多功能动态实验装置

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1、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

2、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

3、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,12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

4、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)图1清洁和有污垢时的温度分布及热阻壁（a）洁净（b）污染壁污垢沉积层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

5、)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）12（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

6、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

7、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。12一、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、D

8、N25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