壳管式换热器实验测试平台设计

题目管壳式换热器实验台设计绪论换热器是当两种或多种流体存在温差时内部热量传递的传热设备。随着现在工业不断地向前发展，换热器的运用就越来越广泛。在过程、能源、石油、运输、空调、制冷、低温、热量再生、替代燃料以及其他工业方面，换热器都有着广泛的运用，尤其在汽车散热、冷凝器、蒸发器、空气预热器和油冷器等方面，换热器的作用就更加必不可少[1]。近二十多年来，国内外管壳式换热器的强化传热技术己有了较大的发展，其中可分为两大发展方向，一是强化传热管的发展，二是壳程结构的发展。就强化传热管而言，目前国内外已研制开发出的各类强化传热管有数十种之多，例如各类变径异形管及各类翅片管等。壳程结构的发展方面，也出现了多种新型的壳程结构形式。目前国际能源形势紧张，让强化传热在换热器中能够更好的运用，提高用能设备的能源利用效率，直接减少能耗和能源消费系数值的技术节能方法是实现节能的重要途径之一。这就需要对换热器的性能做一个全面的检测，才能进行下一步改进措施。但由于现在换热器检测的发展非常缓慢，许多小厂家现有的检测手段十分落后，已经无法满足现代测量的需求，或者甚至都没有自己的检测实验台，所以实用的换热器性能检测实验台的研究发展迫在眉睫。本次壳管式换热器性能检测实验台设计的思路为，首先阐述换热器当前的发展情况、应用及其实验检测台的窘迫性，之后就是对换热器实验检测台所采用的制冷系统的工作循环的分析，来确定实验台的方案设计即实验方案、实验过程、设备要求、设备选型、数据采集、结果分析。最后得出结论，对换热器的总体性能有个整体的了解，也就达到了本次设计研究的目的。1.1本课题研究的目的和意义能源是国民经济的命脉，与人民生活和人类的生存环境休戚相关，在社会可持续发展中起着举足轻重的作用。由于世界能源资源储量有限，而能耗却呈几何级数增长，加上能源造成的环境问题越来越严重，因此人类面临着世界范围内的能源问题。我国的能源资源比较丰富，但也面临着人均能源资源量低、能源资源分布不均匀、能源利用效率低、能源工业装备落后以及环境污染严重等问题。例如，我国的能源终端利用效率仅为33%，比发达国家低10个百分点；单位产品能耗比发达国家高30%—80%，加权平均高40%左右；单位产值能耗约为发达国家的2倍[2]。换热器是化工、石油、能源、动力、冶金等工业部门中应用相当广泛的用能设备，在汽车散热、冷凝器、蒸发器、空气预热器和油冷器等方面，换热器的作用就更加必不可少。它不仅保证工程设备的正常运转，而且在动力消耗和投资方面在整个工程中占有重要份额。而管壳式换热器在换热器中占了高达70%的比例。它作为一种标准换热设备在很多工业部门中大量使用。在石油、化工及能源等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器仍处于主导地位。自从上世纪70年代初发生世界性能源危机以来，随着现代工业的飞速发展，能源紧张的状况愈演愈烈，能源费用在制造成本中所占的比率迅速增大；另一方面，能源问题与人类环境和健康也密切相关。因此，世界各国确定了支持发展高效能源技术和利用再生能源的方针，我国政府也制定了“节能优先”的能源战略，从而实现能源的可持续发展。因此，采用强化传热技术从而降低能耗无论是对工业生产企业还是对整个人类来说都显得至关重要[3]。减少能耗和能源消费系数值的节能技术，让强化传热在换热器中能够更好的运用，提高用能设备的能源利用效率，是实现节能的重要途径之一。近二十多年来，国内外管壳式换热器的强化传热技术己有了较大的发展，其中可分为两大发展方向，一是强化传热管的发展，二是壳程结构的发展。就强化传热管而言，目前国内外已研制开发出的各类强化传热管有数十种之多，例如各类变径异形管及各类翅片管等。壳程结构的发展方面，也出现了多种新型的壳程结构形式。因此，如何改进换热器的传热性能，提高换热器的传热效率对于现代工业甚至整个能源紧张的当代来说无疑是举足轻重的。本次实验也是为提高换热器传热效率打下了个良好的基础，即对换热器性能全面的检测。检测换热器性能、参数对我们来说其实只是作为一个参考指标，更重要的是在前面提到的，在目前发展趋势下，我们对当前的换热器有了个大致的了解，在如何提高其换热效率，性能以及对现代化适应的程度，即在环保，节能，智能化方向方面，对我们起了个很好的推动作用，对我们今后在做这方面工作的时候，如何改进换热器，使其不断适应发展的需要，为整个工业经济乃至国民生产做出贡献，起着重要的作用，这也是本课题研究的意义所在。1.2本课题研究方法换热器的传热性能试验往往用于各种换热器传热品质的检验。与传热系数有关的努谢尔数准则，与流阻有关的欧拉准则的性能实验是各种间壁式换热器一项非常重要的技术指标。通过对其温度、流量、压力等可测参数的测量，来推算出传热系数与流速之间，流阻与压力差之间的关系曲线和关系式，由此可对换热器的传热性能进行评价和比较。1.3管壳式换热器的发展概述换热设备在化工过程中起着至关重要的作用，其投资费用一般占全部设备投资的40%左右，而且，它的行为也关系着全厂的正常运行和操作费用。旧厂改造的许多工作是围绕换热设备的优化进行的，一方面，过程系统工程致力于换热器的优化综合；另一方面，机械工程师们在寻找换热器强化传热技术的具体手段。在各类换热器中，管壳式换热器具有其固有的优势，加之近年来又获得了较大的发展，所以目前仍是各种能耗工业中应用最普遍的一种。以石油、化工行业为例，管壳式换热器在换热器中占了高达70%的比例。因此，研究管壳式换热器的强化传热问题对于提高换热器的用能效率和降低工业部门的能耗具有重要意义。近二十多年来，国内外管壳式换热器的强化传热技术己有了较大的发展，其中可分为两大发展方向，一是强化传热管的发展，二是壳程结构的发展。就强化传热管而言，目前国内外已研制开发出的各类强化传热管有数十种之多，例如各类变径异形管及各类翅片管等。壳程结构的发展方面，也出现了多种新型的壳程结构形式。例如，美国菲利浦石油公司七十年代开发的折流杆管壳式换热，美国国际石油公司及孟山都化学工业公司等目前普遍使用的双弓与碟环等折流隔板管壳式换热器，90年代邓先和等提出的空心环管壳式换热器，ABB公司率先推出的螺旋折流板管壳式换热器，带平行流分隔板的管壳式换热等。这些新型壳程结构形式和强化传热管的问世极大地提高了传统管壳式换热器的传热与流阻性能，其中部分研究成果己经成功地应用于工业系统中，取得了良好的节能降耗效果。但是，从整个工业应用来看，这些新型换热器还没有得到广泛推广，其应用潜力还有待于进一步挖掘。例如，尽管由于螺旋折流板换热器具有优良的性能而在近年来引起了世界多国学术界和企业界的高度重视，也有报道表明螺旋折流板换热器在中东、日本、美国等国家的石化行业得到应用，但由于技术保密等方面的原因，未能检索到相关的详细文献。在国内，对于螺旋折流板换热器的研究基本上还处于理论和实验室研究及工业应用的初始阶段。又例如，自第一台空心环管壳式换热器诞生以来，已成功地在全国12个省50多个厂家及高能耗工业系统中应用，节能降耗效果非常显著，其应用领域涉及硫酸、石化、压缩机等行业，但纵观其应用场合，除了用于气体换热就是液体换热，迄今为止尚无应用于诸如凝结换热等有相变换热场合的先例。究其原因，一是由于对这些新型换热器的基础理论与实验研究还不够深入，缺乏一些能够指导工程应用的理论和可以参考的基础数据，所以应用范围有限或者根本无法在实际中应用；再者，对于这些新型壳程结构形式，以往一般都是与普通的光滑管束结合使用，近年来虽然也有人将其与强化管结合使用，但由于强化管的种类繁多，并且不断有新的强化管型出现，因此在强化传热管束与壳程结构的优化组合研究上也有待于进一步探讨。由于缺乏这方面的研究，往往强化传热管束就不能充分地发挥出在管束间的传热强化作用。例如采用双弓或碟环折流隔板支承缩放型强化管束，由于折流隔板对流体的形体阻力大，远远超过强化管粗糙肋面对流体的摩擦阻力，故管间支承物消耗了壳程流体的绝大部分压降，而使用于强化管粗糙肋面上的流体流动功所剩很少，故难以利用强化管的粗糙肋面促进传热界面上的流体湍流度，不能很好发挥出强化管的传热强化作用。换热器壳程结构的发展，必然与强化传热管的优化组合相联系，这是今后换热器强化传热技术发展的方向。就目前来说，由于能源问题日益突出，不仅是中国，就世界范围而言，节能己经成为解决当代能源问题的一个公认的重要途径。我国于1998年1月1日起正式实施的《中华人民共和国节约能源法》更是将节能赋予了法律地位。节约能源法指出，节能是国家发展经济的一项长远战略方针，并重申了能源节约与能源开发并举，把能源节约放在首位的能源政策。为了加强能源工作，在最近召开的国务院常务会议上，国家发展和改革委员会还增设了能源局。提高用能设备的能源利用效率，直接减少能耗和能源消费系数值的技术节能方法是实现节能的重要途径之一。换热器是化工、石油、能源、动力、冶金等工业部门中应用相当广泛的用能设备，不仅保证工程设备的正常运转，而且在动力消耗和投资方面在整个工程中占有重要份额。据统计，在化学工业中，所用换热器的投资大约占设备总投资的30%左右；在炼油厂中，换热器占全部工艺设备的40%左右；在热电厂中，换热器的投资约占整个电厂总投资的70%左右；海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的[4]。管壳式换热器是由一些直径较小的圆管加上管板组成管束，外套一个外壳而构成。其特点是结构简单，易于加工、清洗、选材及应用范围广、容量大、工作可靠，并且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热强度和单位传热面积的金属耗量方面无法与板式或板翅式换热器相比，但该类换热器仍然是目前应用最广泛、理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化和规范化历史最悠久以及计算机程序软件开发最早的换热设备。它作为一种标准换热设备在很多工业部门中大量使用。在石油、化工及能源等部门所使用的换热设备中，管壳式换热器仍处于主导地位。1.3.1管子的强化换热管壳式换热器在具备上述各项有点的同时，也存在一些不足之处，如传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低，传热系数不高，难以满足生产要求，因而，换热器强化传热技术的研究越来越得到重视。长期以来，国内外对此进行了大量研究[5]。为了提高管壳式换热器换热性能，一方面要提高单位体积的传热面积，另一方面要提高综合传热系数，即进行强化传热。为提高单位体积的传热面积，采用减小管径，增加管数的办法是不可取的，一般认为，大型换热器管径不会小于6mm。为提高传热系数而采用单纯加大流体流速的手段同样会不尽人意，因为增加流体流速而引起的传热系数的增加率，往往会低于克服摩擦阻力的功耗增加率。因此，管子的强化工作主要集中在异型管的开发方面，表1—1给出了一些异型管及其构。此外，还可采用在管内、管外安装翅片等手段对传热管进行强化。表1-1常用强化管及其结构管型结构特点螺旋槽纹管管壁挤压出单头或多头螺旋槽横纹槽管管壁滚压出与轴线成直角的环状槽纹缩放管由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道波节管在薄壁无缝管管壁上滚压出与管轴线成直角的环形槽，管壁内侧形成一圈圈突出的圆环旋流管管壁处存在能够诱导流体进行贴壁旋流的螺旋状槽纹和凸肋粗糙表面管利用机械加工、烧结、电化学腐蚀及表面镀层等手段，增加表面粗糙度或形成双层表面螺旋扁管由圆管轧制或椭圆管扭曲成具有一定导程的螺旋扁管，管间靠相邻管长轴处的点接触支撑管子，省掉折流板表1-1所列强化管在国内外已经有了许多成功的开发和应用实例。例如，上海溶剂厂甲醛蒸汽余热锅炉急冷塔中采用了螺旋槽纹管，使总传热系数提高60%，相同压降条件下，传热面积减小了30%；益阳炼油厂、茂名炼油厂等单位采用横纹槽管换热器，总传热系数较光管提高了85%，同等传热量，可节省46%的传热面积；缩放管换热器在大庆石化、金陵石化等单位投入使用，以益阳氮肥厂变换锅炉软水加热器为例，采用缩放管后，换热面积减少了69％；波节管换热器在国内也有较广泛的应用；北京化工设计院和大连理工大学分别制造出烧结型和腐蚀型粗糙表面多孔管，用于强化沸腾传热，均取得了较好的效果。纵观各种不同形状的强化管，可以看出它们有一些共同的特点。各种强化管在兼顾压降的同时，传热面积都有不同程度的增加，并通过两种机理对传热系数进行强化。传热边界层是限制传热系数提高的最主要因素，它产生于靠近管壁的层流底层，并有一个逐渐增厚的过程。管壁的粗糙，以及规则出现的沟槽、凸肋，会破坏贴壁层流状态，抑制边界层的发展。同时，沟槽和凸肋对流体的限流作用有助于边界层的减薄，而扰流作用使流体产生轴向漩涡，可导致边界层分离，流体主体径向温度梯度减小，有助于热量传递的进行[6]。1.3.2折流板及支撑物传统管壳式换热器采用单弓形折流板，壳程易产生流动和传热的滞留死区，造成壳程传热系数低，易结垢，流阻大等。同时还易引起管体振动，影响换热器寿命。为此，开发了多种新型折流板和支撑物，表1—2列举了其中的几种。表1-2新型折流板和支撑物种类特点折流杆由支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆组成的折流栅代替折流板整圆形折流杆折流板为整圆形，上有供管子通过的孔，还有供流体通过的各种异型孔，也可将整圆孔板制成网状结构空心环支撑将直径较小的钢管截成两节，均匀分布于换热管管间的同一截面上，呈线性接触，在紧固装置螺栓力的作用下，使管束相对紧密固定刺孔膜片每根换热管两侧相距180°开沟槽，沟槽中嵌焊冲有孔和毛刺的薄片，将同一截面处的管子连为一体从上表中可以看出，新型折流板和支撑物有两个共同的特点；一是壳程内流体流动由横向流动变为平行于管子的纵向流动，使流体压降减小，传热面积得到充分利用，避免了壳程流体对管子的垂直冲击，减少了流体对传热管诱导振动的隐患；二是折流板形式向着流阻低，坚固，结构简单，制造方便，节省投资等方向发展。可以预言，随着技术的进步，折流板和支撑物将不再需要，换热器依靠异型管，如螺旋扁管之间的点接触互相支撑，并形成壳程通道。国内在新型折流板和支撑物开发方面与国际先进水平差距较大，目前仍以弓(单弓、多弓)折流板、缺口无管型折流板、孔流式折流板等传统类型为主，新产品的开发也仅限于折流杆等少数几个品种。华南理工大学和大庆石化总厂合作开发的，用于丁辛醇装置净化系统的折流杆螺旋槽管再沸器，其换热能力比一般光管高1.4倍左右，且抗振性能也有较大改进。1.3.3管内插件技术管内插件技术是增强管壳式换热器性能的重要技术之一。插入件的作用是对器壁产生较高的流体剪切应力，降低管内流体由层流向湍流过渡的临界雷诺数，从而提供很陡的速度梯度和更高的传热系数。管内插件对强化气体、低雷诺数流体或高粘度流体的传热会起到较好的效果。管内插件的形式有很多，强化机理也各有不同，可分为以下三类:强化旋流，如纽带和半纽带形式；促进湍流，如螺旋线、片条、斜环片等形式；置换型强化器，包括静态混合器、交叉锯齿带、球形体等形式。一种成功的管内插件应在提高传热系数的同时，不以增大压降为代价。国内在此方面有所尝试，青岛石化厂常减压装置和天津石化厂常减压装置换热系统采用国产纽带扰流子内插件换热器，管内膜传热系数提高2~3倍，而压降增加不大。上海石化总厂乙烯厂常减压蒸馏装置换热器采用国产交叉锯齿形带内插件，在压降不增加的前提下，总传热系数较光管提高了50%[7]。1.3.4强化传热机理研究发展及在换热器中的应用1．强化传热的研究与发展传统的管壳式换热器壳程流体横向冲刷管束，传热效率较低，流动阻力大，常发生流体诱导振动而导致破坏。为解决换热管束的振动问题，美国菲利浦石油公司于20世纪70年代首先开发出壳程流体纵向冲刷管束的折流杆式换热器，显示出优良的水力和热力性能。此后，世界各国对该类型换热器进行了深入研究，开发出多种强化传热结构，如高效强化管和新型管束支撑等，并应用于石油、化工、动力和医药等行业[8]。纵向流管壳式换热器即指在管束支撑物作用下壳程流体呈纵向流动的一类换热器。其突出特点是：壳程流体纵向冲刷管束，与管程流体实现了完全逆流，因而有效温差大，无传热死区，避免了流体横向冲刷管束时引起的诱导振动，支撑物对壳程流体扰动可强化传热。因此，此类换热器具有传热效率较高、流动阻力小、抗结垢能力强、设备投资及操作费用低等优点。然而，纵向流换热器一般在低雷诺数下传热效果不佳，所以仅适用于高雷诺数的工况。因此，强化纵向流换热器在低雷诺数下的传热，对其结构发展、性能提高和广泛应用意义重大。(1)纵向流换热器的单项强化传热对纵向流管壳式换热器的传热强化可从高效强化管与新型管束支撑两个方面考虑。多数强化管对管程和壳程的对流传热都具有强化作用，但强化管程的较多；新型管束支撑使壳程流体的流动状态和流动方向发生转变，对壳程的强化传热非常关键。对高效强化管或新型管束支撑等单项强化传热技术的实验研究报道较多，但制造工艺报道甚少。几种主要的高效强化管特点如下：1）翅片管主要是利用管子的扩展表面增大换热面积，粗糙表面能促进湍流；2）螺旋槽管为双面强化管，其强化传热一是靠螺旋槽的引导作用使近壁处流体发生旋转，加强了径向扰动；二是发生了扰流脱体，形成了回流区，在附点处换热最强。3）横纹(槽)管也是双面强化管，强化传热是靠流体流过管外凹槽和管内凸肋时，管壁附近形成轴向涡流，造成边界层分离并减薄厚度，其性能优于螺旋槽管。4）缩放管促使流体急促扩张和缓慢收缩流动，扩张时产生剧烈漩涡，收缩时可有效利用漩涡，还可提高边界层速度，实现双面强化传热。新型管束支撑的特点为简化管束支撑、提高换热器的紧凑度，近年来开发出一些自支撑管，如：1）刺孔膜片管主要用于强化壳程传热，刺孔膜片既是支撑元件，又是管壁的延伸，增大了单位体积内的有效传热面积。2）螺旋扁管为双面强化管，由圆管轧制或由椭圆管扭曲而成，靠相邻管突出处的点接触支撑管子。3）变截面管是将普通圆管用机械方法相隔一定节距轧制成互成一定角度的扁管形截面，变截面管靠变径部分的点接触支撑管子，同时又组成壳程的扰流元件。4）螺旋扭片螺旋扭片由宽度很窄的金属薄片扭制而成。(2)纵向流换热器的复合强化传热复合强化传热技术就是同时利用两种或两种以上不同强化传热手段来实现强化传热的方法，被誉为当代最有希望的强化传热技术。上述各种单项强化传热技术对传热的强化有一定限度，因此，要进一步提高纵向流管壳式换热器壳程的传热性能，必须采用复合强化传热技术。可简单介绍以下几种方式：1)新型管束支撑与强化管复合——在壳程流体纵向冲刷管束且雷诺数不太大的情况下，仅靠折流杆或空心环等新型支撑的扰流作用不能使壳程流体达到充分湍流，传热效果较差。因此，在工程设计中采用强化管代替光管，使新型支撑和强化管的粗糙表面同时起作用，管程和壳程的传热效率都将大大提高。2)折流杆与弓形折流板复合——在此类复合强化换热器中，为了调节壳程流体流速并促进湍流，根据工艺介质流量在壳程内一定间距加装弓形折流板，每两块折流板之间设有两或四副折流栅，折流杆纵横交错分布，既有扰流功能，又有加强换热管刚性支撑的作用。3)折流杆与整圆形孔板复合——该复合结构主要是利用整圆形孔板对壳程流通面积的调节作用，调节壳程流速，以及管孔对流体的“射流作用”，增加流体湍流度，减薄管壁液体边界层，从而强化壳程传热。4）折流杆与旋流器复合——为了提高折流杆换热器的壳程传热性能，在各种强化管制造困难和成本高的情况下，换热管仍采用光滑管，将结构简单的旋流器(如螺旋扭片等)加装在壳程内换热管之间，无疑是一种行之有效的强化方法。5）分程隔板与半折流栅复合——此复合结构从提高壳程流速出发，在原折流杆换热器壳程加装纵向隔板，整圆折流栅相应地改为半圆折流栅，排列方式不变，形成所谓的“双壳程折流杆换热器”，壳程流体的流通面积减少了一半，管束长径比约为普通折流杆换热器的三分之一。6)导流筒与新型支撑和强化管复合——目前的纵向流管壳式换热器尽管在壳体内采用新型支撑和强化管等强化传热结构，但在壳程的进、出口处流体仍然为横向流。流体横向冲刷管束时，摩擦阻力增大，流体诱发管束振动，存在传热死区等，在进口处常出现流体磨蚀换热管而引起泄漏。因此，在上述复合强化技术的基础上，在进、出口处设置导流筒，能有效地克服以上不足，传热效率可提高10%[10]。(3)纵向流管壳式换热器的发展方向纵向流管壳式换热器以优良的抗振性能及卓越的流体力学和传热性能，将逐步取代传统的折流板管壳式换热器。但其自身仍存在不足，在今后的研究和发展中，结构和性能需不断完善。主要有以下几个方面：1）改进各种高效强化管的结构及其制造工艺，实现强化管结构和制造工艺的简单化，降低加工成本，推动强化管的工业化生产和应用。确定强化管和新型支撑的最佳组合及适用工况，使换热器发挥最大效率。2）加强实验和理论研究，采用先进的测量仪器来精确测量换热器的流场分布和温度场分布，并结合分析计算，进一步摸清不同结构的强化传热机理，寻找开发新型强化结构的途径，或确定现有结构的流阻系数和传热准则方程，便于工程计算和设计。3）开发新型支撑必须遵循结构简单、流阻小、传热效率高及适应范围广的原则，尤其在低雷诺数下能提高纵向流换热器的性能，这是今后研究的一个重要方向。4）采用数值模拟方法对换热器内流体流动和传热过程进行研究，预测各种结构对流场及传热过程的影响，是一种方便、快捷、直观和节约的方法，有利于各种结构的对比和优化[11]。2．针翅管换热器的特点及其应用为了提高管壳式换热器的传热效率，国内外先后研制了各种强化管内、管夕附热的换热元件。常用的管外强化无相变传热有效方法一般分为两类，一类为螺纹管、肋片管连续表面；第二类为开岔短肋、钉头管、太阳棒等连续扩展表面。其中钉头管强化传热效果十分显著，加工方法也简单，但由于受管壳式换热器布管的限制，难以在管壳式换热器中显示其强化传热的优势。近年来，人们新开发了几种传热元件，其中针翅管传热元件较为理想，它不但结构简单，便于加工，而且由于具有一定的倾角，使得换热管在获得更大传热面的同时，能保持较小的管间距，因此，从理论上讲，对管外为高粘度油品传热的管壳式换热器的强化效果是十分显著的。(1)针翅管传热元件强化传热的机理无相变换热器的传热为对流传热，当流体流经固体壁面时，近壁处存在一层滞流层，其流速较低，在沿壁法线方向几乎没有对流传热。用热传导的方式进行传热时，其导热热圈较大，流层中温度梯度也较大。强化对流传热的机理主要是利用流体的分离，二次流及边界层周期性地形成开始时所造成的扰动，使边界层不断地受到破坏，从而增大传热系数。当传热介质为高粘度时，易在外壁上形成一层稳定且较厚的边界层，这层液膜会产生较大的附加热阻，影响传热效率。只有使流体产生强烈的径向运动，加强流体整体的流合，形成湍流，才能有效地强化传热。针翅管换热器强化传热的机理就是在扩大二次传热面的同时，利用流体的扰动使流体的边界层不断地受到破坏，从而有效地提高传热系数K。由于针翅管采用连续性扩展表面，针翅与基管采用同一种材料，消除了接触热阻，从而较大地提高了传热系数。在针翅管换热器中，所有针翅管都会受到流体的横向绕流，这样不但提高了流体的湍流度，消除了流体流动时的旋涡死滞区，又增加了流体的扰动和混合。当流体流人针翅管换热器管束时，在前置针翅上开始形成边界层，但边界层随后在后置针翅上遭到破坏，并消失在后置针翅上旋涡区中。再在下一排针翅上形成新的边界层，继而再在下一排针翅上遭到破坏。如此反复不断，保持整个换热面都充分利用了边界层起始段较薄、热阻较小的有利条件，提高了传热系数，降低了污垢生成的机率。从理论上讲，针翅管换热元件可以广泛应用在各种热交换器中，如滑油冷却器、空气冷却器、冰机冷却器、空调冷却器等。但由于换热管上针翅的布置、针翅长度和倾斜角度都将直接影响传热的效果，在各类产品中，又表现出各种不同的特征。例如在空气中要求高肋的翅片，而在滑油冷却器中却要求低肋的翅片，为此，人们对针翅管的结构进行了优化设计研究，形成了S型针翅管系列，以满足不同类型换热器的需求[12]。(2)应用特点1）换热管管外介质为高粘度流体时，采用针翅管换热器的强化效果比较突出。2）在低雷诺数下，针翅管的强化传热效果显著，也就是说，在提高传热系数K的同时，适当降低壳程流动阻力。3）针翅管换热器在大容量、高传热量的工况下运行，经济效益十分显著。4）采用针翅管换热器不仅可以减少设备投资，而且可以降低操作费用。1.3.6结语换热器技术的进步，大大提高了换热设备的效率，使能源得到更为有效的利用。同时，高效换热器所需的传热面积更小，压降更低，使设备投资和操作费用得到优化。此外，工质流体流动更为合理，抗振、防腐、自洁、换热器寿命等多方面性能得到改善。不断提出的新问题，和相关的有益的工作体现了换热器技术发展的方向:提高综合传热系数；降低管程、壳程的流体压降；增加单位体积的传热面积，即结构的紧凑度；低廉的成本和价格；延长使用寿命；综合考虑加工、运输、安装、操作及维护等方面。1.4管壳式换热器性能检测实验台的智能化随着自然科学、工程技术的不断发展，测试技术越来越为人们所认识和重视，并已成为科学研究不可缺少的重要手段，特别是随着计算机与电子技术的发展，测试技术开始了一个新的发展阶段。在热能工程领域中，测试技术也起着重要的作用。这一学科的发展，无疑将会大大促进热能工程领域科学研究及其应用技术的发展。事实上，微型计算机在其问世后不久，就应用到了测试技术领域。随着微型计算机功能的不断增强和价格的不断下降，测试技术与微机技术的联系越来越密不可分。与此同时，测试任务也越来越复杂、繁重，传统的模拟式、数字式测量仪表及设备已不能很好地适应这种需求，而微型计算机技术及大规模集成电路技术的飞速发展，正好可以填补这一空白。因此，有人预言，新型的测试仪器与设备，如果没有应用微机技术，将是没有生命力的。在电子计算机诞生的最初年代，计算机在测试技术中应用的主要目的，是对测量结果进行统计分析等一些很基础的工作，测试技术和计算机的进一步结合，是通过模拟——数字转换装置将测量仪表直接与计算机连在一起，组成电子测量系统，可以在测量结果进行储存、显示、打印等操作。这种系统在六十年代末到七十年代初大量涌现通常被称为第一代自动测试系统。到了70年代中期，通用标准接口总线的出现，如IEEE—488、RS—232—C等，解决了仪器与仪器之间、仪器与计算机之间的连接问题，出现了以计算机为核心、同多台可程控制仪表按积木组合方式构成的成套装置即第二代自动测试系统。这种系统发展很快，到了80年代初，能与标准总线兼容光焕发的仪器就有2000多种。随后，微电子学的迅速发展，和测试技术与计算机的结合发展到一个崭新的阶段，即从原来的仪表附属计算机过渡到计算机附属于仪表的系统了，这就是第三代自动测试系统（以称智能测试系统）。由于采用软件来代替传统仪表中的许多硬件结构或电路，仪表的成本得到降低，而功能却大大增强，同时由于采用非线性处理等技术，仪表的测量精度也大为提高。另外，标准接口的应用，使得构造自动测试系统十分方便。在热能工程测试技术领域中，微机的应用几乎随处可见，无不体现出微机应用带来的经济和社会效益。总的来说，在热能方面主要有以下几方面的应用：1．将常规的测量方法加以智能化，使得热工参数的测量精度大大提高，也为计算机的进一步应用打下了基础。如带有非线性修补偿的热电偶及流量计、具有多点自动测试及记录功能的温度自动测试仪等。2．计算机辅助测试技术（CAT）使得复杂的热能与动力工程测试任务变得简单、可靠，一个典型的应用是，在热能与动力机械设备的实验中，由于采用了计算机辅助测试系统，试验人员的工作量大大减少，试验成本下降，效率及可靠性得到了显著的提高。3．数据采集及监控系统，在热能与动力工程中应用最为广泛，小到家用冰箱温度的自动控制，大到核电站、大型船用柴油机在不停机条件下工作状态的故障诊断。其中后者在以前是相当粗糙的而现在微机技术使得我们可以及时地了解到各个关键部位、各种参数的实时技术状态，并通过自动执行机构，完成诸如调节、记录、报警等相应的动作。随着热能与动力工程的不段发展，对其过程中各种参数的测量，尤其对瞬变参数的测量而言，要求其精度高、速度快并能实时迅速处理。因此自动测试系统随之得到迅速发展。综上，检测系统的的节能和智能化迫在眉睫，发展智能化的换热器的实验检测台对本领域今后的科研与生产将产生极大的促进作用。1.5本文研究的主要内容本次壳管式换热器通用实验台设计主要包括如下几部分内容：换热器实验检测台所采用的制冷系统的工作循环的分析，才确定实验台的方案设计即实验方案、实验过程、设备要求、设备选型、数据采集、结果分析。最后得出结论，对换热器的总体性能有个整体的了解，也就达到了本次实验的目的。1.6本章小结本章作为本课题研究的综述部分，重点论述了壳管式换热器在当今国民生产中的重要性，以及建立壳管式换热器检测实验台的必要性；比较系统地阐述了壳管式换热器在国内外的发展现状，主要的技术成果，同时指出了现今壳管式换热器研究中存在的不足之处，特别是检测实验的缺乏给各中小型企业的产品研究带来的不便；另外本章还介绍了当今最先进的计算机检测技术，指出计算机系统在壳管式换热器检测实验中应用的先进性。壳管式换热器通用实验台的设计本章将通过对制冷系统的工作原理的分析及对冷水机组运行情况的研究，了解制冷系统运行时工作参数变化情况，并归纳总结出影响制冷系统正常工作的主要参数，从而为确定描述制冷系统运行状态的监测参数提供参考依据，在此基础上，最终提出壳管式换热器通用试验台设计的总体方案。2.1制冷系统的工作原理换热器产品性能测试实验是建立在热平衡的基础上，即在热流体所放出的热量与冷流体所获得的热量基本相等或相对误差在一定的范围内，通过获得与换热器性能有关的可测量参数的实验数据，并依据相应的数据处理方法，如威尔逊图解法、等雷诺书法等[14]，对该实验数据进行分析处理，从而分析出该换热器在传热及压力降等方面的性能指标及准则方程式。换热器的主要形式是间壁式换热器，这种换热器的冷、热流体分别位于固体壁面两侧，而由壁面间隔开来，冷热流体之间能通过壁面进行热量交换。目前生产与生活中所使用的换热器90%以上是属于此种换热器类型。本实验台主机（冷水机组）采用蒸汽压缩式制冷。它由压缩机（可变容量的螺杆式）、冷凝器（壳管式）、节流阀（热力膨胀阀）和蒸发器（壳管式）四个部件并依次用管道连接成封闭的系统，制冷剂为Rl2。其工作流程如下：从冷凝器流出的高压液态制冷剂经过滤器过滤及回热段过冷后，通过热力膨胀阀降压降温后进人蒸发器，变成低压低温的蒸汽，吸收冷冻水的热量，经回气管进入压缩机吸气管，在压缩机内压缩成高温高压气态制冷剂后送入冷凝器，在冷凝器中放出热量并传给冷却水，由高压过热蒸汽冷凝成液体，再进入热力膨胀阀，重复上述循环。冷水机组制冷循环中，包含着制冷剂的蒸发过程、压缩过程、冷凝过程和节流过程，图2-1所示为制冷循环的压力(P)～焓(h)图。由图可知，来自蒸发器的制冷剂蒸汽进入压缩机的为状态点1，考虑回热器热交换。则压缩机的吸汽温度大于制冷剂出蒸发器时的温度，即有〉。状态点2为制冷剂在压缩机内被压缩后升温增压进入冷凝器内的状态，1—2过程即为制冷剂气休在压缩机内的绝热过程，该过程沿等熵线进行。状态点3为制冷剂气体在冷凝器中被冷凝后成为制冷剂饱和液体状态。状态点4为制冷剂液体经回热管段过冷后的状态，由于制冷剂液体在过冷过程中压力等于冷凝压力，因此．状态点4位于2—3冷凝过程线的延长线上。状态点5为液态制冷剂经热力膨胀阀节流降压后进人蒸发器的状态。在此过程中，制冷剂的压力降低，但焓值保持不变。过程5—6则表示液态制冷剂在蒸发器内吸热汽化过程，液态制冷剂成为气态。过程6-1为等压过程。图2-1制冷循环在lgP—h图上的表示状态点6为制冷剂在蒸发器内吸热汽化后流出蒸发器时的饱和蒸气状态，状态点1为饱和蒸气经回热管段过热后的状态，由于制冷剂蒸气在过这过程中压力等于蒸发压力，因此，状态l点位于5图2-1制冷循环在lgP—h图上的表示由lgP-h图分析可知．影响制冷循环主要参数包括：蒸发压力、冷凝压力、压缩机吸汽温度、压缩机排汽温度及过冷温度。当制冷循环运行工况发生变化时，制冷系统工作参数将发生变化。2.2壳管式换热器通用实验台方案设计由以上分析可见，制冷系统运行中部件之间匹配关系、参与运行的物质和物质的状态错综复杂，而且随着工业技术的不断能发展，制冷系统的规模将越来越庞大[15]。因此有必要建立制冷装置通用实验台，深入研究制冷系统运行状态参数变化规律。根据国家有关标准及换热器性能的实验原理，首先对实验系统的硬件进行了总体的设计，在此设计基础上搭建了实验台并在建立过程中作出了相应的改进与调整。本系统选用间壁式、流体为液—液的换热器进行实验，测定其传热性能和流体阻力特性。要求通过试验能够确定间壁式换热器的传热性能，给出不同定性温度下传热系数与流速之间的关系曲线，并建立努谢尔准则数与雷诺准则数之间的准则方程式；确定间壁式换热器的流体阻力性能，给出压力降与流速之间的关系曲线，并建立欧拉准则数与雷诺数准则数之间的准则方程式。2.2.1制冷装置运行状态监测中物理参数的选取应考虑的问题制冷系统检测参数的选取是进行在线诊断的关键。在实践中，由于工况的变化及制冷系统具有故障现象干差万别，系统物理参数繁多，许多参数难以测量等特点。在线状态监测时选取制冷系统物理参数时应考虑到：1．测量集的完备性将选取的所有制冷系统物理参数视为测量集，则测量集是制冷系统物理参数集的一个子集。该测量集不一定能用来唯一描述制冷系统所发生的所有工况。但是，如果：我们只以一些常见的正常和故障工况构成描述该对象空间，则适当选取的测量集是能够唯一描还该对象空间的各个元索的，这时我们就认为该测量集相对于该描述对象空间具有完备性。完备性是测量集选取时应考虑的首要因素。2．测量集的可扩充性在实践中我们会发现当初选取测量集时有一些因素未考虑周全，导致后来在实验阶段发现测量集不具备完备性．这时就需要对测量集进行扩充。3．测量集的冗余性在测量集中可能有两以上的物理参数间满足一定的函数关系，这种参数集便构成了冗余，但为了降低实验成本应尽量减少冗余。4．测量集易实现性制冷系统中有许多物理数不便测量，而且一般也不予测量。在保证测量集的完备性前提下，应尽量避免选取这些参数。测量参数还要求测试方法简单，传感器价格适中，易于实现。表2-1所示为本实验所采用测量参数：表2-1被监测的物理参数序号参数名称序号参数名称1压缩机蒸发压力(吸气压力)P17蒸发器进口温度t52压缩机冷凝压力(排气压力)P28蒸发器出口温度t63压缩机吸气温度t19冷冻水温度t74压缩机排气温度t210冷却水进水温度t85冷凝器出口温度t311冷却水出水温度t96膨胀阀进口温度t412冷却水流量G2.2.2系统设计制冷装置通用实验台系统设计制冷装置通用实验台的组成如图2-2所示。壳管式换热器通用实验台壳管式换热器通用实验台数据处理数据采集系统软件部分硬件部分图2-2制冷装置通用实验合的组成壳管式换热器系统实验台采用冷水机组（可变容量的螺杆式压缩机、管壳式冷凝器、管壳式蒸发器、配套的热力膨胀阀）作实验平台。为了便于实施换热器检测实验．实验台在制冷系统部分采取了如下改造措施：1．在冷冻水箱中布置三支2000W(220V）的电加热器，以提供蒸发器冷热平衡相应的热负荷。2．在冷凝器冷却水进口处串接一个最大功率为5000W的220V电热水器（功率四档可调），以方便地改变冷凝温度。3．冷却水箱采用立式圆柱不锈钢水箱，以防止水箱结锈并有利于散热；根据实验室空间大小，冷冻水箱设计为由两个立式圆柱不锈钢水箱组成，中间加装有连通器，其中热水由两组共十二根电阻加热器来加热，十二根电阻加热器分别安装在两个热水箱中，由控制柜中的温度控制器进行恒温控制。4．考虑到压力变化较小及流量控制的方便，冷却水、冷冻水泵都采用了离心式水泵，两台水泵的控制线路都集中地连接在控制柜中，分别由两台日本SanKen变频器来进行流量控制；管路采用聚脂PPC管进行连接，PPC管具有保温性能好、耐热性好、抗冲击、耐腐蚀、价格低廉的特点。但其连接方式为热连接，且连接后管路进行重新调节困难。为了防止水中有杂质与颗粒堵塞流量计并造成温度计与压力计的测量误差，管路中设计加装了过滤器，过滤器可以定期取出冲洗除污。5．冷却水的散热系统除了冷水箱本身具有散热能力外，冷水系统的管路中安装了空气冷却器，空气冷却器主要是利用空气来将热水传递给冷水的热量带走，冷却介质采用空气，但是尽量考虑到如果采用水冷，效果要比空气冷却好，但水资源的消耗太大，因为如果作一次完整的实验，总花费时间约在50-60小时左右，而冷水的冷却时也约有35—40小时，这样的冷却水消耗是不必要的；二是空气资源十分丰富，实验过程中没有污染。图2-3实验台制冷系统及传感器布置图实验台制冷系统传感器布置如图2-3所示。在本系统中，计算机直接参与设备运行过程的检测、监督，主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理，并以一定的形式输出（如屏幕显示），为设备管理人员提供详实的数据，以便于他们分析、了解、监视设备运行过程。图2-3实验台制冷系统及传感器布置图2.2.3测控系统测控系统由温度、压力及流量传感器及变送器、控制柜内的二次显示仪表、I/V转换板、AD板卡、DA板卡、变频器、冷水泵、热水泵及计算机组成完整的系统。系统中使用的热电阻温度计输出电流信号，涡轮流量计输出脉冲信号，扩散硅压力计输出电流信号，温度与流量信号都送往控制柜中的二次显示仪表与计算机并联显示，所有的可远传信号最后都变成电流信号送往I/V转换板，经AD板卡变成数字信号后被计算机接收。控制方法采用的反馈控制，主要对热、冷水的流量以及压缩机转速进行控制，由计算机传出的控制量经DA板卡变成模拟信号后送变频器来调节控制冷、热水泵的转速，从而达到控制流量的目的。测试系统组成如图2-4所示多路开关制冷系统温度流量多路开关制冷系统温度流量压力热点偶温计度计涡轮流量计扩散硅压力计计计放大器显示仪表I/V转换板AD板卡计算机DA板卡变频器变频器冷却水泵冷冻水泵热电偶温度计输出电流信号涡轮流量计输出脉冲信号扩散硅压力计输出电流信号显示仪表输出4~20mA的电流信号I/V将电流信号转换成电压送到AD卡计算机将电压信号送DA卡，来驱动变频器控制流量图2-4原理接线图2.2.4数据采集系统软件部分设计1．设计原则基于目前Microsoft公司的Win9x/NT操作系统在个人计算机上使用的大众化及普遍性，也由于该操作系统的稳定性、方便性及实用性，《换热器性能实验自动测控系统》的软件部分是在Win9x/NT的操作系统下开发的。编程工具采用的是也是该公司VisualC++面向对象的编程语言，这样有两个优点：一是VisualC++这种编程工具可以与win9x/NT系统实现无缝链接，在程序编写与调试过程中避免了许多麻烦；一是基于C语言的visualC++有很强的硬件访问能力。软件的设计原则：(1)．基于Win9x/NT的系统平台，不独占用资源，易于实现多媒体教学，实验与科学研究，便于数据在不同的进程间传递。(2)．在单机，单系统上工作。(3)．先进的面向对象的编程思想，有利于程序的重用与移植。(4)．可视化的编程工具，节约时间，避免重复性工作软件的总体框图如图3—3所示人机界面系统图人机界面系统图运行参数控制台报表运行结果数据反馈数据归档数据处理数据库采集及控制层现场数据处理数据库图3-3软件的总体框图2．软件的层次本软件由三层结构组成，分为测控层（低层）、传递层与管理层（高层）。1）测控层：负责数据的现场采集，数据库归档，原始数据处理，控制数据发送及向管理层传递参数据。2）传递层：负责数据在低层与高层之间进行传递。3）管理层：负贵原始数据动态显示，数据变化趋势的动态曲线描述，控制参数据的调整修改，计算参数输入，实验结果的显示。级层与高级层之间通过VC所生成的CDocument类的对象文件实现接口。软件的两层结构可以避免高级层直接操作低级层，造成数据冲突，无意识修改。同时也可以有利于软件的移植，重用性。3．主要功能根据软件的总体框图，完成后的软件主要由系统图、运行参数、参数调整及报表等四部分组成人机界面，来完成人机交互传递信息，这四部分也涵盖了该软件的主要功能。软件在完成后可以实现下列功能：(1)．实时采集工作流程中的运行参数。(2)．自行控制水泵与空冷器，进行无级调速。(3).在线对运行参数进行数字显示并描绘动态趋势。(4)对运行参数用数据库进行保存，可以查看历史数据库，打印所研究参数，及报表，日志打印功能。(5)．使操作者能通过人机界面充分了解工作台运行流程及状态的系统图(6)．可对控制模式进行在线修改，调整测控系统需要丰富的界面与用户进行交流，以使用户能充分了解实验原理，参数变化，系统变化趋势及实验数据的采集处理情况。必不可少要以多个界面向用户展示该实验系统，但以往程序界面单一枯燥，多界面由于计算机屏幕空间较小，多窗口同时运行必然造成空间过小，用户看不清界面，重复的开关窗口会有操作不方便，系统资源浪费，且不能有多种关于实验台信息同时呈现于用户面前的效果，造成用户思维中断，或思路不清晰的结果。鉴于此，本系统开发了新的标签窗口，该窗口类可以多个窗口同时运行，且处理简单方便。2.3本章小结本章在综合考虑了制冷系统各部分性能匹配的基础上，设计了壳管式换热器性能检测实验台，以及实验流程，确定了相关实验参数及其传感器的布置；设计了计算机数据采集系统硬件部分和软件部分，以及系统布置方案，为下面系统设备选型及实验的具体实施做好充分的准备。第三章壳管式换热器通用实验台的设备选型3.1检测仪器及测量元件的选用作为制冷装置运行状态监测使用的智能检测仪器应满足下列总体要求：1．满足设备工况检测基木功能的要求。2．在保证采样定理的前提下能满足不同对象信号要求。3．所选择的芯片或整机应是工艺成熟，性能优良，价格低廉；从而使组成的仪器可靠性好、性能价格比高。4．应当首先考虑仪器功能升级问题，设计时便在软硬件方面留有余地，防止将来改动太大。5．外设（显示器和键盘）在满足当前使用和考虑将来升级的情况下宜尽量简单。6．在保证运算速度的前提下，尽量用软件实现硬件功能，使总成本最低。3.1.1温度传感器1．温度传感器选择的原则能与计算机测试系统匹配的温度传感器，因为都要能输出电量信号．可供选择的温度传感器就只有热电偶、热电阻及晶体管等几种。对于制冷装置状态检测及故障机理研究实验，这些温度传感器的选择应当遵循下列原则：(1).感温元件的体积和热容量应尽可能小，不致于破坏被测介质的温度场。(2).感温元件的时间常数应当小，以便降低测量的动态误差。(3).感温元什的材料应与所使用的测温范围相适应，在所使用的测温范围内，化学稳定性要好。(4).感温元件的物理稳定性要高，其物理性质在使用的测温范围内不随时间而变化。(5).感温元件材料的复现性要好。使同种材料制成的感温元件具有互换性。2．温度传感器的选用根据以上原则，我们选用广州粤茂电子科技有限公司Pt100型温度变送器（共9只），它属热电阻型，其主要技术指标如表3-1所示。表3-1温度传感器技术指标指标数据测量范围-200~600测量精度0.3%漂移温度漂移0.025%/，时间漂移<0.5%/年工作范围-10~70，0~85%RH工作电源＋24V负载能力0~500Ω常用的热电偶温度计尽管价格便宜，但精度低。热电阻温度计测温精度高，测温范围为13.8K~903.89K，可作为标准温度计，且不需要冷端补偿，可以实现信号远距离传送等优点。热电阻温度计分别安装在冷冻水进口、冷冻水出口，冷却水进口、冷却水出口的管路上，插入中心位置，以测量进出换热器的冷却水或冷冻水的温度差。图3-1AI-808P人工智能调节器接线图系统采用的铂电阻温度计精度等级为0.1级，经检验合格。显示仪表配用AI-808P型人工智能工业调节器。铂电阻温度计配有SBWZ型一体温度变送器，将它与热电阻配合，可以输出4~20mA的电流，送与二次显示仪表，二次显示仪表在显示数据的同时，再将测量信号转换成4~20mA的电流输出，送给I/V转换板，通过I/V转换板转变成电压后，由AD卡采入计算机中存储、处理。图3-1AI-808P人工智能调节器接线图具体接线如图3-1所示。3.1.2变送器系统变送器系统接线如图3-2所示。24V通过屏蔽电缆给WB温度变送器供电，变送器的‘+’接＋24V电源的正极，‘—’输出4～20mA，接计算机的取样电阻（选用250欧高精度电阻），表输入的‘—’与＋24V电源共地。A、B应短接（两线接法）。线应牢固接在接线柱上以减少接触电阻的影响。图3-2变送器系统接线图3.2压力传感器3.2.1压力传感器选择的原则所选的压力传感器能与计算机数据采集系统匹配，能把被测压力转换成电信号（4~20mA，或DC0~5V，或DC0~10V）输出。压在制冷装置状态检测及故障机理研究实验时，选用压力传感器，还应考虑如下技术指标和电气特性。1.传感器的总精度（包括非线性度、迟滞、不重复性）在所测压力及工作温度范围内，应当小于0.25％。2.传感器的量程应与被测压力（或压力差）相适应。并具有过压力保护功能。3.2.2压力传感器的选用选用PT4000系列（广州粤茂电子科技有限公司）应变式压力传感器基本满足以上要求，它同时具有温度性能稳定。完善的温度补偿工艺，精度高，稳定性好，结构简单而成本低廉的特点。该压力传感器属固体应变式压力传感器，可安装于管路上，用来连续测量流体（液体，气体，蒸汽）的压力，可将被测量信号转换成文4~20mA直流电信号输出。测量信号通过I/V转换板变成电压后，由AD卡采入计算机中。1．低压侧低压侧选用PT440系列压力变送器。其主要性能指标如表3-2所示。表3-2低压侧压力变送器性能指标指标数据量程0~1MPa非线性、滞迟0.2FS重复性0.2FS最高使用温度范围-20~60供电电源24V负载电阻0~1100Ω（12~36V)2．高压侧高压侧选用PT450系列压力变送器，其主要性能指标如表3-3所示。表3-3高压侧压力变送器性能指标指标数据量程0～1MPa非线性、滞迟士0.2FS重复性士0.2FS最高使用温度范围-20～120℃供电电源24V负载电阻0～1100Ω（12～36V)温度零点和温度灵敏度漂移0.003%FS/℃输出二线4～20mA3.3.流量计3.3.1流量计的选择原则所选的流量计能够输出电信号、并与计算机数据采集系统匹配。满足要求的流量计主要有：电远传转于流量计、涡轮流量计、质量流量计、差压式孔板流量计，以及差压式喷嘴流量计等几种。选用何种流量计测试，必须根据被测流体的条件、对仪表准确度和量程比的要求，以及仪表安装的条件来确定。流量计传感器的选用。由于本课题中要求计量流量准确度较高，时间常数小于50ms，使用温度范围和可测量范围较大、量程比也较大，实验台有足够的水平安装位置．测量介质为水，因其洁净，且密度与粘度随温度变化较小，故选用LWGYA-12型涡轮流量变送器。LWGYA—12型涡轮流量变送器基本参数如表3-4所示。该流量计具有精度高，惯性小，复线性好，输出频率信号抗干扰能力强等优点。此类流量计的输出为脉冲信号，必须与相关显示仪表配套使用。系统采用LWGY型涡轮流量计精度等级为0.5级，经检验合格。显示仪表配用XSL—1B型智能流量显示仪表，由现场采集的流量信号由流量计输出脉冲信号，此脉冲信号被送到XSL—1B型智能流量显示仪表，该仪表在显示数据的同时可以输出模拟信号，输出4~20mA(DC）的电流。电流信号在通过1/v转换板转换变成电压信号后，经AD卡送达计算机。表3-4低压侧压力变送器性能指标指标数据电流输出4～20mA两线制远传变送型公称直径12mm流量范围0.2～l.2m/h工作压力6.3MPa介质温度-20～+120℃环境温度-20～+55℃供电电源电压：12V±10%；电流：≤10mA输出电压幅值高电平：≥8V；底电平≤0.8V传输距离传感器至显示仪表的距离可达1000m3.4数据采集卡由于研华公司拥有19年数据采集、控制卡研发设计及规模制造的经验，提供工业数据采集全系列产品，并且拥有丰富的终端接线方式设计和强大的软件支持，是面向工业现场控制，提供设备互联支持的现场总线家族中的一员。由于其配置灵活、性能/价格比优、可靠性高等特点，在工业现场中得到广泛的应用。因此在本系统中，数据采集采选用研华PCI—1711插入式多功能卡。PCI—1711/1711L是一种100KS/s，12位，16通道单端输入低成本多功能PCI卡，其功能参数如表3-5所示。表3-5数据采集片功能参数数据采集卡性能及参数12位分辨率。100KS/s采样频率16路单端模拟量输入各通道增益可单独编程自动通道/增益扫描板载1KFIFO2路12位模拟量输出16路数字量输入/16路数字量输出定时器/计数器控制系统主要由变频器、AD卡、DA卡、漏电保护装置、温度调节器及计算机组成。3.4.1变频器流量调节的执行机构采用IPFllK，IPF7.5K型SANKen变频器，该变频器可把感应电机用作可变速驱动的装置，通过改变频器电流频率来调节电机转速，从而达到调节流量的目的。经检验性能良好。变频器的输入信号由计算机通过DA卡输入，其输入信号为电压，范围为0~10V。3.4.2.AD卡及DA卡1.本系统采用中泰公司的PC6313数模及模数转换卡，AD卡与DA卡是集成在一块电路板上，总线结构为ISA总线。输入通道为单端32路，A/D转换速度为10us，分辨率为12位。2.模拟部分：DA卡转换分辨率为12位，输出可为电流输出，也可为电压输出。转换状态可以有程序查询，也可以用中断方式通知CPU读取转换结果。采集的数据变成数字信号送到计算机后，在计算机中经控制算法处理，然后将数字信号送于DA卡并由DA卡转换成为模拟信号，模拟信号传输给变频器，变频器在接到计算机的电压信号后，通过改变交流电频率来改变水泵的转速，从而改变流过换热器的流量，使流量达到操作员所设想的结果。3.4.3温度调节器负责进行热水箱的温度调节，保证热水箱的温度保持在55℃。四组加热器分时工作，每组延时十五秒后启动。这样可以避免同时启动造成总电路中电流过大，形成危险。3.5计算机硬件系统系统采用一台采用七喜牌台式电脑，配置如表3-6所示。，我们不选用工控机是由于所选用的个人微型机具有性能好，系统功能更强的特点，可以实现实验控制与数据测量，同时可以进行教学研究，或在漫长的实验过程中进行娱乐活动。本控制系统可以实现手动或自动进行实验，手动实验是实验员不启动计算机系统，直接进行手动调节变频器，设置所期望的流量，并在仪表中读取现场数据，进行数据记录整理。自动实验是实验员将现场与计算机同时启动运行后，不在进行人为干预，由计算机自动进行数据采集、记录、处理及结果输出。表3-6电脑配置电脑配置性能及参数处理器：英特尔、“赛扬”处理器2、4GHz网卡：10～100MB网卡硬盘：60GB7200RPM软驱：l.44M内存：256MBDDR显卡：集成高性能显卡光驱：DVD一ROM显示器：17寸纯平显示器通讯接口RS232串口、USB接口、COM接口外设：Canon打印机等3.6本章小结本章在第二章设计的基础上，对相关实验设备进行详细的选型，主要包括：温度传感器、压力变送器、流量计，以及与数据采集系统相关的设备，如微型计算机、数据采集卡等。到此，所有实验前的准备部分全部就绪。第四章换热器实验台检测及数据处理4.1实验测试数据的理论计算方法常规的实验系统是在现场流程中安装参数测量传感器如温度传感器、压力传感器、流量传感器，利用这些传感器可以获得与换热器性能有关的现场数据，现场数据由连接在传感器上的电信号变送器将现场信号转变成为电信号进行远传，送给显示仪表或数据采集卡，进行数据的显示、采集、处理及控制反馈[17]。在本文所阐述的实验系统中，主要是进行温度、压力与流量的数据实时测量，并对流量进行控制，现场数据在经过上述过程变成电信号后，被送往计算机进行数据处理及用作控制反馈。间壁式换热器性能实验所采用基本的热平衡计算公式如下：冷流体流速(4-1)热流体流速(4-2)热流体热流量(4-3)冷流体热流量(4-4)热平衡相对误差(4-5)对数平均温差，当时(4-6)当时，(4-7)当时(4-8)传热系数K：(4-9)实验中的测量项目有a冷却水、冷冻水的体积流量；b冷却水、冷冻水的进、出口温度；c冷却水、冷冻水的进、出口压力及进、出口之间的压力降。4.2基本实验内容首先在给控制柜与计算机通电后，启动加热器；加热器对热水箱中的水加热一段时间后，热水泵开始循环，这样可以使热水箱，热水系统管路内及换热器热水侧的水温趋于一致；再同时启动冷，热水泵运行30分钟；待系统进入稳定状态后，通过计算机不同的控制方式（自动模式，调整模式，自调模式）控制冷．热水泵达到指定工况；待系统达到新的稳定状态后，可以进行参数测量：5分钟后计算机可以记录三组数据，显示于屏幕上并保存在数据库中；实验结束后，关闭控制柜，打印结果或进行数据传输。实验中，传感器的选型与设计安装是十分重要，它们是实验结果的精确与实验系统设计成功与否的关键。根据国家标准规定，流量计、温度计与压力计都有最低限度的要求，但不限制使用其他同等或更高精度的测量仪表，具体要求如下1．流量测量a涡轮流量计应安装在水平直管段上，其涡轮上游直管段长度应不小于20倍管径，下游直管段长度应不小于15倍管径。在仪表的上游直管段起始端应安装过滤器。2．温度测量b测温元件的感温点应位于管道中心，其保护管的插入深度L应技温度计使用说明书的规定。c温度保护管的安装应符合规定。当管道公称直径大于Dg80mm时，垂直安装法进行安装：当管道公称直径小于或等于Dg80mm时，可以倾斜安装、在管道弯头处安装或在扩大管处安装。d测量层流状态的流体温度时，应顺着流体流动方向，在测温点前2至3倍管径处设置混合器。e测温点的上、下游各300mm范围内，保温层应尽可能加厚，换热器、混合器、测温点之间的全部管线应保温良好。3．压力（差压测量）静压测孔应设置在距离任何扰动区（弯管、阀门等）下游至少5倍管径、上游至少2倍管径处。静压测孔应与管壁面垂直。考虑到实验的精度与数据处理，对流量计，我们选用了安装在管路中的测量准确的涡轮式流量计，热水与冷水侧各一组共四个流量计，可根据热水与冷水侧流量的不同选用不同的管路与流量计。对温度计与压力计，我们分别选用了电阻式温度计与扩散硅式压力计，将温度计与压力计安装在换热器进、出口的位置上，每种传感器共四个，另在热水箱与冷水箱内各安装一温度传感器，以监测热水箱与冷水箱的水温。所有传感器都采用屏蔽线与控制柜及计算机进行连接，这是考虑到远距离传输中防止传输信号受到干扰。为了方便校验、观察与控制，实验系统采用了控制柜的仪表与计算机CRT并行监测现场信号的处理方法。在系统调试运行正常后，将控制柜放置在现场，而核心部件计算机则放置在计算机房，进行远程控制，这样也可以实现手动与自动两种不同的控制方法。4.3实验步骤依据国家机械工业委员会通用机械局企业GB16409—1996标准，结合我们自己的实验台设计，整个实验的测量步骤可以分以下几步进行1．试验前，应检查设备，管线以及测量仪表的可靠性。2．开始运行后，应及时排净设备内的气体，使设备在完全充满试验流体的条件下运行并调节至设计工况（或指定工况）。3．在设计工况（或指定工况）下稳定运行30分分钟后，记录数据并开始按试验工况进行测试。4．首先应使一侧（热侧或冷侧）流体的流量固定，另一侧流体的流量应在一定范围内变化，反之亦然。5．每侧流体流量的固定点数应不少于3个，每一工况下稳5分钟后方可进行读数。6．同一工况的测试数据应同时测量。7．物理性质不明确或多组分流体，应测定其试验工况下物理性质。4.4实验数据初步处理在实验中，主要是进行温度、压力与流量的数据实时测量，并对流量进行控制，现场数据在经过上述过程变成电信号后，被送往计算机进行数据处理及用作控制反馈。4.4.1处理方式一在数据测量完毕之后，可根据以上的公式(4-1)~(4-9)来进行数据处理，再对结果进行误差分析，才对整个换热器的性能有个定性的分析，也会针对其优点及不足，适当的发挥和改造，以达到其换热的最好效果。4.4.2处理方式二在对总传热系数进行计算的时候，除了可根据流量、换热面积、温度差计算测出其系数，也可根据以下从管、壳的换热系数即焓值入手进而推算出热平衡相对误差及总传热系数K，再根据结果对换热器进行性能估计。主要的计算公式及过程推理如下：1．传热的方程(4-10)(4-11)