Устройство для определения толщины окалины

Полезная модель относится к металлургическому производству, машиностроению, строительной промышленности. Устройство для определения толщины окалины содержащее термоприемник, выполненный в форме цилиндра, сопряженного с шаром, из материала, нагреваемого в печи, образующая цилиндра и поверхность шара покрыты слоем теплоизоляции, и датчик температуры, размещенный в центре шара, дополнительно снабжено термопарой и блоком вычисления. Технический результат: повышение точности измерения теплового потока, возможность измерения толщины слоя окалины и скорости роста окалины.

Полезная модель относится к металлургическому производству, машиностроению, строительной промышленности.

Известен тепломер (Эстеркин Р.И. и др. Методы теплотехнических испытаний при сжигании газа. М., «Недра», 1972, с.108), содержащий термоприемник, охлаждаемый водой, и датчик разности температур по толщине термоприемника.

Недостатком тепломера является отсутствие возможности измерения фактического теплового потока.

Известно устройство для измерения теплового потока, преимущественно в печи периодического действия (Крылова Л.С., Бровкин Л.Л. Комплексный способ определения параметров внешнего теплообмена в печах. Сб. «Тепломассобмен в промышленных установках», Иванове, 1972, с.10), содержащее термоприемник с установленным в нем датчиком температуры.

Недостатком устройства является низкая точность измерения из-за моделирования только процесса внешнего теплообмена для нагреваемого в печи материала.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является «Устройство для измерения теплового потока», (Авторское свидетельство СССР 1089435. МПК G01K 17/00, 1984 г), принятое за прототип, содержащее термоприемиик с установленным в нем датчиком температуры, выполненный в форме цилиндра, сопряженного с шаром, из материала, нагреваемого в печи, образующая цилиндра и поверхность шара покрыты слоем теплоизоляции, а датчик температуры размещен в центре шара.

Недостаток устройства заключается отсутствии возможности учета влияния наличия окалины, измерения толщины слоя окалины и скорости роста окалины.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности измерения теплового потока, возможность измерения толщины слоя окалины и скорости роста окалины,

Технический результат достигается тем, что устройство для определения толщины окалины 1 содержащее термоприемник, выполненный в форме цилиндра, сопряженного с шаром, из материала, нагреваемого в печи, образующая цилиндра и поверхность шара покрыты слоем теплоизоляции, и датчик температуры, размещенный в центре тара дополнительно снабжено термопарой и блоком вычисления.

На чертеже схематично изображена конструкция устройства для определения толщины окалины.

Устройство для определения толщины окалины содержит термоприемник 1 в форме цилиндра, сопряженного с шаром, образующая цилиндра и поверхность шара покрыты слоем теплоизоляции 2, в центре шара размещен датчик температуры 3, так же устройство снабжено термопарой 4 и блоком вычисления 5, подключенным к датчику температуры 3 и термопаре 4.

Термоприемник 1 выполнен из материала, нагреваемого в печи, и имеет форму, обеспечивающую поправку на термическую массивность нагреваемого материала. Для этого физическая модель процесса нагрева материала представлена последовательностью двух процессов: тепловой проводимости, определяемой величиной , где - коэффициент теплопроводимости материала; - высота его цилиндрической части, и процесса аккумуляции тепла, определяемого величиной тепловой емкости С.

При таком представлении физической модели процесса нагрева конструкция термоприемника имеет вид теплопроводящего цилиндрического столбика высотой и шарообразного тела объемом V_ш.

Конструктивные размеры термоприемника находят следующим образом. Объем материала чермоприемника V принимают из юхнологических соображений; эффективную обогреваемую поверхность F_эф термоприемника определяют для принятого объема V из условия равенства расчетного геометрического размера для термоприемника 1 и навеваемого материала, при этом R_v для нагреваемого материала определяют по экспериментальным данным.

Высоту столбика находят из условия, что температура тепловоспринимающей поверхности термоприемника равна температуре поверхности материала, температура шара равна средней по массе температуре материала (т.е. выполнены условия моделирования внешнего и внутреннего теплообмена); в этом случае =0,553R, где R - толщина нагреваемого в печи материала.

Устройство для определения толщины окалины работает следующим образом. Устройство помещают в печь таким образом, что обогреваемая поверхность F_эф располагается заподлицо с обогреваемой поверхностью нагреваемого материала; датчиком температуры измеряют температуру в теле шара; термопарой измеряют температуру на поверхности нагреваемого материала.

За счет идентичности теплофизических свойств и условий внутреннего и внешнего теплообмена для термоприемника 1 и нагреваемого материала тепловой поток, поглощенный термоприемником , где - скорость роста температуры шара. К/с, равен тепловому потоку, поглощенному материалом.

Для расчета параметров окалины блоком вычисления 5 используется аналитическая формула теплопроводности для плоской стенки, выведенная на основе закона Фурье:

,где

q - тепловой поток, рассчитывается но формуле по известным геометрическим и теплофизическим параметрам устройства для определения толщины окалины и температуре t ₂;

- коэффициент теплопроводности материала;

Сначала с помощью данной формулы определяем расчетную температуру поверхности нагреваемого материала:

, где

t₁ - температура нагреваемого материала;

t₂ - температура в центре шара (термоприемника), измеряется термопарой.

Затем измеряется реальная температура на поверхности нагреваемого материала с помощью термопары и сравнивается с рассчитанной температурой - при совпадении их в пределах погрешностей приборов, можно считать, что окалины на поверхности нет или ее слой невелик и его влиянием на процесс нагрева можно пренебречь; если же температуры различаются больше, чем в пределах погрешностей приборов, следовательно на поверхности нагреваемого материала образовался слой окалины, толщину которого можно определить следующим способом:

, где

_ок - толщина слоя окалины;

t _ок -температура окалины (на поверхности навеваемого материала);

q - тепловой поток, рассчитывается по формуле по известным геометрическим и теплофизическим параметрам тепломера и температуре t₂;

_ок - коэффициент теплопроводности окалины, он отличается от коэффициента теплопроводности нагреваемого материала, но может быть найден по эмпирическим зависимостям для каждого конкретного материала (так как окалина - это оксид нагреваемого металла) в зависимости от его температуры t₁, которая известна, можно грубо принять коэффициент _ок равным коэффициенту теплопроводности исходного материала.

Таким образом, при наличии на поверхности нагреваемого материала окалины можно определить толщину ее слоя в любой момент времени, если же необходимо получить скорость роста этого слоя, то нужно продифференцировать найденную величину по времени. В результате нами получена возможность определения толщины слоя окалины или скорости его роста в реальном времени.

Применение предлагаемого устройства для определения толщины окалины позволяет улучшить качество нагрева материала, а так же повысить качество нагрева металла и экономичность печи. Использование предлагаемого устройства в системе управления нагревом материала позволяет уменьшить возможность его перегрева и как следствие потерь на производстве, обеспечить наиболее экономичный режим при требуемом качестве нагрева.

Устройство для определения толщины окалины, включающее термоприемник, выполненный в форме цилиндра, сопряженного с шаром, из материала, нагреваемого в печи, образующая цилиндра и поверхность шара покрыты слоем теплоизоляции, датчик температуры, размещенный в центре шара, термопару и блок вычисления.