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1、检测技术及仪表课程设计1.1 目的针对“应用技术主导型”普通工科高等教育的特点，从工程创新的理念出发，以工程思维模式为主， 旨在培养突出“实践能力、 创新意识和创业精神”特色的、适应当前经济社会发展需要的“工程应用型人才”。通过在模拟的实战环境中系统锻炼，使学生的学习能力、 思维能力、 动手能力、工程创新能力和承受挫折能力都得到综合提高。以增强就业竞争力和工作适应力。以多功能动态实验装置为对象， 成此换热设备污垢的实验装置所需检测参数的检测。1.2 背景意义1.2.1. 污垢研究的现状和污垢的形成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
2、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。20 世纪 70 年代，特别是80 年代后期以来的能源危机，伴随着资源利用效率和环境要求的不断提高， Somerscales所抱怨的 “ 污垢研究一直没能得到足够关注” 的状况开始有所转变。进入20 世纪 90 年代以后，污垢研究在其他相关学科的发展特别是计算机应用技术飞速发展的推动下，借助国际合作研究的良好氛围，在预测、监测和对策三个发展方向上都蓬勃开展起来。近 10 年来，基于污垢形成机理认识的逐步深入，污垢的预测和模拟都取得了明显进展。然而换热设备污垢形成的影响因素众多，是在动量、能
3、量、质量传递以及生物活动同时存在的多相、多组分流动过程中进行的， 其理论基础除传热传质学外，还涉及到化学动力学、流体力学、胶体化学、热力学与统计物理、微生物学、非线性科学以及表面科学等相关学科，是一个典型的多学科交叉的高度复杂问题，因而对其机理的清晰理解和准确把握仍是一项极为艰巨的任务。在20 世纪 80 年代中 Epstein 曾以矩阵形式对污垢形成过程的理论分析和实验研究作了形象的概括，指出了发展趋势；Pinhero 则比较了当时已有的各预测模型，找出其共同点，为建立一个通用模型做了十分有意义的工作；而且，Melo 也对这期间的进展做了出色的概括和评述。虽然已取得的成就令人欣慰， 但现离预
4、期检测技术及仪表课程设计目标仍然相当遥远！污垢形成的五个阶段（起始，输运，附着，老化，剥蚀）中，输运、附着、剥蚀相对研究得比较深入。单类污垢简单可分成以下几种类型：腐蚀污垢与混合污垢、 析晶污垢、 颗粒污垢、化学反应污垢、生物污垢、凝固污垢等。1.2.2 有关一种新型在线冷却水动态模拟试验装置的知识长期以来 , 各类换热设备都存在着不同程度的污垢问题。污垢问题的存在给换热设备的安全、经济运行造成了极大的危害, 因此发展极为迅速。然而目前对于各种类型的水处理器, 相互之间缺乏行之有效的比较方法和标准, 造成管理上的混乱 , 也给用户的选型与使用带来不便。这些监测方法中， 对换热设备而言， 最直接
5、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。1.2.3 监测原理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 f和污垢热阻 Rf。这三者之间的关系由下式表示：f ffff fmR1(1) 图 1-1 清洁和有污垢时的温度分布Tb1Rc1Rc2Tb2AQRw壁（a）洁净（b）污染Rf1Rf2壁污垢沉积层Rf 1RwRf 2Ts1Ts2Tb1Tb2Ts1Ts2检测技术及仪表课程设计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3a 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：c
6、wccRRRU21/1 (2) 两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为ffwfffRRRRRU2211/1 (3) 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fcfcRRRR2211,。于是从式 (3) 减去式 (2) 得：cfffUURR11 21（4）式(4) 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：qTTRRRUbcscwcc/)(/1, 121（5）qTTRRRRUbfsffwcf/ )(/1
7、, 121（6）若在结垢过程中， q、Tb 均得持不变，且同样假定fcRR22，则两式相减有：qTTRcsfsf/ )(,1, 1(7) 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。式中：fm 单位面积上污垢沉积质量f污垢沉积厚度cR1结垢前管外介质与管壁的对流换热热阻wR 管壁的导热热阻cR2结垢前管壁与管内介质的对流换热热阻cU/1结垢前总的传热热阻fU/1结垢后总的传热热阻fR1结垢后管外介质与管壁外污垢的对流换热热阻检测技术及仪表课程设计1 2 5 8 3 4 6 7 9 10 11 12 220V 1fR 结垢后管壁外污垢的导热热阻2
8、fR结垢后管壁内污垢的导热热阻fR2结垢后管壁内污垢与管内介质的对流换热热阻csT, 1结垢前外管壁温度fsT, 1仅管内结垢后外管壁温度bT 结垢前后管内表面温度q热流密度 : 单位面积的截面内单位时间通过的热量1.2.4 新型在线动态模拟试验装置基于前述原理的动态模拟试验装置主体结构如图1 所示 （图中为一根管的水系统）该装置的主体设备是由两根可拆装的同材料、同尺寸管组成的管式换热器（以电加热器和温度调节器控制的恒温水浴为热源），并配有上位恒压水箱、下位循环水箱、循环水泵等。试验中，这两根管可以都作为试验管，同时进行两种水质或不同工况的对比检测。也可以将其中一根作为试验管，另一根做比较管，
9、以比较不同水处理技术及设备的阻垢和缓蚀性能。所有测量信号接入893 智能数据采集前端，通过专用网络适配卡输入计算机，通过所开发的应用软件最终实现阻垢和缓蚀性能的在线监测与评价。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- 电加热管图 1-2 实验装置流程图由题目提供“需要检测和控制参数”可知，本设计需要为实验装置提供4冷却水入口出口检测技术及仪表课程设计个温度测量装置（流体进口出口温度、实验管壁温度及水浴温度）；1 个水位
10、测量装置（补水箱水位） ；1 个流量测量装置（实验管内流体流量） ；1 个压差测量装置。1.3 需要检测和控制的主要参数1. 温度：包括实验管流体进口（2040） 、出口温度（ 2080 ） ，实验管壁温（ 2080 ）以及水浴温度（ 2080 ） 。2.水位：补水箱上位安装，距地面2m，其水位要求测量并控制循环水泵，以适应不同流速的需要，水位变动范围200mm500mm。3.流量：实验管内流体流量需要测量，管径25mm ，流量范围 0.54m3/h。4.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050mm水柱。检测技术及仪表课程设计第二章温度测量21 实验管流体进、出口温度
11、测量实验管流体进口（ 2040） 、出口温度（ 2080 ） 。2.1.1 检测方法设计以及依据由上述实验装置可知，实验装置的进出口管直径较小，为25mm ，故不宜使用体积较大的温度计， 否则会增加流动阻力影响流速。而且，温度变化范围在2080之间，水温变化较小，属于低温范围温度测量，所以需要选用精度较高的测温元件。所以所选的测温元件的特点要求结构简单、方便、体积小、灵敏度高。进出口温度可以用同种方法测量，这样可以在求温差时减小误差。而热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，热响应时间少， 减小动态误差； 直径小，长度不受限制； 进口薄膜电阻元件，性能可靠稳定。 其中
12、铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。2.1.2 仪表种类选用以及设计依据（1）测量方法选择：利用热电阻测量进出口温度；（2）测量原理：金属导体的电阻值随温度的增加而增加。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值；（3）产品选择： Pt100铂热电阻；（4）结构：采用铠装热电阻， 它是由感温元件 （电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，外径一般为2 -8mm ，最小可达 mm 。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振抗冲击；能弯曲，便于安装；使用寿命长。（5） 数学模型为：
13、Rt=R0 （1+At+Bt2), 其中,A=0.0039083/;B=-0.005775/，R0=100?；（6）数据处理：由于利用热电阻进行温度测量时，容易产生温度误差，所以，我们要对管壁不同处多次测量求取平均值，以确保接近真实温度。（7）安装 ：固 定螺 纹或 者固定 法 兰安装 ，插入深度以接触 液氨液体检测技术及仪表课程设计50-100mm 为宜，现场如果有易燃气、液，还要选择隔爆型的。某生产厂家 Pt100 主要技术参数：温度测量范围： 0300输出信号： 420mA、0-10V、0-5V 负载电阻： 500供电电源： 24V DC 功耗： 1W基本误差： 0.20.5图 2-1
14、Pt100实物图2.1.3 测量注意事项以及误差分析（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。2.2 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2080 。2.2.1 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
15、电阻都不易测量，测温环境要检测技术及仪表课程设计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。2.2.2 仪表种类选用以及设计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 Pt1000 Pt2000 高阻值热电阻，其分辨率相当于常规铂电阻 pt
16、100 的 510倍。表 2-1 膜式铂电阻pt500 主要技术指标测量范围0500测量精度A 级 0.15+0.002t.()，B 级 0.3+0.05t.() 阻值偏差阻值偏差 A 级 0.06（ ），B 级 0.12（ ）2.2.3 测量注意事项以及误差分析（1）水浴与管壁分开的面积太大，影响流体的流量及换热。所以温度计的体积应尽可能小。（2）外界环境变化会影响管壁温度，故使外界环境温度保持稳定。（3）固定螺纹或者固定法兰安装。（4）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。2.3 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
