一种大温差混合对流传热的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种大温差混合对流传热的试验装置及方法，包括高温油路循环系统，高温油路循环系统包括油桶以及加热器，油桶内充填有有机导热油；油桶的侧壁上及顶部分别设有出油口和进油口，加热器的入口通过第一热油泵、第一流量计与出油口连通，出口通过第二热油泵、第二流量计与进油口连通；还包括设置于油桶上用于将从进油口进入的导热油呈滴状抛洒至油桶中的导热油分布器、用于对油桶进行冷却的冷却系统以及用于对油桶内有机导热油温度分布进行测量的测温系统。本发明专利技术可实现对实际高炉炉缸内部铁水流动过程混合对流传热的相似试验，并可模拟铁水液滴滴落过程即不连续速度入口边界对内部流动传热的影响。

A Test Device and Method for Mixed Convection Heat Transfer with Large Temperature Difference

The invention discloses an experimental device and method for large temperature difference mixed convective heat transfer, including a high temperature oil circulation system, which comprises an oil barrel and a heater filled with organic heat conducting oil, an oil inlet and an oil inlet are respectively arranged on the side wall and the top part of the oil barrel, and the inlet of the heater is connected with the oil outlet through a first hot oil pump and a first flowmeter, and the outlet is connected with the oil outlet. The second hot oil pump and the second flowmeter are connected with the oil inlet, and the heat conducting oil distributor which is arranged on the oil barrel for dropping the heat conducting oil from the oil inlet into the oil barrel, the cooling system for cooling the oil barrel and the temperature measuring system for measuring the temperature distribution of the organic heat conducting oil in the oil barrel are also included. The invention can realize the similar test of mixed convective heat transfer in the actual flow process of molten iron in the hearth of blast furnace, and can simulate the effect of dropping process of molten iron, i.e. discontinuous velocity inlet boundary on internal flow and heat transfer.

【技术实现步骤摘要】
一种大温差混合对流传热的试验装置及方法
本专利技术属于冶金工业炉
，尤其涉及一种大温差混合对流传热的试验装置及方法。
技术介绍
在部分高耗能的冶金工业炉中，如闪速炉、炼铁高炉等，其炉内高温金属熔体通常首先呈液滴状散落至底部炉缸中，经过沉淀后从侧壁面流出[1-2]。为了维持炉形保护炉衬免受高温侵蚀，炉缸周围布置冷却水套，对炉衬进行冷却，希望在炉衬热面形成一层保护渣皮，将高温熔体与炉衬隔开，达到安全生产和延长炉衬使用寿命的目的[3]。炉内高温熔体在流动过程中与壁面交换热量，冷却水流速非常大，一般可达到1.5m/s，且与高温熔体之间存在巨大温差，使得近壁面区域高温熔体内部形成较大的温度梯度。金属熔体一般具有较高的热膨胀系数，当熔体内部出现较大的温度变化时其密度分布也会相应的变化，在重力作用下，熔体内部会产生较强的浮升力，形成较强的自然对流现象。特别是当高温熔体流速较慢时，浮升力的影响不容忽视，常见的如高炉炉缸内部流动传热过程中，高温铁水连续滴落进入底部炉缸，炉缸近壁面形成自然对流，产生二次流，反过来影响内部流体的温度分布，对炉衬渣皮的形成和侵蚀进程产生影响[4-5]。中国专利2016109082152公开了一种湍流混合对流传热实验装置，可在较大范围内对雷诺数和格拉晓夫数进行连续控制，可实现的格拉晓夫数达1013以上，雷诺数达105以上。同时，可实现基于粒子图像测速仪和热线传感器的三维稳态和动态流场参数实验测试，但是上述装置并不适用于大型工业炉内流动传热的研究。目前，针对大型工业炉内流动传热的研究常常忽略自然对流的影响，仅考虑强制对流作用。在为数不多的考虑混合对流传热的数值计算中也只是沿用小温差下的boussinesq假设来模拟自然对流过程中浮升力的影响[4-5]，其中最大的问题是无法对计算结果进行验证。部分学者采用水作为工质来模拟炉内熔体的流动过程，但是由于水的加热温度比较低，无法实现流动换热的研究[6]。而且，已有的实验研究中，没有考虑熔体散落的入口边界对流动传热的影响。自然对流和强制对流同时存在的流动传热过程称为混合对流传热过程[7]，为了进一步研究此类混合对流传热过程中两种对流传热方式的作用机制，并尽可能模拟熔体散落的离散边界特性，需要设计一种具有离散入口边界的高温混合对流装置，开展系列试验研究，丰富混合对流传热研究的基础理论，为工业炉内流动换热研究提供理论指导，以期在设计和生产应用中考虑混合对流传热的综合效果。[1]杨国才.闪速炼铜工艺、设备与控制[M]:冶金工业出版社，2010。[2]张福明，程树森.现代高炉长寿技术[M]:冶金工业出版社，2012。[3]贾美高.高炉炉缸内衬结构分析[J].炼铁,1994(6):38～42。[4]Bao-YuGuo,DanielMaldonado,PaulZulliandAi-BingYu.CFDModellingofLiquidMetalFlowandHeatTransferinBlastFurnaceHearth.ISIJInternational,2008,48(12):1676-1685。[5]K.M.Komiyama,B.Guo,H.Zughbi,P.Zulli,A.Yu,ImprovedCFDmodeltopredictflowandtemperaturedistributionsinablastfurnacehearth,MetallurgicalandMaterialsTransactionsB-ProcessMetallurgyandMaterialsProcessingScience,45(2014)1895-1914。[6]KouichirouShibata,YoshioKimura,MasakataShimizuetal.Dynamicsofdead-mancokeandhotmetalflowinablastfurnacehearth.IsijInternational，1990，30(3)：208-215。[7]张朝民,孟祥墉,陈闵叶.水平旋转圆管外混合对流的数值分析[J].工程热物理学报,1989,V10(3):310～312。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题在于提供一种大温差混合对流传热的试验装置，获得内流体内部温度分布，研究其自然对流和强制对流竞争机制以及浮升力对对流换热的影响，为工业炉内流动换热研究提供理论指导。本专利技术所要解决的第二个技术问题在于提供一种采用上述试验装置的大温差混合对流传热的方法。为解决上述第一个技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种大温差混合对流传热的试验装置，包括高温油路循环系统，所述高温油路循环系统包括油桶以及加热器，所述油桶内充填有用于模拟铁水的有机导热油；所述油桶的底部侧壁上及顶部分别设有出油口和进油口，所述加热器的入口通过第一热油泵与所述出油口连通，出口通过第二热油泵、第一流量计与所述进油口连通；所述试验装置还包括设置于油桶上用于将从进油口进入的导热油呈滴状抛洒至所述油桶中的导热油分布器、用于对油桶进行冷却以模拟冶金炉冷却条件的冷却系统以及用于对油桶内有机导热油温度分布进行测量的测温系统。进一步的，所述导热油分布器包括电机以及锥形布料器，所述锥形落料器可旋转的设置在所述油桶中，所述电机的转轴穿过所述油桶的顶盖与所述锥形布料器传动连接，所述锥形布料器的侧壁上均布有落料孔，与所述第二热油泵连通的进油管与所述锥形落料器的顶部开口对接。进一步的，所述冷却系统包括套设在所述油桶外的冷却水套，所述冷却水套的进水口和出水口分别与供水装置连通形成回路，所述回路上设有第二流量计和循环水泵。进一步的，所述测温系统包括沿所述油桶内周壁均布的若干组热电偶，每组热电偶包括从上到下间隔分布的多根热电偶。进一步的，所述第一流量计、第二流量计和热电偶的信号通过AI3170记录仪进行自动采集。进一步的，所述第一流量计以及第二流量计均采用量程为0～1m3/h的金属管浮子流量计。进一步的，所述油桶以及加热器内均设有液位计。进一步的，所述液位计采用磁翻板机械式液位计。进一步的，所述加热器以及油桶上均设有泄压阀。为解决上述第二个技术问题，本专利技术采用如下方案：一种大温差混合对流传热的方法，采用上述试验装置，与铁水的无量纲数格拉晓夫数以及雷诺数相匹配的高温导热油被第二热油泵从加热器抽吸出来后，通过油桶上方的导热油分布器喷洒落入油桶内一定液位高度的液面内部，桶内的高温热油从出油口流出，以模拟铁水液滴滴落及炉缸内部铁水流动过程，与此同时，通过冷却系统进行冷却，从而在油桶近壁面区域形成大温差自然对流，以模拟冶金炉内铁水冷却条件，通过测温系统对油桶内有机导热油温度分布进行测量，并对测量的温度数据进行分析，即可研究自然对流和强制对流竞争机制以及浮升力对对流换热的影响。上述测量数据还可以用于验证混合对流传热过程模拟计算的结果，寻找合适的浮升力计算模型，所得到的合适的浮升力计算模型可用于冶金炉内存在强烈自然对流的储存高温熔体的缸体，为缸壁侵蚀计算提供准确的温度数据。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术采用顶部入口，侧壁出口的热流体流动形式，与冶金炉炉缸内高温熔体流动形式一致；2、本专利技术采用二苄基甲苯导热油，可以在实验室内低成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大温差混合对流传热的试验装置，其特征在于：包括高温油路循环系统，所述高温油路循环系统包括油桶以及加热器，所述油桶内充填有用于模拟铁水的有机导热油；所述油桶的底部侧壁上及顶部分别设有出油口和进油口，所述加热器的入口通过第一热油泵、第一流量计与所述出油口连通，出口通过第二热油泵、第二流量计与所述进油口连通；所述试验装置还包括设置于油桶上用于将从进油口进入的导热油呈滴状抛洒至所述油桶中的导热油分布器、用于对油桶进行冷却以模拟冶金炉冷却条件的冷却系统以及用于对油桶内有机导热油温度分布进行测量的测温系统。

【技术特征摘要】
1.一种大温差混合对流传热的试验装置，其特征在于：包括高温油路循环系统，所述高温油路循环系统包括油桶以及加热器，所述油桶内充填有用于模拟铁水的有机导热油；所述油桶的底部侧壁上及顶部分别设有出油口和进油口，所述加热器的入口通过第一热油泵、第一流量计与所述出油口连通，出口通过第二热油泵、第二流量计与所述进油口连通；所述试验装置还包括设置于油桶上用于将从进油口进入的导热油呈滴状抛洒至所述油桶中的导热油分布器、用于对油桶进行冷却以模拟冶金炉冷却条件的冷却系统以及用于对油桶内有机导热油温度分布进行测量的测温系统。2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述导热油分布器包括电机以及锥形布料器，所述锥形落料器可旋转的设置在所述油桶中，所述电机的转轴穿过所述油桶的顶盖与所述锥形布料器传动连接，所述锥形布料器的侧壁上均布有落料孔，与所述第二热油泵连通的进油管与所述锥形落料器的顶部开口对接。3.根据权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于：所述冷却系统包括套设在所述油桶外的冷却水套，所述冷却水套的进水口和出水口分别与供水装置连通形成回路，所述回路上设有第二流量计和循环水泵。4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述测温系统包括沿所述油桶内周壁均布的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周萍，朱蓉甲，李佳玲，文哲希，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43