多功能动态模拟实验装置检测.docx
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多功能动态模拟实验装置检测
第1章绪论
1.1目的
针对“应用技术主导型”普通工科高等教育的特点，从工程创新的理念出发，以工程思维模式为主，旨在培养突出“实践能力、创新意识和创业精神”特色的、适应当前经济社会发展需要的“工程应用型人才”。
通过在模拟的实战环境中系统锻炼，使学生的学习能力、思维能力、动手能力、工程创新能力和承受挫折能力都得到综合提高。
以增强就业竞争力和工作适应力。
1.2课题背景与意义
换热设备污垢的形成过程是一个极其复杂的能量、质量和动量传递的物理化学过程，污垢的存在给广泛应用于各工业企业的换热设备造成极大的经济损失，因而污垢问题成为传热学界和工业界十分关注而又至今未能解决的难题之一。
按对沉积物的监测手段分有：
热学法和非传热量的污垢监测法热学法中又可分为热阻表示法和温差表示法两种；非传热量的污垢监测法又有直接称重法、厚度测量法、压降测量法、放射性技术、时间推移电影法、显微照相法、电解法和化学法。
这些监测方法中，对换热设备而言，最直接而且与换热设备性能联系最密切的莫过于热学法。
这里简单介绍污垢监测的热学法中的污垢热阻法。
1.3监测原理
按对沉积物的监测手段分有：
热学法和非传热量的污垢监测法。
热学法中又可分为热阻表示法和温差表示法两种；非传热量的污垢监测法又有直接称重法、厚度测量法、压降测量法、放射性技术、时间推移电影法、显微照相法、电解法和化学法。
这些监测方法中，对换热设备而言，最直接而且与换热设备性能联系最密切的莫过于热学法。
这里简单介绍污垢监测的热学法中的污垢热阻法。
表示换热面上污垢沉积量的特征参数有：
单位面积上的污垢沉积质量mf，污垢层平均厚度δf和污垢热阻Rf。
这三者之间的关系由下式表示：
（1）
通常测量污垢热阻的原理如下：
设传热过程是在热流密度q为常数情况下进行的，图1a为换热面两侧处于清洁状态下的温度分布，其总的传热热阻为：
（3）
图1b为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为
（4）
如果假定换热面上污垢的积聚对壁面与流体的对流传热系数影响不大，则可认为。
于是从式（4-4）减去式（3）得：
（5）
式（5）表明污垢热阻可以通过清洁状态和受污染状态下总传热系数的测量而间接测量出来。
实验研究或实际生产则常常要求测量局部污垢热阻，这可通过测量所要求部位的壁温表示。
为明晰起见，假定换热面只有一侧有污垢存在，则有：
（6）
（7）
若在结垢过程中，q、Tb均得持不变，且同样假定，则两式相减有：
（8）
这样，换热面有垢一侧的污垢热阻可以通过测量清洁状态和污染状态下的壁温和热流而被间接测量出来。
式中：
——单位面积上污垢沉积质量
——污垢沉积厚度
——结垢前管外介质与管壁的对流换热热阻
——管壁的导热热阻
——结垢前管壁与管内介质的对流换热热阻
——结垢前总的传热热阻
——结垢后总的传热热阻
——结垢后管外介质与管壁外污垢的对流换热热阻
——结垢后管壁外污垢的导热热阻
——结垢后管壁内污垢的导热热阻
——结垢后管壁内污垢与管内介质的对流换热热阻
——结垢前外管壁温度
——仅管内结垢后外管壁温度
——结垢前后管内表面温度
——热流密度:
单位面积的截面内单位时间通过的热量
1.4实验装置简介
如图1所示的实验装置是我校节能与测控研究中心杨善让教授为首的课题组基于测量新技术—软测量技术开发的多功能实验装置。
基于本实验装置，先后完成国家、东北电力公司、省、市多项科研项目并获奖，鉴定结论为国际领先。
目前承担国家自然科学基金、973项目部分实验工作。
图1.2多功能动态模拟实验装置外形图
本实验装置的模拟换热器是由恒温水浴作为热源加热实验管段（约2m），水浴温度由温控器、电加热管以及保温箱体构成。
水浴中平行放置两实验管，独自拥有补水箱和集水箱，构成两套独立的实验系统。
可以做平行样实验和对比实验。
为获取水处理药剂的效果、强化换热管的污垢特性、污垢状态下强化管的换热效果等等，管内流体一般为人工配制的易结垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢物质。
1-恒温槽体；2-试验管段；3-试验管入口压力；4-管段入口温度测点；5-管壁温度测点；6-管段出口温度测点；7-试验管出口压力；8-流量测量；9-集水箱；10-循环水泵；11-补水箱；12-电加热管
图1.3实验装置流程图
第2章被测参数及仪表选用
2.1本设计需要检测和控制的主要参数
1、温度：
包括实验管流体进口（20~40℃）、出口温度（20~80℃），
2、实验管壁温（20~80℃）以及水浴温度（20~80℃），
3、水位：
补水箱上位安装，距地面2m，其水位要求测量并控制，以适应不同流速的需要，水位变动范围200mm~500mm，
4、流量：
实验管内流体流量需要测量，管径Φ25mm，流量范围0.5~4m3/h，
5、差压：
由于结垢导致管内流动阻力增大，需要测量流动压降，范围为0~50mm水柱
2.2实验管流体进、出口温度测量
实验管流体进口（20~40℃）、出口温度（20~80℃）。
2.2.1检测方法设计以及依据
由上述实验装置可知，实验装置的进出口管直径较小，为Φ25mm，故不宜使用体积较大的温度计，否则会增加流动阻力影响流速。
而且，温度变化范围在20~80℃之间，水温变化较小，属于低温范围温度测量，所以需要选用精度较高的测温元件。
进出口温度可以用同种方法测量，这样可以在求温差时减小误差。
而热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，一般测量温度在-200——850℃。
热电阻是电阻性的元件，由金属制成如铂，镍，铜等，所选金属必须具有可以预测的电阻值随温度变化的特性，其物理性能要易于加工制造，电阻温度系数必须足够大，使其电阻随温度的改变易于准确测量。
其他的温度检测器件，如热电偶，并不能让设计人员有一种相当线性的电阻随温度变化特性，而热电阻这种线性度极好的电阻温度特性，大大简化了信号处理电路的设计制作。
因为铜电阻则易产生腐蚀，长期稳定性差；而镍电阻适用温度范围较窄；铂电阻具有最为精确、有可靠的温度电阻特性，对温度响应的线性度好，化学惰性，铂的电阻率高于其他的热电阻材料，在电阻值相同的情况要求用材少，适于对成本考虑较强，对热响应讲究的场合，而且铂热是阻的测量精确度是最高的，所以选用铂电阻进行测量。
铠装热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。
当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。
铠装铂电阻作为一种温度传感器，它比装配式铂电阻直径小，易弯曲，适宜安装在管道狭窄和要求快速反应、微型化等特殊场合。
其可对-200~600℃温度范围内的气体、液体介质和固体表面进行自动检测，并且可直接用铜导线和二次仪表相连接使用，由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、扫描器、数据记录仪以及电脑提供精确的输入值。
铠装电阻外保护管采用不锈钢，内充满高密度氧化物质绝缘体，因此它具有很强的抗污染和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。
图2.1WZPK-233U铠装薄膜铂热电阻
表2.1铠装薄膜铂热电阻外径安装固定装置标准尺
安装固定装置标准尺
铠装薄膜铂热电阻外径（d）
φ6
φ5
φ4
φ3
D
φ60
φ50
D0
φ42
φ36
D1
φ24
φ20
d0
φ9
φ7
S
22
19
有表2.1可知，本次设计中的管径为25mm,所以选用电阻外径为4m、5m、6m的热电阻都可以。
图2.2热电阻测量端结构图
2.2.2仪表种类选用以及设计依据
传感器采用WZPK-233S铠装Pt100热电阻，热电阻在环境温度为15—35摄氏度，相对湿度不大于80%，试验电压为10—100V（直流）电极与外套管之间的绝缘电阻>100MΩ。
固定卡套螺纹安装，接线盒形式为防水式，直径为3mm。
WZPK-233S参数：
品牌捷峰
分度号PT100
型号WZPK-130230430
测量范围-200-450（℃）
允差等级A
热响应时间≤5（s）
2.2.3测量注意事项
使用时应采用三线制连接方式以减少导线电阻对测温的影响；另外还要保持工作电源的稳定性，减少其对测量结果的影响；保护套管的截面积尺寸和材料保持一致；热电阻安装时,其插入深度不小于热电阻保护管外径的8倍～10倍,尽可能使热电阻受热部分增长；热电阻尽可能垂直安装,以防在高温下弯曲变形。
在数据处理时，由于利用热电阻进行温度测量时，容易产生温度误差，所以，我们要对管壁不同处多次测量求取平均值，以确保接近真实温度
2.2.3误差分析
（1）器件应用时的机械缺陷，如线材的弯曲，使用中不慎产生的冲击，器件受热膨胀时由于外壳的收缩所引起的应力，以及震动等，均会对传感器的测量重复性产生长周期的影响。
以上所述的机械应力会影响热电阻的稳定性，也会影响热电阻的精度。
（2）由于热电阻通电后会产生自升温现象，从而带来误差，并且该误差无法消除，故规定最大电流〈6mA。
2.3实验管壁温测量
实验管道在恒温水槽中，通过与水槽中的水进行热交换传热，壁温范围20~80℃。
2.3.1检测方法设计以及依据
因实验管壁与水浴是相互接触的，水浴温度一定会影响管壁温度，故管壁温度用一般的热电偶和热电阻都不易测量。
所以要想测出管壁温度就一定要避免水浴温度的干扰，使水浴与管壁测点隔离。
所以，可以选用一个接触式隔热温度计进行测量。
接触式测温中热电阻和热电偶比较适合，但热电偶冷端处理困难，且温差较小误差大。
用光刻技术技术制作一个薄片热电阻外层加上隔热层贴在管壁温度侧点上，三组值同时测量取平均值，以达到精确测温效果。
2.3.2仪表种类选用以及设计依据
膜式铂电阻是近年来发达国家的一种铂热电阻新技术，这种新型热电阻是有外型尺寸小、灵敏度高、响应快、绝缘性能好、稳定性好、耐震耐腐蚀使用寿命长等优点。
本设计选用供应薄片热电阻pt100热电wzp-231G，固定卡套螺纹式安装，接线盒形式为防水型，公称直径为2mm，测温范围：
-40℃—250℃，精度A级，其允许偏差如下表：
表2.2WZP-231的参数
名称
Name
分度号
Graduation
精度
Class
使用温度范围℃
Measuringrange℃
允差℃
Allowableerror℃
铂热电阻
PlatinumThermalResistance
Pt100
A
-40℃—250℃
±（0.15+0.002︱t︱）
B
±（0.3+0.005︱t︱）
它的特点是：
测温精度高；机械强度高，耐压性能好；进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定；毋须补偿导线，节省费用。
图2.3WZP-231G实物图
2.3.3测量注意事项
（1）水浴与管壁分开的面积太大，影响流体的流量及换热。
所以温度计的体积应尽可能小。
（2）外界环境变化会影响管壁温度，故使外界环境温度保持稳定。
（3）固定螺纹安装。
（4）由于热电阻与仪表之间一般都有一段较长的距离,因此两根连接导线的电阻随温度的变化,将同热电阻阻值的变化一起加在不平衡电桥的一个臂上,使测量产生较大的误差。
为减小这一误差,一般在测温热电阻与仪表连接时,采用三线制接法。
（5）测温元件经VPI浸漆前，将其锁紧螺帽套紧后，且将此装置固定于某处，避免因接头装置使测温元件引出线受力。
2.3.4误差分析
导热误差，传热误差，辐射误差以及水浴影响，另外由于冷端温度也会产生误差。
2.4水浴温度测量
模拟换热器中的水域是恒温的，温度范围是20℃~80℃，由于实验管内的流体会在该水域内换热，因此水域温度会变化。
为了保持水域温度恒定，需要有相关设备来控制。
水浴温度控制由温控器、
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