УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ 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 λ - коэффициент теплопроводимости материала; δ - высота его цилиндрической части, и процесса аккумуляции тепла, определяемого величиной тепловой емкости С.
ш
При таком представлении физической модели процесса нагрева конструкция термоприемника имеет вид теплопроводящего цилиндрического столбика высотой δ и шарообразного тела объемом V.
эф
v
Конструктивные размеры термоприемника находят следующим образом. Объем материала чермоприемника V принимают из юхнологических соображений; эффективную обогреваемую поверхность F термоприемника определяют для принятого объема V из условия равенства расчетного геометрического размера  для термоприемника 1 и навеваемого материала, при этом R для нагреваемого материала определяют по экспериментальным данным.
Высоту столбика δ 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 δ=0,553R, где R - толщина нагреваемого в печи материала.
эф
Устройство для определения толщины окалины работает следующим образом. Устройство помещают в печь таким образом, что обогреваемая поверхность F 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
2
q - тепловой поток, рассчитывается но формуле  по известным геометрическим и теплофизическим параметрам устройства для определения толщины окалины и температуре t;
λ - коэффициент теплопроводности материала;
Сначала с помощью данной формулы определяем расчетную температуру поверхности нагреваемого материала:
, где
1
t - температура нагреваемого материала;
2
t - 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
δ - толщина слоя окалины;
ок
t -температура окалины (на поверхности навеваемого материала);
2
q - тепловой поток, рассчитывается по формуле  по известным геометрическим и теплофизическим параметрам тепломера и температуре t;
ок
1
ок
λ - 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 t, которая известна, можно грубо принять коэффициент λ 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.