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      導波雷達液位計測量高溫介質時散熱器參數化設定

      2020-06-21    

         導波雷達液位計是最近 10 年才發展起來的一種接觸式液位測量儀表,它穩定可靠,測量精度高,安裝方便,現場免維護;并且可以在高溫、高壓、強腐蝕、粉塵、防爆等各種復雜工況下使用,使用場合廣泛;因為沒有可動部件,無磨損,使用壽命長,天線結構簡單,不用定期更換和校準;導波雷達液位計的測量精度不受溫度、壓力的影響,一致性和時間穩定性好。所以最近發展非常迅猛,是替代磁翻板液位計、電容式液位計、射頻導納液位計、磁致伸縮液位計的最佳選擇。
        導波雷達液位計的工作原理是微波元件發射脈沖高頻微波,微波脈沖沿著金屬波導組件傳播,遇到測量介質的介電常數發生突變,在突變界面微波會發生反射,一部分脈沖被反射回來。發射脈沖與反射脈沖的時間間隔與被測量液位的距離基本成正比關系。由于電磁波發射的速度已知,CPU 可以計算出發射與反射的時間,可以間接求出反應罐的空高值,因為反應罐的總高已知,從而可以得出反應罐的液位值。其數值可以在液晶屏上顯現出來,也可以通過 485 或者 HART 等通訊協議在上位機或者在 DCS 里面顯示和使用。
        在導波雷達液位計的結構設計中,有很多需要注意的關鍵環節,比如密封、EMC、防腐處理、耐壓設計等等。其中,散熱設計又是一個比較難以處理的問題。文章介紹了導波雷達液位計在高溫反應罐中使用時的散熱器的設計過程,利用熱力學相關定律,計算出散熱器的直徑、厚度、長度比值,把公式帶入Excel表格,設計參數化??梢苑奖愕贸霾煌瑴夭?,不同壁厚,不同長度的散熱器需要的關鍵尺寸數值。以一個高溫罐的散熱器設計為例,簡單講解一下導波雷達的散熱器設計原理及方法,最后把關鍵數值參數化,達到機械設計精細化的目的。
        工況描述及散熱計算需求:
        如圖 1 所示,高溫反應罐內安裝一臺導波雷達液位計,反應罐外層包覆隔熱層,導波雷達液位計散熱器外面也包覆隔熱層;反應罐內溫度為 +400℃ , 導波雷達液位計安裝法蘭以上部分為散熱器,變送器安裝在散熱器上;求:當變送器溫度不高于 +65℃時,散熱器的最小長度。其中,散熱器材料為 ANSI 316 不銹鋼,導熱系數為 13.4W/m·k;散熱器為中空的圓筒狀結構,外徑 16mm,單邊壁厚 1.5mm。
      圖 1  導波雷達系統圖
      圖 1  導波雷達系統圖
      計算分析:
       反應罐內部溫度恒定,為已知條件 +400℃;導波雷達液位計因為有隔熱層的存在進而也設定散熱器不會受到來自罐體的熱輻射和空氣對流的影響,所以散熱器設計只考慮自身的散熱。在散熱的 3 個因素中。熱對流損失的熱量很少,為了簡化計算,忽略不計;因為散熱器的表面積小,外面有隔熱層,所以熱輻射相對于散熱的貢獻很少也忽略不記;去除了兩個散熱因素,所以計算的值是惡劣情況下的工況,留有設計余量,符合設計的安全要求。
      1、假設和建模:
       法 蘭 A 以 下 , 散 熱 器 與 罐 體 內 溫 度 一 致, 都 為+400℃。法蘭 A 以上部分 , 安裝法蘭與散熱器接觸,為典型熱傳導。因為不考慮散熱器的熱輻射和熱對流,散熱器中只發生傳導散熱,熱量由安裝法蘭 A 處傳到變送器。所以問題簡化為一個直徑 16mm,壁厚 1.5mm 的圓柱薄殼的散熱問題。如圖 1 所示,沿軸向 x 散熱器將熱量傳導到變送器,沿徑向 r 熱量通過對流換熱的形式散到環境中。
      為了方便描述,散熱器外徑記為 D,壁厚記為 △ d,長度記為 L。x=0 處,為散熱器與法蘭連接 A 處,稱為散熱器始端。x=L 處,為散熱器與變送器連接處 B,稱為散熱器終端。
      圖 2  散熱器幾何參數

      圖 2  散熱器幾何參數
       為了不使理論分析過分復雜,作以下簡化假設:
      1) 散熱器的導熱系數、環境溫度以及表面傳熱系數均為常數。
      2) 散熱器為薄殼,因此假定散熱器在徑向的大溫差遠遠小于外部的對流換熱溫度降,即散熱器的溫度只是方向 x 的函數。
      3) 散熱器終端的對流換熱忽略不計,即把散熱器終端視為絕熱邊界條件。
      2、理論推導:
       下面,從基本的能量平衡出發推導散熱器的導熱微分方程式。在散熱器的任意高度 x 處取微元段 dx,如圖 3 所示。
      圖 3  在散熱器的任意高度處取微元段
      研究微元段的能量平衡,如圖 4 所示。
      圖 4	散熱器微元段導熱分析
      圖 4 散熱器微元段導熱分析
      左側面傳入的能量 = 右側面傳出的能量 + 對流換熱散
      出的能量
      即 (1)
      由文獻 [1] 中,得到左側面傳入的能量
      (2)
      右側面傳出的能量
      計算公式

      由文獻 [1] 中式,得到對流換熱散出的能量
      計算公式
      3、實際計算:
        本工況中需要根據溫度 T 的限制出散熱器的長度 L。一個至于特定環境中的物體,如果沒有特殊的冷卻方式,它的較低溫度只能是與環境溫度相同。比如,當環境溫度是 +30℃時,通過改變散熱器長度只能是變送器的溫度在 +30℃~ +65℃,而且從理論上講在上述模型假設下,當散熱器無限長時變送器的溫度才會降到環境溫度。所以在計算過程中必須先給定環境溫度 ,才能確定變送器可以達到的溫度范圍,進而計算出散熱器長度。下面對極限情況進行計算:
        在散熱器端部溫度一定時,環境溫度越高,散熱器散熱效果越差,則需要更長的桿長來達到指定溫度。當環境(6)    溫度為 +65℃,使變送器溫度也降到 +65℃時,計算得到散熱器的長度即為極限長度,這個長度可以保證環境溫度在+30℃~ +65℃范圍內時,變送器溫度始終不高于 +65℃。
      由于在上述模型假設下,當散熱器無限長時變送器溫度才會降到環境溫度。因此,設定環境溫度無限逼近+65℃,在下面計算中,取環境溫度 tw=64.999℃,變送器溫度 tL=65℃。計算如下:
      環境溫度計算公式
      所以,極限情況下,散熱器長度為 814.39mm。以上計算,根據公式,均可在表 1 內完成。
      可以把上述重要參數輸入表格,很方便的計算出想要的結果。
      4、結束語:
       綜上所述, 采用參數化設計的導波雷達液位計的的散熱器,可以使儀表在高溫容器的液位測量中有了理論依據,使設計更加合理,可靠。減少了試驗驗證的次數和時間,加快了上市周期,節約了成本。此設計方法,經過幾年的測試及現場使用,可靠性較好,取得了用戶的一致好評,取得了良好的經濟和社會效益。
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