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导波雷达液位计测量高温介质时散热器参数化设定

2019-08-22    

   导波雷达液位计是最近 10 年才发展起来的一种接触式液位测量仪表,它稳定可靠,测量精度高,安装方便,现场免维护;并且可以在高温、高压、强腐蚀、粉尘、防爆等各种复杂工况下使用,使用场合广泛;因为没有可动部件,无磨损,使用寿命长,天线结构简单,不用定期更换和校准;导波雷达液位计的测量精度不受温度、压力的影响,一致性和时间稳定性好。所以最近发展非常迅猛,是替代磁翻板液位计、电容式液位计、射频导纳液位计、磁致伸缩液位计的最佳选择。
  导波雷达液位计的工作原理是微波元件发射脉冲高频微波,微波脉冲沿着金属波导组件传播,遇到测量介质的介电常数发生突变,在突变界面微波会发生反射,一部分脉冲被反射回来。发射脉冲与反射脉冲的时间间隔与被测量液位的距离基本成正比关系。由于电磁波发射的速度已知,CPU 可以计算出发射与反射的时间,可以间接求出反应罐的空高值,因为反应罐的总高已知,从而可以得出反应罐的液位值。其数值可以在液晶屏上显现出来,也可以通过 485 或者 HART 等通讯协议在上位机或者在 DCS 里面显示和使用。
  在导波雷达液位计的结构设计中,有很多需要注意的关键环节,比如密封、EMC、防腐处理、耐压设计等等。其中,散热设计又是一个比较难以处理的问题。文章介绍了导波雷达液位计在高温反应罐中使用时的散热器的设计过程,利用热力学相关定律,计算出散热器的直径、厚度、长度比值,把公式带入Excel表格,设计参数化。可以方便得出不同温差,不同壁厚,不同长度的散热器需要的关键尺寸数值。以一个高温罐的散热器设计为例,简单讲解一下导波雷达的散热器设计原理及方法,最后把关键数值参数化,达到机械设计精细化的目的。
  工况描述及散热计算需求:
  如图 1 所示,高温反应罐内安装一台导波雷达液位计,反应罐外层包覆隔热层,导波雷达液位计散热器外面也包覆隔热层;反应罐内温度为 +400℃ , 导波雷达液位计安装法兰以上部分为散热器,变送器安装在散热器上;求:当变送器温度不高于 +65℃时,散热器的最小长度。其中,散热器材料为 ANSI 316 不锈钢,导热系数为 13.4W/m·k;散热器为中空的圆筒状结构,外径 16mm,单边壁厚 1.5mm。
图 1  导波雷达系统图
图 1  导波雷达系统图
计算分析:
 反应罐内部温度恒定,为已知条件 +400℃;导波雷达液位计因为有隔热层的存在进而也设定散热器不会受到来自罐体的热辐射和空气对流的影响,所以散热器设计只考虑自身的散热。在散热的 3 个因素中。热对流损失的热量很少,为了简化计算,忽略不计;因为散热器的表面积小,外面有隔热层,所以热辐射相对于散热的贡献很少也忽略不记;去除了两个散热因素,所以计算的值是恶劣情况下的工况,留有设计余量,符合设计的安全要求。
1、假设和建模:
 法 兰 A 以 下 , 散 热 器 与 罐 体 内 温 度 一 致, 都 为+400℃。法兰 A 以上部分 , 安装法兰与散热器接触,为典型热传导。因为不考虑散热器的热辐射和热对流,散热器中只发生传导散热,热量由安装法兰 A 处传到变送器。所以问题简化为一个直径 16mm,壁厚 1.5mm 的圆柱薄壳的散热问题。如图 1 所示,沿轴向 x 散热器将热量传导到变送器,沿径向 r 热量通过对流换热的形式散到环境中。
为了方便描述,散热器外径记为 D,壁厚记为 △ d,长度记为 L。x=0 处,为散热器与法兰连接 A 处,称为散热器始端。x=L 处,为散热器与变送器连接处 B,称为散热器终端。
图 2  散热器几何参数

图 2  散热器几何参数
 为了不使理论分析过分复杂,作以下简化假设:
1) 散热器的导热系数、环境温度以及表面传热系数均为常数。
2) 散热器为薄壳,因此假定散热器在径向的大温差远远小于外部的对流换热温度降,即散热器的温度只是方向 x 的函数。
3) 散热器终端的对流换热忽略不计,即把散热器终端视为绝热边界条件。
2、理论推导:
 下面,从基本的能量平衡出发推导散热器的导热微分方程式。在散热器的任意高度 x 处取微元段 dx,如图 3 所示。
图 3  在散热器的任意高度处取微元段
研究微元段的能量平衡,如图 4 所示。
图 4	散热器微元段导热分析
图 4 散热器微元段导热分析
左侧面传入的能量 = 右侧面传出的能量 + 对流换热散
出的能量
即 (1)
由文献 [1] 中,得到左侧面传入的能量
(2)
右侧面传出的能量
计算公式

由文献 [1] 中式,得到对流换热散出的能量
计算公式
3、实际计算:
  本工况中需要根据温度 T 的限制出散热器的长度 L。一个至于特定环境中的物体,如果没有特殊的冷却方式,它的较低温度只能是与环境温度相同。比如,当环境温度是 +30℃时,通过改变散热器长度只能是变送器的温度在 +30℃~ +65℃,而且从理论上讲在上述模型假设下,当散热器无限长时变送器的温度才会降到环境温度。所以在计算过程中必须先给定环境温度 ,才能确定变送器可以达到的温度范围,进而计算出散热器长度。下面对极限情况进行计算:
  在散热器端部温度一定时,环境温度越高,散热器散热效果越差,则需要更长的杆长来达到指定温度。当环境(6)    温度为 +65℃,使变送器温度也降到 +65℃时,计算得到散热器的长度即为极限长度,这个长度可以保证环境温度在+30℃~ +65℃范围内时,变送器温度始终不高于 +65℃。
由于在上述模型假设下,当散热器无限长时变送器温度才会降到环境温度。因此,设定环境温度无限逼近+65℃,在下面计算中,取环境温度 tw=64.999℃,变送器温度 tL=65℃。计算如下:
环境温度计算公式
所以,极限情况下,散热器长度为 814。39mm。以上计算,根据公式,均可在表 1 内完成。
可以把上述重要参数输入表格,很方便的计算出想要的结果。
4、结束语:
 综上所述, 采用参数化设计的导波雷达液位计的的散热器,可以使仪表在高温容器的液位测量中有了理论依据,使设计更加合理,可靠。减少了试验验证的次数和时间,加快了上市周期,节约了成本。此设计方法,经过几年的测试及现场使用,可靠性较好,取得了用户的一致好评,取得了良好的经济和社会效益。
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