多功能动态实验装置.docx

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多功能动态实验装置

题目背景意义

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。

在诸多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。

基于污垢监测的热学法中的污垢热阻法的方法设计出来的如下装置，它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换热面有垢一侧的污垢热阻。

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。

图1实验装置图

1-恒温槽体；2-试验管段；3-试验管入口压力；4-管段出口温度测点；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

设备的主体是由两根管组成的管式换热器。

这两根管是可以拆装的,它们都可以作为实验管,如对于单纯监测水质污垢热阻来说,则两根实验管可同时进行两种水质或不同工况的污垢热阻检测。

也可以将其中一根作为实验管,另一根作标准比较管,以便比较水处理措施的效果。

管内工质为欲模拟的实际换热器的冷却水或据其主要成分配制的工艺流体。

管外是由电加热器和温度调节器构成的可调温度的恒温水浴。

实验管段安装有壁温、出入口介质温度、实验段流动压降等测点所有测量信号经由传输电缆通过数据采集器送入计算机,实现了污垢热阻的在线自动监测。

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。

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。

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。

一、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℃）。

（一）检测方法设计以及依据

针对实验管内的流体温度在20~80℃之间，属于低温范围温度测量。

另外实验管道的管径较小，为Φ25mm，不宜采用体积较大的测温仪表。

考虑这些实际情况，采用热电阻的温度测量方法更为合理。

（二）仪表种类选用以及依据

通过以上分析，我们选取某厂家生产的一种用于小管径的测温传感器，产品适用于DN15、DN20、DN25等小管径进行精确测温。

如下图：

图2小管径测温传感器及其安装示意图

传感器采用Pt100作为热电阻，其通过感应温度变化达到阻值的变化，后通过温度变送器确认阻值的不同计算出当前的温度，再根据热电阻的量程变送输出对应的标准信号（4-20mA）值，即：

温度变化--热电阻--电阻变化--温度变送器--4~20mA信号

图3温度变送器

（三）测量注意事项及误差分析

1）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）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。

3）热电阻在使用中为了减小辐射热和热传导所产生的误差,应尽量使保护套管表面和被测介质温度接近,减小热电阻保护套管的黑色系数。

二、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℃。

（一）检测方法设计以及依据

由测量情形可知管壁温度用一般的热电偶和热电阻都不易测量，测温环境要求测温仪器可以附着在管壁表面，需要在测温点将水浴与管壁分开，面积又不能太大，否则影响换热。

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。

（二）仪表种类选用以及依据

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，特别是pt500和Pt1000Pt2000高阻值热电阻，其分辨率相当于常规铂电阻pt100的5~10倍。

以下即是选用某厂家生产的膜式铂电阻，其技术指标如下：

测量范围：

50---500℃

测量精度：

A级±0.15+0.002t.（℃）

　　　　B级±0.3+0.05t.（℃）

0℃阻值偏差：

A级±0.06（Ω）

　　　　B级±0.12（Ω）

图4膜式铂电阻

（三）测量注意事项及误差分析

测量时应注意当用与热电阻相配的二次仪表测量温度时,热电阻安置在被测温度的现场,而二次仪表则放置在操作室内。

如果用不平衡电桥来测量,那么连接热电阻的导线都分布在桥路的一个臂上。

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,即从热电阻引出三根导线,将连接热电阻的两根导线正好分别处于相邻的两个桥臂内。

三、水浴温度测量

该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。

（一）检测方法设计以及依据

由实验装置要求分析，水槽内水浴温度是一个存在一定变化的物理量，而水浴温度又通过稳控器来实时监控。

因此，测温仪表要求较高的灵敏性和精确度。

其次，水浴温度的变化范围在20~80℃之间，属于低温范畴。

综合以上要求，我们采热电偶温度测量法。

（二）仪表种类选用以及依据

选用铜－镍铜热电偶，这是在低温下应用得很普遍的热电偶,测量温度范围（－200～＋200℃）,稳定性好,低温时灵敏度高并且价格低廉。

分度号为T。

图5铜－镍铜热电偶测温器

（三）测量注意事项及误差分析

1）测温点的选择

热电偶的安装位置，即测温点的选择是最重要的。

测温点的位置，对于工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量

2）插入深度

热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。

当环境温度低时就会有热损失。

致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。

总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。

四、补水箱水位测量及控制

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。

（一）检测方法设计以及依据

实验装置补水箱内水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。

其介电常数与空气的差别很大。

而电容式液位测量是利用被测对象物质的导电率，将液位变化转换成电容变化来进行测量的一种液位计。

与其他液位传感器相比，电容液位测量具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。

所以，我们采用此方法来测量补水箱内的水位。

此外，实验装置要求水位还可控制，以适应不同流速的需要。

所以这里我们把电容传感器输出的信号传递给一个单片机系统，并且通过一个显示装置（数码管或LCD）得以显示该水位。

通过单片机对信号的分析运算，使得当补水箱内的水位超出水位变动范围（200~500mm）时，产生一个信号使得循环水泵开始工作以调节水位。

图6补水箱水位测量及控制总体框图

（二）仪表种类选用以及依据

常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。

这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量，或单一液面的液位测量。

经过比较分析，我们采用某生产厂家生产的UCD-628系列电容式液位计，其采用电容法测量原理，适用于电力、冶金、化工、食品、制药、污水处理、锅炉汽包等的液位测量。

该电容式液位计有以下特点：

1、结构紧凑，体积小，安装维护简单，统一外形尺寸。

2、多种信号输出形式，可用于不同系统配置。

图7电容式液位计

3、测水位范围0.1~2m。

4、浸入液体的测量部分，只有一条四氟软线或四氟棒式探极作为传感，可靠性高。

5、全密封铝合金外壳及不锈钢联接件。

6、对高温压力容器与测量常温常压一样简单，且测量值不受被测液体的温度、比重及容器的形状、压力影响。

7、完善的过流、过压、电源极性保护。

（三）测量注意事项

1）电容式液位计应垂直安装，并固定以防止晃动引起的误差。

2）应采用非隔离两线制、三线制或测量、输出、电源三端隔离四线制多种电路结构方式。

3）注意得使用高频电路。

五、流量测量

实验管内流体流量需要测量，其管径Φ25mm，流量范围0.5~4m3/h（流速为0.28~2.26m/s）。

（一）检测方法设计以及依据

从实验前提得知，实验管径很小，流体是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，且其流速也很小。

用通常的差压式流量计或普通的速度式流量计都无法准确测量，甚至无法安装。

基于上述情形，可以采用非接触式测量方法——超声波流量计。

超声波流量计应用超声波技术准确测量液体的流量，同时监测超声波信号的变化。

超声波传感器固定在所测液体的管道外侧，无须改变和拆除管道和中断生产和使用过程。

其可应用于各种材质的管道和各种清洁液体及杂质含量小于10%的不洁液体，而采用多普勒原理的超声波流量计适用于大量杂质，气泡的污水流量的测量。

（二）仪表种类选用以及依据

通过比较分析，我们采用如下超声波流量计L5760134（适用管径：

13mm到115mm）

性能指标；适合各种不超过3%微粒子的液体流量测量，包括原水、海水、柴油、饮料、化学药水、工业废水等等。

采用非破坏式传感器安装方式，适合各种材质的水管、油管、空调管路、食品管路、腐蚀/放射性管路的流量测量。

只要键入管径尺寸、管道材质、液体温度，就能迅速完成测量传感器采用子母扣固定方式，安装拆卸极其方便，两分钟内即可完成仪器测量的流速单位可以选择：

米/秒，英尺/秒，流量单位可选择：

升/分钟，加仑/分钟等，可测量累计流量。

响应时间只有1-2秒钟，测量迅速准确

图8超声波流量计

（三）测量注意事项

1）对超声波流量计进行检定或校准

任何流量计使用前都需要进行检定或校准，便携式超声波流量计在这一点尤为重要。

大家知道，便携式超声波流量计一般配置两到三组探头，分别适用于不同的管径范围，每组探头与主机的搭配在某种意义上讲都是一套独立的流量计。

用户根据自己的使用情况为参考依据，尽可能在与使用管道口径相同或接近的流量标准装置上对便携式超声波流量计进行多条管道的检定或校准。

至少要保证流量计配置的每组探头都要检校到。

便携式超声波流量计检定或校准证书上都会给出仪表修正系数。

各种流量计都会因为原理、制造等原因在标定时给出一个仪表系数，只是名称和表现形式各不相同罢了。

便携式超声波流量计更是由于配有多组探头，适用不同口径而可能有数个仪表修正系数。

在使用流量计测流量时，要保证正确使用仪表修正系数，既不要忘记使用又须注意不要用混，应养成正式测量前确认主机内设置的仪表修正系数是否正确的好习惯。

2）忽视了对流量计使用条件和使用环境的要求

任何速度式流量计对被测管道内流体的流场都是有一定的要求的，超声波流量计也不例外。

当流量计的安装位置不能保证其前后直管段长度要求时，由于流场不稳定带来的计量误差是不容忽视的。

不少用户受仪表测量井的限制，在不能满足安装要求的位置测量，由此造成了测量误差的加大。

超声波流量计的安装应尽量避开水泵出口，管线最高点等易受气体影响的位置，探头的安装点也要尽量避开管道上部和底部，在与水平直径成45°角的范围内安装，还要注意避开焊缝等管道缺陷。

超声波流量计的安装使用环境应注意避开强电磁干扰和振动，在使用中我们发现，高压线下方，车辆密集的马路边，主机附近使用手机或对讲机都会对测量产生或多或少的影响。

3）不能准确地测量管道参数造成计量不准

便携式超声波流量计探头在管道外部安装，它直接测量的是管道内流体的流速，流量是流速与管道流通面积的乘积，而其管道面积和声道长度都是使用者由主机手工输入的管道参数计算出来的，这些参数的准确与否直接影响到测量结果。

也就是说：

流量计即使流速测得很准确，如果你输入了一组不准确的管道参数，测量结果也是不准确的。

在小管径上使用便携式超声波流量计进行流量测量时，管道内径输入不准确所引起的误差更是不容忽视。

管道衬里对测量的影响也是很大的，在测量时如果忽略了它的存在，将会产生很大的误差。

在测量时，如果没有输入衬里参数，按正常操作就是找不到信号时，就应该考虑可能管道是有衬里的。

六、差压测量

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（0~500Pa）。

（一）检测方法设计以及依据

首先，测量管道的管径较小使得我们不能采用安装体积较大的差压计，且实验装置给出的压降范围为0~50mm水柱（500Pa），它是一个很小的差压，用普通的差压计测量方法很难精确的测量，因此我们选用U型管差压计。

（二）仪表种类选用以及依据

针对差压范围0~50mm水柱，我们选用某厂家生产的C1系列注模压差计。

它采用垂直+倾斜型的结构和低挥发红油。

测量范围很广，在小读数时读数也很方便，可以测量正压，负压和差压。

它的技术指标如下：

介质：

   空气和非易燃，兼容的气体。

外壳：

   白色ABS塑料

精度：

   满刻度的±3%

内部最大工作压力：

70KPa

过压保护：

溢流管可以缓解中等过压

最大工作温度：

85°C

选型表：

型号

范围

使用液体

C1-3

0-3英寸水柱

红油

C1-80

0-80毫米水柱

红油

C1-700PA

10-0-700PA

红油

因此，我们选用C1-80型号的差压计。

图9注模压差计

（三）测量注意事项

1）红油压差表配有两根管，一根是白色，一根是红色的，红色的接“High”，白色的接“Low”。

2）红油压差表安装时的位置一定要在水平与垂直的方向上。

参考文献

1.孙灵芳等，一种新型在线冷却水动态模拟试验装置，仪器仪表学报，2002，NO.3增刊

2.孙灵芳等，一种新型电子水处理器阻垢率的在线监测评价方法及装置，工业水处理，2000，NO.3

3.杨善让等，冷却水处理技术阻垢效果的评价方法研究与实施，《工业水处理》2000.11增刊

4.杨善让等，换热设备污垢与对策，科学出版社，2003