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传热实训实操作指导书
化工单元实训装置系列之
传热单元操作实训装置
实训操作指导书
杭州言实科技有限公司
2010.10
一：
前言
职业教育的根本是培养有较强实际动手能力和职业精神的技能型人才，而实训设备是培养这种能力的关键环节。
传统的实验设备更多是验证实验原理，缺乏对学生实际动手能力的培养，更无法实现生产现场的模拟，故障的发现，分析，处理能力等综合素质的培养。
为了实现职业技术人才的培养，必须建立现代化的实训基地，具有现代工厂情景的实训设备。
本传热实训装置把化工技术、自动化技术、网络通讯技术、数据处理等最新的成果揉合在了一起，实现了工厂模拟现场化、故障模拟、故障报警、网络采集、网络控制等培训任务。
按照“工学结合、校企合作”的人才培养模式，以典型的化工生产过程为载体，以液——液传质分离任务为导向，以岗位操作技能为目标，真正做到学中做、做中学，形成“教、学、做、训、考”一体化的教学模式。
以任务驱动、项目导向、学做合一的教学方法构建课程体系，开发设计传热操作技能训练装置。
本传热实训装置具有以下特点：
课程体系模块化；实训内容任务化；技能操作岗位化；安全操作规范化；考核方案标准化；职业素养文明化。
二、实训目的
1）了解换热器换热的原理、认识各种传热设备的结构和特点、了解流化床的工作流程；
2）认识传热装置流程及各传感检测的位置、作用，各显示仪表的作用等；
3）掌握传热设备的基本操作、调节方法、了解影响传热的主要影响因素；
4）掌握换热系数k计算方法及意义；
5）了解逆流、顺流对换热效果的影响；
6）了解档流板的作用及强化传热的途径；
7）学会做好开车前的准备工作；
8）正常开车，按要求操作调节到指定数值；
9）能正确使用设备、仪表，及时进行设备、仪器、仪表的维护与保养；
10）能掌握现代信息技术管理能力，应用计算机对现场数据进行采集、监控；
11）正确填写生产记录，及时分析各种数据；
12）正常停车；
13）了解掌握工业现场生产安全知识。
三、实训原理
本换热器性能测试实验装置，主要对应用较广的间壁式中的三种换热：
套管式换热器、板式换热器和列管式换热器进行其性能的测试。
其中，对套管式换热器、板式换热器和列管换热器可以进行顺流和逆流两种方式的性能测试。
换热器性能实验的内容主要为测定换热器的总传热系数，对数传热温差和热平衡误差等，并就不同换热器，不同量两种流动方式，不同工况的传热情况和性能进行比较和分析。
（一）数据计算
热流体放热量：
冷流体放热量：
平均换热量：
热平衡误差：
对数传热温差：
传热系数：
式中：
，
—热、冷流体的定压比热
，
—热，冷流体的质量流量
，
—热流体的进出口温度
，
—冷流体的进出口温度
F—换热器的换热面积
注：
热、冷流体的质量流量m1，m2是根据修正后的流量计体积流量读数V1，V2再换算成的质量流量值
（二）绘制热性能曲线，并作比较
（1）以传热系数为纵坐标，冷（热）流体流量为横坐标绘制传热性能曲线；
（2）对三种不同型式的换热器传热性能进行比较。
四、传热单元操作实训装置介绍
（一）装置介绍
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器的应用十分广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。
它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。
它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。
换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。
实验装置分为传热实训对象，仪表操作台，上位机监控计算机，监控数据采集软件，数据处理软件几部分。
传热实训对象包括两个冷风机、一个综合换热热风机、左列管换热器、右列管换热器、小列管换热器、综合换热装置、蒸汽发生器、蒸汽调节装置及管路、不宁性气体装置及管路、冷凝水排放系统及管路、冷却水系统、综合传热加热管装置、流量检测传感、压力检测传感、现场显示变送仪表等组成。
（二）换热器结构
1、套管式换热器
套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，并由U形弯头连接而成。
在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高的流速，故传热系数较大。
另外，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。
图1套管式换热器
套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便（可根据需要增减管段数目）。
特别是由于套管换热器同事具备传热系数大、传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程（例如操作压力为300MPa的高压聚乙烯生产过程）中所用的换热器几乎全部是套管式。
2、管壳式换热器（列管换热器）
管壳式（又称列管式）换热器是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。
在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
图2，列管换热器
为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流挡板。
折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。
常用的挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛。
图3流体的折流及折流挡板的形式
流体在管内每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。
为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成若干组。
这样，流体可每次只通过部分管子而往返管束多次，称为多管程。
同样，为提高管外流速，可在壳体内安装纵向挡板使流体多次通过壳体空间，称多壳程。
3、板式换热器
BR系列板式换热器是由固定压紧板、换热板片、密封胶垫、活动压紧板、法兰接管、上、下导杆、框架和压紧螺栓组成。
不锈钢板片组合结构管热板片采用进口不锈钢板压制成人子形波纹，使流体在板间流动时形成紊流提高换热效果，相邻板片的人字形波纹相互交叉形成大量触点，提高了板片组的刚度和承受较大压力的能力。
橡胶垫片利用双道密封结构并设有安全区和信号槽，使两种介质不会发生混淆。
结构图见图4所示：
图4板式换热器结构图
板式换热器的流程分为a片和b片两种：
a片是串联流程，有7块板为3个流程，每个流程均为一个通道，流体经过每一个通道及改变方向；b片是并联流程，有7块板，是但流程，冷、热流体分别流入平行的3个通道而形成一股流至出口。
板片的流程和通道数量应根据热力学和流体力学子算确定，通常采用分子式来表示，分子表示热流体的程数和通道数，分母表示冷流体的程数和通道数。
下图分别表示（3X1/3X1）、（1X3/1X3）；
（三）工艺流程
实训装置工艺流程如图5所示：
图5，传热单元操作实训装置流程图
1、实训设备配置
序号
符号
名称
1
TI101
列管换热器2冷流体进口温度
2
TI102
列管换热器2冷流体出口温度
3
TI103
列管换热器1冷流体进口温度
4
TI104
列管换热器1冷流体出口温度
5
TI201
综合换热器加热管出口温度
6
TI202
综合换热器热流体进口温度
7
TI303
综合换热器热流体出口温度
8
TI304
综合换热器冷流体进口温度
9
TI305
综合换热器冷流体出口温度
10
TI301
冷却器空气进口温度
11
TI302
冷却器空气出口温度
12
E101
列管换热器1
13
E102
列管换热器2
14
E103
冷却器
15
E104
综合换热加热器
16
E105
综合换热器板式换热器
17
E106
综合换热器列管换热器
18
E107
综合换热器套管换热器
19
FI101
列管换热器冷流体流量
20
FI201
综合换热热流体流量
21
FI301
综合换热冷流体流量
22
P101
列管换热冷流体风机3
23
P102
综合换热热流体风机2
24
P103
综合换热冷流体风机1
25
P104
冷却水泵
26
P105
空气压缩机
27
P106
蒸汽发生器
28
PI101
列管换热器2蒸汽压力
29
PI102
列管换热器1蒸汽压力
30
PI103
蒸汽包压力
31
D101
蒸汽包
32
PIC101
列管换热器2蒸汽压力控制
33
PIC102
列管换热器1蒸汽压力控制
34
FI101
列管换热冷流体流量
35
FI102
列管换热冷流体流量
36
FI201
综合换热热流体流量
37
FI301
综合换热冷流体流量
38
FI401
冷却水流量
39
FIC101
列管换热器冷流体流量控制
40
FIC301
综合换热冷流体流量控制
41
FIC401
冷却水流量控制
42
TI201
综合换热器加热管出口温度控制
43
VA001
综合换热冷流体风机出口旁路阀
44
VA002
综合换热冷流体风机出口流量调节阀
45
VA003
综合换热套管冷流体切换阀门
46
VA004
综合换热套管热流体切换阀门
47
VA005
综合换热套管冷流体切换阀门
48
VA006
综合换热套管热流体切换阀门
49
VA007
综合换热列管冷流体切换阀门
50
VA008
综合换热列管热流体切换阀门
51
VA009
综合换热列管冷流体切换阀门
52
VA010
综合换热列管热流体切换阀门
53
VA011
综合换热板式换热冷流体切换阀门
54
VA012
综合换热板式换热热流体切换阀门
55
VA013
综合换热板式换热冷流体切换阀门
56
VA014
综合换热板式换热热流体切换阀门
57
VA015
综合换热冷流体顺逆切换阀门
58
VA016
综合换热冷流体顺逆切换阀门
59
VA017
综合换热冷流体顺逆切换阀门
60
VA018
综合换热冷流体顺逆切换阀门
61
VA101
列管换热冷流体风机旁路阀
62
VA102
列管换热冷流体风机流量调节阀
63
VA103
列管换热器2冷流体进口阀门
64
VA104
列管换热器1冷流体进口阀门
65
VA105
列管换热器1冷流体进口旁路阀
66
VA201
列管换热器1蒸汽进口回路阀门
67
VA202
列管换热器1蒸汽进口回路电磁阀
68
VA203
列管换热器1蒸汽进口回路阀门
69
VA204
列管换热器1蒸汽进口回路电动阀
70
VA205
列管换热器1蒸汽进口回路阀门
71
VA206
列管换热器1蒸汽进口回路阀门
72
VA207
列管换热器2蒸汽进口回路阀门
73
VA208
列管换热器2蒸汽进口回路电磁阀
74
VA209
列管换热器2蒸汽进口回路阀门
75
VA210
列管换热器2蒸汽进口回路电动阀
76
VA211
列管换热器2蒸汽进口回路阀门
77
VA212
列管换热器2蒸汽进口回路阀门
78
VA213
列管换热器1冷凝水回路阀门
79
VA214
列管换热器1冷凝水回路疏水阀
80
VA215
列管换热器1冷凝水回路阀门
81
VA216
列管换热器1冷凝水回路阀门
82
VA217
列管换热器1冷凝水回路电磁阀
83
VA218
列管换热器1冷凝水回路阀门
84
VA219
列管换热器1冷凝水回路阀门
85
VA220
列管换热器1放空阀
86
VA221
列管换热器2冷凝水回路阀门
87
VA222
列管换热器2冷凝水回路疏水阀
88
VA223
列管换热器2冷凝水回路阀门
89
VA224
列管换热器2冷凝水回路阀门
90
VA225
列管换热器2冷凝水回路阀门
91
VA226
列管换热器2冷凝水回路电磁阀
92
VA227
列管换热器2冷凝水回路阀门
93
VA228
列管换热器2放空阀
94
VA229
列管换热器2冷流体出口阀
95
VA230
列管换热器1冷流体出口阀
96
VA231
蒸汽发生器出口阀
97
VA301
列管换热器2故障回路恒压定制调节阀
98
VA302
列管换热器2故障回路电磁阀
99
VA303
列管换热器2故障回路阀门
100
VA304
列管换热器2故障回路阀门
101
VA305
列管换热器2故障回路单向阀
102
VA306
列管换热器1故障回路阀门
103
VA307
列管换热器1故障回路恒压定制调节阀
104
VA308
列管换热器1故障回路电磁阀
105
VA309
列管换热器1故障回路阀门
106
VA310
列管换热器1故障回路单向阀
107
VA401
冷凝水泵进口阀
108
VA402
冷凝水泵出口阀
109
D102
水箱
2、仪表及控制系统一览表
位号
仪表用途
仪表位置
规格
执行器
PI01
列管换热器2蒸汽压力
就地
指针压力表，1.5级
电动阀
PI02
列管换热器1蒸汽压力
就地
指针压力表，1.5级
电动阀
PI03
蒸汽包蒸汽压力
就地
指针压力表，1.5级
无
PIC01
列管换热器2蒸汽压力
集中
压力传感器+智能仪表，1级
电动阀
PIC02
列管换热器1蒸汽压力
集中
压力传感器+智能仪表，1级
电动阀
TI101
列换换热器2冷流体进口温度显示
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
TI102
列换换热器2冷流体出口温度显示
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
TI103
列换换热器1冷流体进口温度显示
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
TI104
列换换热器1冷流体出口温度显示
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
TI201
综合换热器加热管出口温度显示控制
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
TI202
综合换热器热流体进口温度显示
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
TI301
冷却器空气进口温度
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
TI302
冷却器空气出口温度
集中
热电阻+智能仪表，1级
TI303
综合换热器热流体出口温度显示控制
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
TI304
综合换热器冷流体进口温度
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
TI305
综合换热器冷流体出口温度显示
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
TIC306
综合换热器冷流体温度显示控制
集中
热电阻+智能仪表，1级
无
FIC101
列管换热器冷流体流量显示控制
就地+集中
孔板+智能仪表，1级
无
FIC201
综合换热器热流体流量显示
就地+集中
孔板+智能仪表，1级
无
FIC301
综合换热冷流体流量显示控制
就地+集中
孔板+智能仪表，1级
无
FIC401
冷却水流量显示控制
就地+集中
孔板+智能仪表，1级
无
3、能耗一览表
1）能耗表
名称
流量
名称
流量
名称
额定功率
综合换热器冷流体风机流量
9~30m3/h
综合换热器热流体风机流量
9~30m3/h
综合换热冷流体风机
750W
综合换热热流体风机
750W
列管换热器冷流体风机流量
10~80m3/h
冷却水流量
300~1000L/h
列管换热器冷流体风机
750W
冷却水泵
370W
空气压缩器
1100W
蒸汽发生器
6000W
总计：
9.72KW
2）实训装置中换热器参数如下：
左换热器换热面积：
m2；右换热器换热面积：
m2；小换热器换热面积：
m2。
3）综合换热器面积：
（1）综合换热套管式换热器换热面积0.422m2
（2）综合换热板式换热器换热面积0.45m2
（3）综合列管式换热器换热面积0.6m2
4）仪表说明：
（1）巡检仪1：
1#通道：
1#列管换热器冷流体进口温度；2#通道：
1#列管换热器冷流体出口温度；3#通道：
2#列管换热器冷流体进口温度；4#通道：
2#列管换热器冷流体出口温度；5#通道：
3#列管换热器冷流体进口温度；6#通道：
3#列管换热器冷流体出口温度；
（2）巡检仪2：
1#通道：
综合换热器冷流体进口温度；2#通道：
综合换热器冷流体出口温度；3#通道：
综合换热器热流体进口温度；4#通道：
综合换热器热流体出口温度；5#通道：
1#列管蒸汽压力；6#通道：
2#列管蒸汽压力；
（3）巡检仪3：
1#通道：
1#列管蒸汽温度；2#通道：
2#列管蒸汽温度；3#通道：
综合换热热流体流量。
五、实训步骤
（一）开机准备
1）检查公用工程水电是否处于正常供应状态（水压、水位是否正常、电压、指示灯是否正常）；
2）熟悉设备工艺流程图，各个设备组成部件所在位置（如蒸汽发生器、空压机、疏水阀、列管换热器、套管换热器、板式换热器等）；
3）熟悉各取样点及温度、压力、流量、测量与控制点的位置
4）检查总电源的电压情况是否良好。
（二）正常开机
1、开启电源
1）在仪表操作盘台上，开启总电源开关，此时总电源指示灯亮；
2）开启仪表电源开关，此时仪表电源指示灯亮，且仪表上电。
2、开启计算机启动监控软件
1）打开计算机电源开关，启动计算机；
2）在桌面上点击“传热实训软件”，进入MCGS组态环境，如图6所示：
图6MCGS组态软件组态环境
3）点击菜单“文件\进入运行环境”或按“F5”进入运行环境，如图7所示，输入班级、姓名、学号后，按“确认”，进入图8界面，点击“传热单元操作实训”进入实训软件界面，如图9所示，监控软件就启动起来了。
图7监控软件登陆界面图8监控软件实训项目选择界面
图9传热单元操作实训软件界面
4）图9中，PV表示实际测量值、SV表示设定值、OP；“控制设置”将打开控制界面，如图8所示，可对控制的PID参数进行设置，一般不设置。
图10左换热器冷流体流量控制窗口
3、开启蒸汽发生器
1）检查蒸汽发生器液位的高度，液位高度应为玻璃液位计中间的位置；若液位过高则需打开发生器上的排空阀及发生器下的排污阀排放掉部分水；若液位不够，在当打开发生器电源时，发生器会进行自动加水。
2）打开发生器后的进水阀门，让自来水进入中间水箱（在发生器内部，有浮球阀进行液位自动控制）；
3）开启发生器电源：
在发生器前面板上，旋开开关，即开了蒸汽发生器电源，此时蒸汽发生器开始加热烧蒸汽，蒸汽发生器压力烧到0.4MPa时自动停止加热，蒸汽压力下降到0.3Mpa时启动加热；
4、开启1#列管换热器冷流体风机
1）检查管路各阀门：
打开阀VA002、VA105，关闭阀VA230、VA104；
2）在仪表操作台上，按下“1#列管冷流体风机电源”启动按钮，启动风机；
3）调整冷空气流量：
（1）手动：
通过调节阀门VA002，调节左换热器冷流体流量；
（2）自动：
在仪表操作台上“左换热器冷流体流量手自动控制仪”上设定冷流体设定值为50m3/h，控制仪自动控制设定的流量值；
5、检查1#换热器冷凝水管路
1）检查左换热器冷凝水管路各阀门：
打开阀VA213、VA215、VA219、，关闭阀VA216、VA218；
6、打开1#换热器蒸汽管路
1）检查1#换热器蒸汽管路各阀门：
打开阀VA231、VA203、VA205，关闭阀VA202、VA206,调节左换热器不宁性气体阀VA220大小；
2）在装置二层平台上调节相应的蒸汽调压阀，调节一定的蒸汽压力；
7、数据记录
1）调节不同的冷流体流量，稳定15分钟，记录冷流体流量、蒸汽压力、冷流体进出口温度；
2）调节不同的蒸汽压力，稳定15分钟，记录冷流体流量、蒸汽压力、冷流体进出口温度；
8、开启2#换热器冷流体风机
1）检查2#换热器管路各阀门：
打开阀VA102、VA103、VA229，关闭阀VA104；
2）在仪表操作台上，按下“2#列管冷流体风机电源”启动按钮，启动风机；
3）调整冷空气流量：
（1）手动：
通过调节阀门VA，调节2#换热器冷流体流量；
（2）自动：
在仪表操作台上“右换热器冷流体流量手自动控制仪”上设定冷流体设定值为50m3/h，控制仪自动控制设定的流量值；
9、检查2#换热器冷凝水管路
1）检查2#换热器冷凝水管路各阀门：
打开阀VA221、VA223、VA227，关闭阀VA224、VA225；
10、打开2#换热器蒸汽管路
1）检查右2#换热器蒸汽管路各阀门：
打开阀VA231、VA209、VA211，关闭阀VA208、VA212，调节右换热器不宁性气体阀门VA228大小；
2）在装置二层平台上调节相应的蒸汽调压阀，调节一定的蒸汽压力；
11、2#换热器数据记录
1）调节不同的冷流体流量，稳定15分钟，记录2#换热器冷流体流量、蒸汽压力、冷流体进出口温度；
2）调节不同的蒸汽压力，稳定15分钟，记录2#换热器冷流体流量、蒸汽压力、冷流体进出口温度；
12、冷却水系统开启
1）检查冷却水水箱里水的液位高低，液位过低，则打开自来水进水阀门，往水箱里加水；
2）检查冷缺水管路各阀门：
打开阀门VA401、VA402；
3）在仪表操作台上按下“冷凝水泵电源”启动动按钮，启动冷缺水泵电源；
13、综合换热实验
1）检查冷流体流量管路各阀门：
打开阀门VA002、VA230、VA016、VA018、板式换热器实验（VA014、VA011）[列管换热器实验（VA008、VA007）、套管换热器实验（VA005、VA003）]；关闭阀门VA015、VA017及其他换热器冷流体进出阀门（VA008、VA007、VA005、VA003）；
2）开启2#列管冷流体风机：
在仪表操作台上，按下“1#列管冷流体风机电源”启动按钮，启动风机；冷流体流量控制：
（1）手动：
通过调节阀门VA002，调节左换热器冷流体流量20m3/h；
（2）自动：
在仪表操作台上“1#列管冷流体流量手自动控制仪”上设定冷流体设定值为30m3/h，控制仪自动控制设定的流量值；
3）检查热流体流量管路各阀门：
打开板式换热器实验（VA013、VA012）[列管换热器实验时（VA009、VA010）、套管换热器实验时（VA004、VA006）]；关闭其他换热器热流体进出阀门（VA009、VA010、VA004、VA006）；
4）开启热流体流量风机：
在仪表操作台上打开“综合换热热流体风机电源”开关，启动综合换热热流体风机；
5）启动加热管电源：
在仪表操作台上按下“综合换热加热管电源”启动按钮，启动综合换热加热管，开始加热；
6）综合换热加热管温度控制：
在仪表操作台上“综合换热热流体温度手自动控制仪”上设定热流体温度为70℃，控制仪就自动对热流体温度进行控制；
7）当加热管
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