多功能動態(tài)實驗裝置

1、題目背景意義換熱設備污垢的形成過程是一個極其復雜的能量、質量和動量傳遞的物理化學過程，污垢的存在給廣泛應用于各工業(yè)企業(yè)的換熱設備造成極大的經(jīng)濟損失，因而污垢問題成為傳熱學界和工業(yè)界十分關注而又至今未能解決的難題之一。按對沉積物的監(jiān)測手段分有：熱學法和非傳熱量的污垢監(jiān)測法。在諸多方法中對換熱設備而言，最直接而且與換熱設備性能聯(lián)系最密切的莫過于熱學法。基于污垢監(jiān)測的熱學法中的污垢熱阻法的方法設計出來的如下裝置，它通過測量清潔狀態(tài)和污染狀態(tài)下的壁溫和熱流而被間接測量出換熱面有垢一側的污垢熱阻。本實驗裝置的模擬換熱器是由恒溫水浴作為熱源加熱實驗管段（約2m），水浴溫度由溫控器、電加熱管以及保溫箱體構成

2、。水浴中平行放置兩實驗管，獨自擁有補水箱和集水箱，構成兩套獨立的實驗系統(tǒng)。可以做平行樣實驗和對比實驗。為獲取水處理藥劑的效果、強化換熱管的污垢特性、污垢狀態(tài)下強化管的換熱效果等等，管內流體一般為人工配制的易結垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質。 圖1 實驗裝置圖1-恒溫槽體；2-試驗管段；3-試驗管入口壓力；4-管段出口溫度測點；5-管壁溫度測點；6-管段出口溫度測點；7-試驗管出口壓力；8-流量測量；9-集水箱；10-循環(huán)水泵；11-補水箱；12-電加熱管 設備的主體是由兩根管組成的管式換熱器。這兩根管是可以拆裝的, 它們都可以作為實驗管,如對于單純監(jiān)測水質污垢熱阻來說, 則兩根實驗管可

3、同時進行兩種水質或不同工況的污垢熱阻檢測。也可以將其中一根作為實驗管, 另一根作標準比較管, 以便比較水處理措施的效果。管內工質為欲模擬的實際換熱器的冷卻水或據(jù)其主要成分配制的工藝流體。管外是由電加熱器和溫度調節(jié)器構成的可調溫度的恒溫水浴。實驗管段安裝有壁溫、出入口介質溫度、實驗段流動壓降等測點所有測量信號經(jīng)由傳輸電纜通過數(shù)據(jù)采集器送入計算機, 實現(xiàn)了污垢熱阻的在線自動監(jiān)測。按對沉積物的監(jiān)測手段分有：熱學法和非傳熱量的污垢監(jiān)測法。熱學法中又可分為熱阻表示法和溫差表示法兩種； 非傳熱量的污垢監(jiān)測法又有直接稱重法、厚度測量法、壓降測量法、放射性技術、時間推移電影法、顯微照相法、電解法和化學法。這些

4、監(jiān)測方法中，對換熱設備而言，最直接而且與換熱設備性能聯(lián)系最密切的莫過于熱學法。這里簡單介紹污垢監(jiān)測的熱學法中的污垢熱阻法。表示換熱面上污垢沉積量的特征參數(shù)有：單位面積上的污垢沉積質量mf，污垢層平均厚度f和污垢熱阻Rf。這三者之間的關系由下式表示： (1) 圖1 清潔和有污垢時的溫度分布及熱阻壁（a）潔凈 （b）污染 壁污垢沉積層通常測量污垢熱阻的原理如下：設傳熱過程是在熱流密度q為常數(shù)情況下進行的，圖1a為換熱面兩側處于清潔狀態(tài)下的溫度分布，其總的傳熱熱阻為： (3)圖1b為兩側有污垢時的溫度分布，其總傳熱熱阻為 (4)如果假定換熱面上污垢的積聚對壁面與流體的對流傳熱系數(shù)影響不大，則可認為。

5、于是從式(4-4)減去式(3)得： （5）式(5)表明污垢熱阻可以通過清潔狀態(tài)和受污染狀態(tài)下總傳熱系數(shù)的測量而間接測量出來。實驗研究或實際生產則常常要求測量局部污垢熱阻，這可通過測量所要求部位的壁溫表示。為明晰起見，假定換熱面只有一側有污垢存在，則有： （6） （7）若在結垢過程中，q、Tb均得持不變，且同樣假定，則兩式相減有： (8)這樣，換熱面有垢一側的污垢熱阻可以通過測量清潔狀態(tài)和污染狀態(tài)下的壁溫和熱流而被間接測量出來。如圖所示的實驗裝置是東北電力大學節(jié)能與測控研究中心楊善讓教授為首的課題組基于測量新技術軟測量技術開發(fā)的多功能實驗裝置。基于本實驗裝置，先后完成國家、東北電力公司、省、市多

6、項科研項目并獲獎，鑒定結論為國際領先。目前承擔國家自然科學基金、973項目部分實驗工作。該實驗裝置上，需要檢測和控制的參數(shù)主要有：1、溫度：包括實驗管流體進口（2040）、出口溫度（2080 ） ，2、實驗管壁溫（2080 ）以及水浴溫度（2080 ） ，3、水位：補水箱上位安裝，距地面2m，其水位要求測量并控制，以適應不同流速的需要，水位變動范圍200mm500mm，4、流量：實驗管內流體流量需要測量，管徑25mm，流量范圍0.54m3/h，5、差壓：由于結垢導致管內流動阻力增大，需要測量流動壓降，范圍為050mm水柱。一、實驗管流體進、出口溫度測量實驗管流體進口（2040）、出口溫度（20

7、80 ）。（一）檢測方法設計以及依據(jù) 針對實驗管內的流體溫度在2080之間，屬于低溫范圍溫度測量。另外實驗管道的管徑較小，為25mm，不宜采用體積較大的測溫儀表?？紤]這些實際情況，采用熱電阻的溫度測量方法更為合理。（二）儀表種類選用以及依據(jù)通過以上分析，我們選取某廠家生產的一種用于小管徑的測溫傳感器，產品適用于DN15、DN20、DN25等小管徑進行精確測溫。如下圖： 圖2 小管徑測溫傳感器及其安裝示意圖 傳感器采用Pt100作為熱電阻，其通過感應溫度變化達到阻值的變化，后通過溫度變送器確認阻值的不同計算出當前的溫度，再根據(jù)熱電阻的量程變送輸出對應的標準信號(4-20mA）值，即：溫度變化-熱

8、電阻-電阻變化-溫度變送器-420mA信號 圖3 溫度變送器（三）測量注意事項及誤差分析 1）由于熱電阻通電后會產生自升溫現(xiàn)象，從而帶來誤差，并且該誤差無法消除，故規(guī)定最大電流6mA。2）熱電阻安裝時,其插入深度不小于熱電阻保護管外徑的8倍10倍,盡可能使熱電阻受熱部分增長。熱電阻盡可能垂直安裝,以防在高溫下彎曲變形。3）熱電阻在使用中為了減小輻射熱和熱傳導所產生的誤差,應盡量使保護套管表面和被測介質溫度接近,減小熱電阻保護套管的黑色系數(shù)。二、實驗管壁溫測量 實驗管道在恒溫水槽中，通過與水槽中的水進行熱交換傳熱，壁溫范圍2080 。（一）檢測方法設計以及依據(jù)由測量情形可知管壁溫度用一般的熱電偶

9、和熱電阻都不易測量，測溫環(huán)境要求測溫儀器可以附著在管壁表面，需要在測溫點將水浴與管壁分開，面積又不能太大，否則影響換熱。接觸式測溫中熱電阻和熱電偶比較適合，但熱電偶冷端處理困難，且溫差較小誤差大。用光刻技術技術制作一個薄片熱電阻外層加上隔熱層貼在管壁溫度側點上，三組值同時測量取平均值，以達到精確測溫效果。（二）儀表種類選用以及依據(jù) 膜式鉑電阻是近年來發(fā)達國家的一種鉑熱電阻新技術，這種新型熱電阻是有外型尺寸小、靈敏度高、響應快、絕緣性能好、穩(wěn)定性好、耐震耐腐蝕使用壽命長等優(yōu)點，特別是pt500和Pt1000 Pt2000 高阻值熱電阻，其分辨率相當于常規(guī)鉑電阻pt100的510倍。 以下即是選用

10、某廠家生產的膜式鉑電阻，其技術指標如下：測量范圍： 50-500測量精度：A級±0.15+0.002t.() B級 ±0.3+0.05t.()0阻值偏差：A級±0.06（） B級 ±0.12（）圖4 膜式鉑電阻（三）測量注意事項及誤差分析 測量時應注意當用與熱電阻相配的二次儀表測量溫度時,熱電阻安置在被測溫度的現(xiàn)場,而二次儀表則放置在操作室內。如果用不平衡電橋來測量,那么連接熱電阻的導線都分布在橋路的一個臂上。由于熱電阻與儀表之間一般都有一段較長的距離,因此兩根連接導線的電阻隨溫度的變化,將同熱電阻阻值的變化一起加在不平衡電橋的一個臂上,使測量產生較大的

11、誤差。為減小這一誤差,一般在測溫熱電阻與儀表連接時,采用三線制接法,即從熱電阻引出三根導線,將連接熱電阻的兩根導線正好分別處于相鄰的兩個橋臂內。三、水浴溫度測量該實驗裝置的模擬換熱器是由恒溫水浴作為熱源加熱實驗管段（約2m），水浴溫度由溫控器、電加熱管以及保溫箱體構成。（一）檢測方法設計以及依據(jù)由實驗裝置要求分析，水槽內水浴溫度是一個存在一定變化的物理量，而水浴溫度又通過穩(wěn)控器來實時監(jiān)控。因此，測溫儀表要求較高的靈敏性和精確度。其次，水浴溫度的變化范圍在2080之間，屬于低溫范疇。綜合以上要求，我們采熱電偶溫度測量法。（二）儀表種類選用以及依據(jù)選用銅鎳銅熱電偶，這是在低溫下應用得很普遍的熱電偶

12、,測量溫度范圍(200200),穩(wěn)定性好,低溫時靈敏度高并且價格低廉。分度號為T。圖5 銅鎳銅熱電偶測溫器（三）測量注意事項及誤差分析1）測溫點的選擇 熱電偶的安裝位置，即測溫點的選擇是最重要的。測溫點的位置，對于工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量2）插入深度 熱電偶插入被測場所時，沿著傳感器的長度方向將產生熱流。當環(huán)境溫度低時就會有熱損失。致使熱電偶與被測對象的溫度不一致而產生測溫誤差。總之，由熱傳導而引起的誤差，與插入深度有關。四、補水箱水位測量及控制補水箱上位安裝，距地面2m，其水位要求測量并控制，以適應不同流速的需要，水位變動范圍200mm500mm。（一）檢測方法

13、設計以及依據(jù)實驗裝置補水箱內水為人工配制的易結垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質。其介電常數(shù)與空氣的差別很大。而電容式液位測量是利用被測對象物質的導電率，將液位變化轉換成電容變化來進行測量的一種液位計。與其他液位傳感器相比，電容液位測量具有靈敏性好、輸出電壓高、誤差小、動態(tài)響應好、無自熱現(xiàn)象、對惡劣環(huán)境的適用性強等優(yōu)點。所以，我們采用此方法來測量補水箱內的水位。此外，實驗裝置要求水位還可控制，以適應不同流速的需要。所以這里我們把電容傳感器輸出的信號傳遞給一個單片機系統(tǒng)，并且通過一個顯示裝置（數(shù)碼管或LCD）得以顯示該水位。通過單片機對信號的分析運算，使得當補水箱內的水位超出水位變動范圍（2

14、00500mm）時，產生一個信號使得循環(huán)水泵開始工作以調節(jié)水位。 圖6 補水箱水位測量及控制總體框圖（二）儀表種類選用以及依據(jù)常見的電容傳感器測量電路有變壓器電橋式、運算放大器式及脈沖寬度式等。這類儀表適用于腐蝕性液體、沉淀性液體以及其它化工工藝液體液面的連續(xù)測量與位式測量，或單一液面的液位測量。經(jīng)過比較分析，我們采用某生產廠家生產的UCD-628系列電容式液位計，其采用電容法測量原理，適用于電力、冶金、化工、食品、制藥、污水處理、鍋爐汽包等的液位測量。該電容式液位計有以下特點：1、結構緊湊，體積小，安裝維護簡單，統(tǒng)一外形尺寸。2、多種信號輸出形式，可用于不同系統(tǒng)配置。 圖7 電容式液位計3、

15、測水位范圍0.12m。4、浸入液體的測量部分，只有一條四氟軟線或四氟棒式探極作為傳感，可靠性高。5、全密封鋁合金外殼及不銹鋼聯(lián)接件。6、對高溫壓力容器與測量常溫常壓一樣簡單，且測量值不受被測液體的溫度、比重及容器的形狀、壓力影響。7、完善的過流、過壓、電源極性保護。（三）測量注意事項1）電容式液位計應垂直安裝，并固定以防止晃動引起的誤差。2）應采用非隔離兩線制、三線制或測量、輸出、電源三端隔離四線制多種電路結構方式。 3）注意得使用高頻電路。五、流量測量實驗管內流體流量需要測量，其管徑25mm，流量范圍0.54m3/h（流速為0.282.26m/s）。（一）檢測方法設計以及依據(jù)從實驗前提得知，

16、實驗管徑很小，流體是人工配制的易結垢的高硬度水或是含有固體微粒等致垢物質，且其流速也很小。用通常的差壓式流量計或普通的速度式流量計都無法準確測量，甚至無法安裝?；谏鲜銮樾危梢圆捎梅墙佑|式測量方法超聲波流量計。超聲波流量計應用超聲波技術準確測量液體的流量，同時監(jiān)測超聲波信號的變化。超聲波傳感器固定在所測液體的管道外側，無須改變和拆除管道和中斷生產和使用過程。其可應用于各種材質的管道和各種清潔液體及雜質含量小于10%的不潔液體，而采用多普勒原理的超聲波流量計適用于大量雜質，氣泡的污水流量的測量。（二）儀表種類選用以及依據(jù) 通過比較分析，我們采用如下超聲波流量計L5760134（適用管徑：13m

17、m到115mm） 性能指標；適合各種不超過3%微粒子的液體流量測量，包括原水、海水、柴油、飲料、 化學藥水、工業(yè)廢水等等。采用非破壞式傳感器安裝方式，適合各種材質的水管、油管、空調管路、食品管路、腐蝕/放射性管路的流量測量 。 只要鍵入管徑尺寸、管道材質、液體溫度，就能迅速完成測量 傳感器采用子母扣固定方式，安裝拆卸極其方便，兩分鐘內即可完成 儀器測量的流速單位可以選擇：米/秒，英尺/秒，流量單位可選擇：升/分 鐘，加侖/分鐘等，可測量累計流量。 響應時間只有1-2秒鐘，測量迅速準確圖8 超聲波流量計（三）測量注意事項1）對超聲波流量計進行檢定或校準任何流量計使用前都需要進行檢定或校準，便攜式

18、超聲波流量計在這一點尤為重要。大家知道，便攜式超聲波流量計一般配置兩到三組探頭，分別適用于不同的管徑范圍，每組探頭與主機的搭配在某種意義上講都是一套獨立的流量計。用戶根據(jù)自己的使用情況為參考依據(jù)，盡可能在與使用管道口徑相同或接近的流量標準裝置上對便攜式超聲波流量計進行多條管道的檢定或校準。至少要保證流量計配置的每組探頭都要檢校到。 便攜式超聲波流量計檢定或校準證書上都會給出儀表修正系數(shù)。各種流量計都會因為原理、制造等原因在標定時給出一個儀表系數(shù)，只是名稱和表現(xiàn)形式各不相同罷了。便攜式超聲波流量計更是由于配有多組探頭，適用不同口徑而可能有數(shù)個儀表修正系數(shù)。在使用流量計測流量時，要保證正確使用儀表

19、修正系數(shù)，既不要忘記使用又須注意不要用混，應養(yǎng)成正式測量前確認主機內設置的儀表修正系數(shù)是否正確的好習慣。 2）忽視了對流量計使用條件和使用環(huán)境的要求 任何速度式流量計對被測管道內流體的流場都是有一定的要求的，超聲波流量計也不例外。當流量計的安裝位置不能保證其前后直管段長度要求時，由于流場不穩(wěn)定帶來的計量誤差是不容忽視的。不少用戶受儀表測量井的限制，在不能滿足安裝要求的位置測量，由此造成了測量誤差的加大。 超聲波流量計的安裝應盡量避開水泵出口，管線最高點等易受氣體影響的位置，探頭的安裝點也要盡量避開管道上部和底部，在與水平直徑成45°角的范圍內安裝，還要注意避開焊縫等管道缺陷。 超聲波

20、流量計的安裝使用環(huán)境應注意避開強電磁干擾和振動，在使用中我們發(fā)現(xiàn)，高壓線下方，車輛密集的馬路邊，主機附近使用手機或對講機都會對測量產生或多或少的影響。 3）不能準確地測量管道參數(shù)造成計量不準 便攜式超聲波流量計探頭在管道外部安裝，它直接測量的是管道內流體的流速，流量是流速與管道流通面積的乘積，而其管道面積和聲道長度都是使用者由主機手工輸入的管道參數(shù)計算出來的，這些參數(shù)的準確與否直接影響到測量結果。也就是說：流量計即使流速測得很準確，如果你輸入了一組不準確的管道參數(shù)，測量結果也是不準確的。 在小管徑上使用便攜式超聲波流量計進行流量測量時，管道內徑輸入不準確所引起的誤差更是不容忽視。 管道襯里對測量的影響也是很大的，在測量時如果忽略了它的存在，將會產生很大的誤差。在測量時，如果沒有輸入襯里參數(shù)，按正常操作就是找不到信號時，就應該考慮可能管道是有襯里的。六、差壓測量由于結垢導致管內流動阻力增大，需要測量流動壓降，范圍為050mm水柱（0500Pa）。（一）檢測方法設計以及依據(jù) 首先，測量管道的管徑較小使得我們不能采用安裝體積較大的差壓計，且實