中t2代表升温后的温度，其中t1代表升温前的温度，δt代表传热温差，δt不超过10℃，测出加热器7的电热功率n；加热器7前后的油管的管外壁温度分别由热电阻11测量，分别为tw1、tw2，管外壁平均温度为tw，tw＝0.5(tw1+tw2)；此时水平段4的对数平均温差为：

式(1)中，下标lm代表对数平均，δt代表传热温差，(δt)lm代表对数平均传热温差，简称对数平均温差，对数平均温差比算术平均温差更符合工程实际；

由于水平段4的长度和加热面积a一定，故水平段4的导热热阻r0一定，水平段4的传热系数为k一定，则可以算出传热总热阻r：

式(2)中，r代表水平段4的传热总热阻；n代表加热器7的电热功率；rx代表油垢热阻；rα代表水平段4的对流换热热阻；

从式(2)可知，只要算出r、rα，便可知道油垢热阻rx；r＝1/k；下面计算rα；

根据流量计2读数流量v，单位为l/min，油管内径d，单位为mm，计算油速c，单位为m/s：

油平均温度t＝0.5(t1+t2)，根据t从油物性参数表查得油密度ρ，ρ单位为kg/l、导热系数λ、运动粘度、pr数；上通道测量段的通道流量m采用m＝ρv公式计算，m的单位为kg/min；根据已知数据可算出雷诺数re，采用下式(4)可算出努氏数nu：

nu＝0.023re^0.8pr^0.4(4)

由于nu＝αd/λ，其中，α代表对流换热系数；故对流换热热阻rα用下式(5)计算：

式(5)中，α代表对流换热系数；

最后可得，油垢热阻rx＝r-r0-rα。

本油垢热阻测量装置及油垢热阻计算方法，由于导热热阻较小，考虑了实际情况下的对流换热热阻，同时采用了高精度的温度传感器，因而测量精度比较高。在油垢热阻测量装置首次使用时，油垢热阻为0，可用来标定显示仪；或者，油垢热阻测量装置在使用较长时间后，彻底碱洗，此时油垢热阻可认为是0，可用来标定显示仪。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。