計量檢測用管式電阻爐溫度場均勻性的研究

章鐵軍

摘 要：計量檢測用管式電阻爐其在溫度計量檢測領(lǐng)域是一種非常重要的恒溫溫場提供設(shè)備，并主要應(yīng)用于熱電偶與熱電阻等多種溫度傳感器的校準(zhǔn)工作中，也是生產(chǎn)廠家對這些設(shè)備進行定值的一個關(guān)鍵設(shè)備。在運用管式爐進行相應(yīng)的計量檢測工作中，需對溫度場的均勻性給予高度重視，因其對于熱電偶和熱電阻等相關(guān)傳感器等產(chǎn)生的檢測結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，并對相應(yīng)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量有非常重要的影響。本文就計量檢測用管式電阻爐其溫度場的均勻性進行了研究分析。

關(guān)鍵詞：計量檢測 用管式電阻爐 溫度場均勻性

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0092-02

1 電阻爐簡介

電阻爐實質(zhì)上是一種利用電流流通電阻體所產(chǎn)生的熱量來對物料進行加熱或者融化的電爐形式。其具備有發(fā)熱部門簡單以及對爐料種類限制小等優(yōu)點，并且容易實現(xiàn)真空以及空氣氣體下的加熱等特點，因此在回火和退火等多種熱處理工作之中，都能見到電阻爐的身影。在計量檢測之中，熱電偶的退火、檢定和校準(zhǔn)等工作中也常常會用到電阻爐。

電阻爐主要由爐襯、爐殼和電熱體3個部分所構(gòu)成，其類型也比較多，按照加熱方式的不同，可以將電阻爐分為電熱電阻爐以及直接電熱電阻爐兩種形式，其中前者是借助于爐內(nèi)的電熱體或者導(dǎo)電液體而產(chǎn)生的熱量，并借助于相應(yīng)的傳熱過程來將熱量直接傳遞給需要被加熱的物料，并是現(xiàn)階段電阻爐的主要類型。而后者則是直接借助于物料本身所存在的電阻來進行發(fā)熱。此外，電阻爐還可以根據(jù)爐膛形狀的區(qū)別而將其分為箱式、豎井式以及直通式三大類型，一般將600℃～700℃作為低溫，將700℃～1200℃作為中溫，將1200℃以上的作為高溫電阻爐。為了對電阻爐中的熱工過程進行分析，需要對電阻爐進行適當(dāng)?shù)姆诸悺Ｒ话銖膫鳠徇^程的角度出發(fā)，將其劃分為輻射傳熱為主和傳導(dǎo)傳熱為主兩種類型。其中直接加熱電阻爐只要是將電能直接連接在加熱物料上面，并借助于該物料自身的電阻來產(chǎn)生熱能，而且其所產(chǎn)生的溫度與熱量也與該加熱物料的性質(zhì)有著很大的聯(lián)系。但是在直接加熱電阻爐的應(yīng)用過程中，其需要一定性質(zhì)的爐膛才能夠取得良好的加熱效果，但是該類型電阻爐的優(yōu)點在于能夠使得物體的加熱過程更加的均勻和較高，熱利用率也極高，升溫速率更是十分快速。然設(shè)計和制造該種類型的加熱電阻爐卻困難重重，這也就導(dǎo)致了其現(xiàn)階段難以在工業(yè)生產(chǎn)方面得到廣泛的應(yīng)用。而間接加熱電阻爐則需要借助于熱傳導(dǎo)以及輻射等方式來將熱能傳遞給加熱物料，但是其所使用的爐膛形狀不需要受到任何的限制，因此在我國的工業(yè)制造上也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

2 管式爐溫度場測試方法簡析

目前，測試管式爐溫度場的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)多參照《熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范》，然實際應(yīng)用時，不同的測試設(shè)備以及對于規(guī)程技術(shù)的理解也不盡相同，這直接影響了測試過程的規(guī)范性，也不利于計量標(biāo)準(zhǔn)化的展開?，F(xiàn)階段在進行管式爐溫度場測試時多采用微差法以及多點測量法來進行。

2.1 微差法

微差法是一種常見的溫度場測試方法，該測試方法是在爐膛之中直接插入固定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和含有長度標(biāo)志的移動標(biāo)準(zhǔn)偶，然后待其進行軸向移動后，來對不同深度的溫度值進行測量工作，并借此得到該爐膛內(nèi)溫度場的分布情況。圖1為微差法進行溫度場測試時的示意圖。

運用該方法進行測量時，首先在位于檢定爐軸0點的位置上，固定牢固標(biāo)準(zhǔn)偶端，接著在中心測試定位管中直接插入移動標(biāo)準(zhǔn)偶，然后在-5～5cm的范圍之內(nèi)開始移動。設(shè)置爐溫保持在測試溫度點上，待爐溫的穩(wěn)定性等均達(dá)標(biāo)之后，對其移動標(biāo)準(zhǔn)偶與固定標(biāo)準(zhǔn)偶的電動勢差值進行測量，其測量的順序呈現(xiàn)出遞增。并計算出在任一點上測試的4次熱電動勢差值的算術(shù)平均值，然后換算出移動標(biāo)準(zhǔn)偶在任意一點位置上相對于0的差值，該換算出來的溫度值即就是管式爐溫度場的分布狀況，運用微差法來進行溫度場的測試時，其具備有操作簡單的優(yōu)勢，并且只需要運用兩支標(biāo)準(zhǔn)熱電偶也就能夠完成相應(yīng)的測試。但是該測試方法也存在明顯缺陷，具體來說就是對于每一個位置點上的溫度測量不能同時開展，需要分時開展，需要較長的測試時間。同時，測量時需要對其中的一支熱電偶進行移動，十分容易引起溫度的擾動。

2.2 多點測量法

所謂多點測量法乃是捆扎多支標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶，使其成為一束，然后在爐膛之中的不同位置直接插入該熱電偶束。這樣一來，就能夠一次性的測量不同溫度下爐膛相應(yīng)位置的溫度值，最終求得爐膛內(nèi)部的溫度場分布。圖2為多點測量法進行溫度場測試時的示意圖。

如圖2所示，首先在直徑大約為4mm的鋼芯上面固定牢固9支熱電偶，接著選用定位塊來在管式爐的中心位置上支撐鋼芯。接著設(shè)置爐溫為測試需要的溫度點，待爐溫穩(wěn)定之后并達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，一次性測量上述9點位置的溫度值。然后以中心為基準(zhǔn)，分4次測試各個標(biāo)準(zhǔn)偶所得到的電動勢值，并計算出4次測試值的算術(shù)平均值，接著將中心點位置的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測試到的4次熱電動勢勢值測出，同樣求得其算術(shù)平均值，并將之前測試的算術(shù)平均值減去中心位置的算術(shù)平均值，然后換算出溫度即可得到該管式爐的溫度場分布狀況。該測量方法的定位比較精準(zhǔn)，測量時間也極短，能夠節(jié)省一定的測試時間，然在測試過程中需一次性應(yīng)用多支標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，成本相對較高。因此該方法僅僅能夠用來進行試驗的研究，難以得到有效的推廣。

3 FLUENT軟件在管式爐溫度差的測量

3.1 FLUENT軟件簡介

FLUENT軟件主要基于計算機流體動力學(xué)計算機軟件群的概念之上，其需結(jié)合流動物理的具體特點，來采取針對性的數(shù)值解法。通過該軟件來進行管式爐溫度場的測量時，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化的計算速度、穩(wěn)定性和精度目標(biāo)。FLUENT軟件主要運用的一種近似解法——數(shù)值解法，其僅僅只能解得求解區(qū)域內(nèi)部一些具有典型意義上未知量的近似值。相比較于傳統(tǒng)的實驗研究方法，該方法的優(yōu)點如下：第一，造價低。計算機操作能夠節(jié)省大量的人力資源，加之當(dāng)前計算機技術(shù)快速發(fā)展，其硬件成本也相對不高，這樣就能夠大量降低測試成本。第二，計算效率高。計算機借助設(shè)計好的程序來進行相應(yīng)數(shù)值的計算，不僅準(zhǔn)確率高，且運行速度極快。第三，資料完備。在求解數(shù)值的過程中，可以收集整理一個完備的資料，進而提供所需計算區(qū)域內(nèi)部的相關(guān)變量值，與實驗室的測量情況不同，運用計算機技術(shù)能夠在計算中涉及各個因素。

在進行數(shù)值求解的過程中，還需要按照以下步驟來進行：第一，首先應(yīng)簡化處理實際問題，并選用適宜的模型來構(gòu)建相應(yīng)的物理模型。第二，將之前物理問題之中的連續(xù)空間利用離散的網(wǎng)格來進行替代，網(wǎng)格之中的節(jié)點對應(yīng)的就是所需要求解的物理量的幾何位置。這種操作也可以稱之為區(qū)域的離散化。第三，應(yīng)依據(jù)相應(yīng)的原則，將節(jié)點之上的位置量和相鄰位置上的未知量之間的關(guān)系用相應(yīng)的代數(shù)式表達(dá)出來，以便于有效控制方程的離散化過程。第四，運用相應(yīng)計算辦法，來計算構(gòu)建起的代數(shù)方程式。第五，綜合分析最終的數(shù)值結(jié)算結(jié)果，然后借助軟件的三維展示功能，動態(tài)直觀地表達(dá)計算過程，從而便于工程師們進行下一步的分析。

3.2 幾何模型的建立以及網(wǎng)格的生成

第一，科學(xué)選擇計算模型。由于爐子多采用輻射換熱方式，結(jié)構(gòu)整體較為簡單。所以，具體求解時，可以選用FIUENT軟件的DTRM模型，從而實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的迭代計算。第二，科學(xué)定義物理性質(zhì)。爐膛內(nèi)部主要充斥的是空氣，因而相應(yīng)的物理特性也需要維持在一個默認(rèn)值的狀態(tài)下。第三，科學(xué)設(shè)置邊界條件?？茖W(xué)設(shè)置圓柱形壁面的邊界條件，由于測試管式爐的溫度場的時候，一般需要將最高的使用溫度控制在1000℃以下，并需要將壁面的溫度設(shè)置成1000℃，也就是1273K。接著需要科學(xué)設(shè)置左右爐口位置的邊界條件，主要原因在于管式爐運行時，左右兩邊的爐口需要利用保溫材料來封堵，這樣一來，爐口位置基本上處于一個絕熱面的狀態(tài)中，換言之，其熱流恒定為0。

4 管式爐溫度場均勻性的相關(guān)意見

管式爐可以借助于分段控溫、減少內(nèi)徑以及增加長度的方式，來對其溫度場進行改善，從而達(dá)到我國《熱電偶檢定爐溫度場測試技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)要求。在實際的施工過程中，分段控溫會使得操作變得非常復(fù)雜，小內(nèi)徑管式爐多用在檢測貴金屬熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶中，長管式則多應(yīng)用在長熱電偶檢測中。若要運用上述三種方案，都需要相應(yīng)的改造現(xiàn)有爐子的結(jié)構(gòu)，從而全面提升管式爐的溫度場指標(biāo)。此外，當(dāng)管式爐空載時，測試時其軸向溫度場從中心至一側(cè)的30mm范圍內(nèi)，最大溫差為0.62℃，并且均能夠達(dá)到兩點間溫差控制在1℃這一范圍，最大溫差可以達(dá)到2.26℃。但是在負(fù)載情況下進行溫度場測試，其軸向溫度場也就需要從中心至一側(cè)30mm范圍內(nèi)，最大的溫差能夠達(dá)到2.26℃。因此，無法達(dá)到任何兩點溫差低于1℃這一要求。但是管式爐在運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)過載運行的狀況，這也就導(dǎo)致了對運行過程中的管式爐溫度場測量過程中，往往難以取得一個良好的測試效果。

5 結(jié)語

管式爐在運行過程中，其溫度場的均勻性往往也直接影響到整個管式爐的使用質(zhì)量。但是在對其溫度場進行檢測的過程中，經(jīng)常會受到過載運行等各種因素的影響，并難以取得一個良好的檢測效果。這也就要求相關(guān)技術(shù)人員能夠加強對管式電阻爐溫度場均勻性的研究工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 竇丹.管式真空提純爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計及節(jié)能研究[D].陜西科技大學(xué)，2013.

[2] 王浩.計量檢測用管式電阻爐溫度場均勻性的研究[D].東北大學(xué)，2010.

[3] 唐文彬.某型渦槳發(fā)動機燃燒室溫度場熱電偶動態(tài)響應(yīng)規(guī)律的技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2013.