計(jì)量檢測用管式電阻爐溫度場均勻性的研究

章鐵軍

摘 要：計(jì)量檢測用管式電阻爐其在溫度計(jì)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(duì)這些設(shè)備進(jìn)行定值的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。在運(yùn)用管式爐進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)量檢測工作中，需對(duì)溫度場的均勻性給予高度重視，因其對(duì)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(duì)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(jì)量檢測用管式電阻爐其溫度場的均勻性進(jìn)行了研究分析。

關(guān)鍵詞：計(jì)量檢測 用管式電阻爐 溫度場均勻性

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

1 電阻爐簡介

電阻爐實(shí)質(zhì)上是一種利用電流流通電阻體所產(chǎn)生的熱量來對(duì)物料進(jìn)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(duì)爐料種類限制小等優(yōu)點(diǎn)，并且容易實(shí)現(xiàn)真空以及空氣氣體下的加熱等特點(diǎn)，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(jì)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(huì)用到電阻爐。

電阻爐主要由爐襯、爐殼和電熱體3個(gè)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(jìn)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(duì)電阻爐中的熱工過程進(jìn)行分析，需要對(duì)電阻爐進(jìn)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(diǎn)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(jì)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，不同的測試設(shè)備以及對(duì)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化的展開。現(xiàn)階段在進(jìn)行管式爐溫度場測試時(shí)多采用微差法以及多點(diǎn)測量法來進(jìn)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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶，然后待其進(jìn)行軸向移動(dòng)后，來對(duì)不同深度的溫度值進(jìn)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(jìn)行溫度場測試時(shí)的示意圖。

運(yùn)用該方法進(jìn)行測量時(shí)，首先在位于檢定爐軸0點(diǎn)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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶，然后在-5～5cm的范圍之內(nèi)開始移動(dòng)。設(shè)置爐溫保持在測試溫度點(diǎn)上，待爐溫的穩(wěn)定性等均達(dá)標(biāo)之后，對(duì)其移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶與固定標(biāo)準(zhǔn)偶的電動(dòng)勢差值進(jìn)行測量，其測量的順序呈現(xiàn)出遞增。并計(jì)算出在任一點(diǎn)上測試的4次熱電動(dòng)勢差值的算術(shù)平均值，然后換算出移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶在任意一點(diǎn)位置上相對(duì)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(yùn)用微差法來進(jìn)行溫度場的測試時(shí)，其具備有操作簡單的優(yōu)勢，并且只需要運(yùn)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(duì)于每一個(gè)位置點(diǎn)上的溫度測量不能同時(shí)開展，需要分時(shí)開展，需要較長的測試時(shí)間。同時(shí)，測量時(shí)需要對(duì)其中的一支熱電偶進(jìn)行移動(dòng)，十分容易引起溫度的擾動(dòng)。

2.2 多點(diǎn)測量法

所謂多點(diǎn)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(diǎn)測量法進(jìn)行溫度場測試時(shí)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(diǎn)，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(diǎn)位置的溫度值。然后以中心為基準(zhǔn)，分4次測試各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偶所得到的電動(dòng)勢值，并計(jì)算出4次測試值的算術(shù)平均值，接著將中心點(diǎn)位置的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測試到的4次熱電動(dòng)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(shí)間也極短，能夠節(jié)省一定的測試時(shí)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(duì)較高。因此該方法僅僅能夠用來進(jìn)行試驗(yàn)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(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)軟件群的概念之上，其需結(jié)合流動(dòng)物理的具體特點(diǎn)，來采取針對(duì)性的數(shù)值解法。通過該軟件來進(jìn)行管式爐溫度場的測量時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化的計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度目標(biāo)。FLUENT軟件主要運(yùn)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(shí)驗(yàn)研究方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)如下：第一，造價(jià)低。計(jì)算機(jī)操作能夠節(jié)省大量的人力資源，加之當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，其硬件成本也相對(duì)不高，這樣就能夠大量降低測試成本。第二，計(jì)算效率高。計(jì)算機(jī)借助設(shè)計(jì)好的程序來進(jìn)行相應(yīng)數(shù)值的計(jì)算，不僅準(zhǔn)確率高，且運(yùn)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(gè)完備的資料，進(jìn)而提供所需計(jì)算區(qū)域內(nèi)部的相關(guān)變量值，與實(shí)驗(yàn)室的測量情況不同，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠在計(jì)算中涉及各個(gè)因素。

在進(jìn)行數(shù)值求解的過程中，還需要按照以下步驟來進(jìn)行：第一，首先應(yīng)簡化處理實(shí)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(jìn)行替代，網(wǎng)格之中的節(jié)點(diǎn)對(duì)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(diǎn)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(yùn)用相應(yīng)計(jì)算辦法，來計(jì)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(dòng)態(tài)直觀地表達(dá)計(jì)算過程，從而便于工程師們進(jìn)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(jì)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(shí)，可以選用FIUENT軟件的DTRM模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的迭代計(jì)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(gè)默認(rèn)值的狀態(tài)下。第三，科學(xué)設(shè)置邊界條件。科學(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(shí)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(yùn)行時(shí)，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(gè)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(duì)其溫度場進(jìn)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(shí)際的施工過程中，分段控溫會(huì)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(yùn)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(shí)，測試時(shí)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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)溫差低于1℃這一要求。但是管式爐在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過載運(yùn)行的狀況，這也就導(dǎo)致了對(duì)運(yùn)行過程中的管式爐溫度場測量過程中，往往難以取得一個(gè)良好的測試效果。

5 結(jié)語

管式爐在運(yùn)行過程中，其溫度場的均勻性往往也直接影響到整個(gè)管式爐的使用質(zhì)量。但是在對(duì)其溫度場進(jìn)行檢測的過程中，經(jīng)常會(huì)受到過載運(yùn)行等各種因素的影響，并難以取得一個(gè)良好的檢測效果。這也就要求相關(guān)技術(shù)人員能夠加強(qiáng)對(duì)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(jì)及節(jié)能研究[D].陜西科技大學(xué)，2013.

[2] 王浩.計(jì)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(dòng)機(jī)燃燒室溫度場熱電偶動(dòng)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.