基于污垢热阻法的换热设备污垢的在线测量.docx

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基于污垢热阻法的换热设备污垢的在线测量

基于多功能动态实验装置的污垢厚度检测设计

摘要：

对多功能动态试验装置的污垢厚度的检测，可以得到污垢形成的规律，从而有效地抑制污垢的形成。

换热设备作为火电厂的重要设备之一，污垢的存在使传热能力下降，造成不必要的经济损失，通过对污垢的检测，掌握了热学法检测污垢的方法，提高换热设备的传热能力。

关键词：

污垢、热学法、多功能动态模拟实验装置

Abstract:

themultifunctionaldevicefordynamictestofdirt,cangetthicknessoffoulingformation,thuseffectivelyrestrainfoulingformation.Heatpowerequipmentasoneoftheimportantequipment,dirttotransferabilitytodrop,theeconomiclosscausedbyunnecessarytobilgedetectionandmasteredlearningmethodsofdetectingdirtheat,improvingtheheattransferheatexchangeequipment.

Keywords:

dirt,thermaldynamicsimulationexperimentmethod,multifunctionaldevice

一、引言

在我国，火力发电是电力工业的主要组成部分，火力发电量约占总发电量的70%左右，而换热器是火力发电厂的重要设备之一。

据调查，90%以上的换热设备都存在着不同程度的污垢问题。

污垢的存在使换热设备传热能力降低，截至流动阻力增大，由此造成一系列的经济损失，因此对污垢的监测就显得尤为重要。

二、背景知识

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。

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。

三、实验装置简介

如图所示的实验装置是东北电力大学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。

冷却水入口

出口

图3实验装置流程图

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

该实验装置上，需要检测和控制的参数主要有：

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

四、参数检测与控制

4.1温度测量

4.1.1流体进出口温度

由于实验装置的进出口管直径较小，采用体积较大的温度计会增加流动阻力，从而影响流速。

又因为所测量温度变化范围在20~80℃之间，温差较小，所以选用精度较高、结构简单、方便、体积小、灵敏度高的测温元件

热电偶具有构造简单、适用温度范围广、使用方便、承受热、机械冲击能力强以及响应速度快等特点，常用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合；但其信号输出灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。

所以选用热电阻温度计测量流体进出口温度。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜：

铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。

国内最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，它们的分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。

其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。

WZ系列工业用热电阻作为温度测量传感器,通常与温度变送器,调节器以及显示仪表等配套使用,组成过程控制系统,用以直接测量或控制各种生产过程中-200℃-500℃范围内的液体,蒸汽和气体介质以及固体表面的温度.

表1WZP型热电阻技术参数

型 号

分度号

测温范围

精度等级

允许误差

WZP

Pt100

-200-+500

A级

±0.15+0.002ltl

B级

±0.30+0.005ltl

图4WZP型热电阻

在使用过程中注意以下产生误差的可能性：

（1）通电发热误差。

由于电阻通电后会产生自升温现象，从而带来测量误差。

但可用传热条件好的温度计来尽可能减少。

（2）热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。

三线制接法可补偿连接导线的电阻引起的测量误差。

4.1.2实验管壁温测量

为了避免水浴对管壁温度测量的干扰，选用接触式隔热温度计-薄膜铂热电阻感温元件进行测量。

膜式铂电阻外型尺寸小、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。

CRZ铂金薄膜铂热电阻芯片是一个划时代温度传感器发展的产物。

采用最先进高科技方法，像激光喷镀，显微照相和平版印刷光刻技术。

而电阻值则以数字修整方式作出微调，因而能提供最精确的电阻值。

1：

技术性能描述

1.1产品性能符合IEC751-1995和JIS1604有关标准，

1.2温度系数R100／R0＝1.3851

1.3经过严格质捡并注明每只元件在摄氏0℃时的准确阻值。

1.4薄膜铂热元件用陶瓷和铂特制而成，在高温下能够保持优良的稳定性，适合在-50℃∽500℃的温度下使用。

1.5铂薄膜通过激光喷溅在陶瓷表层，因而薄膜铂热电阻元件具有良好的防振动和防冲击性能。

1.6薄膜表面覆盖以陶瓷，因此元件能够承受高电压并有良好的绝缘性。

1.7铂热电阻芯片除了提供PT100Ω的外，尚有PT500和PT1000Ω的元件。

1.8精度：

除了提供A级和B级外，尚有更精确的1／3B级供用户选用。

2：

CRZ系列产品规格

2.1温度使用范围：

-50℃∽500℃。

2.2精度：

A级，B级，尚有更精确的1／3B级。

2.3规定电流（mA）2mA（最大）

2.4引线材料：

钯金合金。

图5CRZ1632-100

在使用过程中注意以下产生误差的可能性：

（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。

4.1.3水浴温度测量

此实验装置要求测量水温并控制水浴温度保持恒定。

水浴温度是最容易测量的，用一个AD590不用经过复杂处理，就可直接得到电信号。

AD590是利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。

它精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。

该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。

即使电源在5～15V之间变化，其电流只是在1μA以下作微小变化。

它的主要特性如下：

1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

mA/K式中：

—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；

T—热力学温度，单位为K。

2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

4、输出电阻为710MW。

5、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

注意事项：

其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。

Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为10K×298μA=2.98V，

测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。

图6AD590温度传感器

4.2水位测量

因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，所以采用法兰式差压变送器测量水位，因为法兰式差压变送器可以测量黏稠、有沉淀、有腐蚀或易冻结的液体，所以选用法兰式差压变送器来测水位变化，并输出电信号经计算机处理，再输出控制信号控制步进式电机，带动阀门来控制水位。

差压式液位计是利用容器内的溶液改变时，液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。

其特性为：

检测元件在容器中几乎不占空间，只需在容器壁上开一个或两个孔即可；

检测元件只有一两个导压管，结构简单，安装方便，便于操作维护，工作可靠；

采用法兰式差压变送器可以解决高粘度、易凝固、易结晶、腐蚀性、含有悬浮物介质的液位测量问题；差压式液位计通用性强，可以用来测量液位，也可以用来测量压力和流量等参数。

表2EJA210A法兰安装式差压变送器

测量范围

-500~500kPa

（-2000~2000inH2O）

测量量程

5~500kPa

（20~2000inH2O）

精度

±0.075%

防护等级

IP67,NEMA4X,和JISC0920防浸型

防爆结构

FM,CENELECATEX,CSA

输出信号

4~20mADC或FOUNDATION?

现场总线,2线制数字通讯

电源电压

10.5~42VDC（本安型:

10.5~30VDC）

环境温度

-40~85℃（-40~185°F）（普通型）

-10~85℃（14~185°F）（高温型）

-30~80℃（-22~176°F）（带内藏显示表）

过程温度

-40~120℃（-40~248°F）（普通型）

-10~250℃（14~482°F）（高温型）

最大工作压力

法兰公称压力

安装

法兰安装

过程法兰尺寸

平法兰型:

3″（80mm）,2″（50mm）,11/2″（40mm）

凸法兰型:

4″（100mm）,3″（80mm）

高压侧膜片材质

SUS316L,哈氏合金C-276,钽

放大器材质

铸铝合金

图7EJA210A法兰安装式差压变送器

当差压变送器与容器之间安装隔离罐时，需要进行零点迁移。

由于差压式液位计测量受水、汽密度变化影响，需要采取补偿措施.常采用双室平衡容器。

法兰式差压变送器会有零点迁移现象，影响测量，使用前需进行调零。

4.3流量测量

由于管径为Φ25mm，很细不方便打孔放置体积大的阻滞部件，流量范围为0.5~4m3/h，流量较小但对精度要求高，又因为流体为易结垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢物质，且能够导电，所以选用电磁流量计测量流量。

电磁流量计可以测量各种腐蚀性介质：

酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液，无机械惯性，反应灵敏，可测流量范围大，可以测量脉动流量，切线性度好，测量精度高。

电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，即当导电液体流过电磁流量计时，导体液体中会产生与平均流速V（体积流量）成正比的电压，其感应电压信号通过两个与液体接触的电极检测，通过电缆传至放大器，然后转换成统一的输出信号。

基于电磁流量计的测量原理，要求流动的液体具有最低限度的电导率。

电磁流量计的主要特点：

1）电磁流量计的传感器结构简单，测量管内没有可动部件，也没有任何阻碍流体流动的节流部件。

所以当流体通过流量计时不会引起任何附加的压力损失，是流量计中运行能耗最低的流量仪表之一。

2）可测量赃污介质、腐蚀性介质及悬浊性液固两相流的流量。

这是由于仪表测量管内部无阻碍流动部件，与被测流体接触的只是测量管内衬和电极，其材料可根据被测流体的性质来选择。

例如，用聚三氟乙烯或聚四氟乙烯做内衬，可测量各种酸、碱、盐等腐蚀性介质；采用耐磨橡胶做内衬，就特别适合于测量带有固体颗粒的、磨损较大的矿浆、水泥浆等液固两相流以及各种带纤维液体和纸浆等悬浊液体。

3）电磁流量计是一种体积流量测量仪表，在测量过程中，它不受被测介质的温度、粘度、密度以电导率（在一定范围）的影响。

因此，电磁流量计只需经水标定后，就可心用来测量其它导电性液体的流量。

4）电磁流量计的输出只与被测介质的平均流速成正比，而与对称分布下的流动状态（层流或湍流）无关。

所以电磁流量计的量程范围极宽，其测量范围度可达100：

1，有的甚至达1000：

1的可运行流量范围。

5）电磁流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量瞬时脉动流量，也可测量正反两个方向的流量。

6）工业用电磁流量计的口径范围极宽，从几个毫米一直到几米，而且国内已有口径达3m的实流校验设备，为电磁流量计的应用和发展奠定了基础。

表3电磁流量计参数

仪表精度：

管道式0.5级、1.0级；插入式2.5级

测量介质：

电导率大于5μS/cm的各种液体和液固两相流体。

流速范围：

0.2～8m/s

工作压力：

1.6MPa

环境温度：

-40℃～+50℃

介质温度：

聚四氟乙烯衬里≤180℃

橡胶材质衬里：

≤65℃

防爆标志：

ExmibdⅡBT4

防爆证号：

GYB01349

外磁干扰：

≤400A/m

外壳防护：

一体化型：

IP65；

分离型：

传感器IP68（水下5米，仅限于橡胶衬里）转换器IP65

输出信号：

4～20mA.DC，负载电阻0～750Ω

通讯输出：

RS485或CAN总线

电气连接：

M20×1.5内螺纹，φ10电缆孔

电源电压：

90～220V.AC、24±10%V.DC

最大功耗：

≤10VA

图8JY-LDE型电磁流量计

电磁流量计目前仍然存在的主要不足如下：

1）电磁流量计不能用于测量气体、蒸气以及含有大量气体的液体．

2）电磁流量计目前还不能用来测量电导率很低的液体介质，被测液体介质的电导率不能低于10－5（S／cm），相当于蒸馏水的电导率．对石油制品或者有机溶剂等还无能为力。

3）由于测量管绝缘衬里材料受温度的限制，目前工业电磁流量计还不能测量高温高压流体。

4）电磁流量计受流速分布影响，在轴对称分布的条件下，流量信号与平均流速成正比．所以，电磁流量计前后也必须有一定长度的前后直管段．

5）电磁流量计易受外界电磁干扰的影响

4.4进出口差压测量

进出口的压力差可通过差压计来测量，差压计的两个输入端分别接在压力测量点3、7，输出值即为入口和出口压差。

压阻式差压传感器灵敏度高，阻值大，响应快，精度高，工作可靠。

压阻式压力计的工作原理是基于某些物质的压电效应。

某些物质（物体），如晶体硅、锗等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体的电阻率也发生了变化，这种现象叫压阻效应。

利用压阻效应原理生产的压力计，通过测量阻值的变化对应压力的变化。

扩散硅压力变送器通过温度传感器把温度信号变为电信号，再由前置放大器把此电信号放大滤波，送往CPU的A/D转换模块进行模拟量到数字量的变换。

最后由CPU进行数据处理并显示及PWM输出。

原理框图如下：

被侧介质---〉传感器---〉电子线路---〉输出信号

被测介质的压力直接作用于传感器的陶瓷/扩散硅膜片/上，使膜片产生与介质压力成正比的微小位移，正常工作状态下，膜片最大位移不大于0.025毫米，电子线路检测这一位移量后，即把这一位移量转换成对应于这一压力的标准工业测量信号。

超压时膜片直接贴到坚固的陶瓷基体/扩散硅上，由于膜片与基体的间隙只有0.1毫米，因此过压时膜片的最大位移只能是0.1毫米，所以从结构上保证了膜片不会产生过大变形，该传感器具有很好的稳定性和高可靠性。

图9ZR308扩散硅压力（差压）变送器

ZR208、308系列扩散硅压力变送器具有工作可靠、性能稳定、安装使用方便、体积小、重量轻、性能价格比高等点，能在各种正负压力测量中得到广泛应用。

扩散硅压力变送器采用进口扩散硅或陶瓷芯体作为压力检测元件，传感器信号经高性能电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号。

压力变送器可替代传统的远传压力表，霍尔元件、差动变送器，并具有DDZ-Ⅱ及DDZ-Ⅲ型变送器性能。

扩散硅压力变送器[2]能与各种型号的动圈式指示仪、数字压力表、电子电位差计配套使用，也能与各种自动调节系统或计算机系统配套使用。

表4扩散硅压力变送器参数

准确度

0.1%F·S0.25%F·S0.5%F·S

测量范围

-95KPa~35MPa间任选

测量介质

液体、气体、蒸汽

存贮温度

-40℃~125℃

使用温度

-10℃~80℃

防腐材料

316L不锈钢陶瓷聚四氟乙烯

温度影响

＜0.02%/℃

负载电阻

≤750Ω

过载能力

量程的1~2倍

机械保护

IP65

湿度

≤95%RH

输出

二线制4~20mADC

关联设备

EXZ231B型安全栅

重量

＜1Kg

零点温度系数

小于0.02%/℃

满程温度系数

小于0.02%/℃

电源电压

24VDC

防爆等级

iaⅡCT5

安装位置

无影响

注意事项：

由于弹性元件与应变片的线膨胀系数很难完全一致，d按它们又是相互粘贴在一起，所以温度发生变化时就会出现附加的应变，从而造成测量误差。

电阻应变片压力传感器要采用温度补偿措施。

五实验装置数据显示及控制

5.1现场数据显示

5.2Labview模拟软件显示及控制

5.3Labview后面板

六课程设计总结

经过不断地查找资料，让我积累了很多仪器仪表的基础知识，深刻的体会到检测仪表对现代工程建设的重要性。

仪器仪表的选型让我明白了不同情况下的不同仪表的选择，让我受益匪浅，进一步掌握了仪表的使用情况。

对同类型仪表性能的比较、选型，使我思考问题更加全面。

感谢在做课设的过程中给我提供帮助的老师和同学。

参考文献

[1]杨善让，徐志明.换热设备的污垢与对策.北京：

科学出版社，1995

[2]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.北京:

高等教育出版社，2002

[3]何希才.传感器及其应用实例.北京：

机械工业出版社，2004

[4]王建国.检测技术及仪表.北京:

中国电力出版社，2007

阻