换热器综合实验说明书

——单位时间传热量， W； K——总传热系数，W/m2·K； A——传热面积，
，m2； tm——平均温差，K或oC。
（4）换热器管程和壳程压力降测定实验 流体流经换热器时会出现压力损失，它包括流体在流道中的
损失和流体进出口处的局部损失。通过测量管程流体的进口压力
、出口压力
，便可以得到管程流体流经换热器的总压力损失 ；通过测量壳程流体的进口力 、出口压力 ，便可以得到壳程流体流经换热器的总压力损失 。 （5）离心泵恒压力控制实验 离心泵恒压力控制系统图如下图所示所示。
（1）
上式中是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力(不包括泵 体内部的流动阻力所引起的压头损失)，当所选的两截面很接近泵体 时，与柏努利方程中其它项比较，值很小，故可忽略。于是上式变 为：
（2）
将测得的和的值以及计算所得的u入，u出代入上式即可求得H的 值。
b)、 N的测定：
功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵由电动机直接带
ym---离心泵出口压力值P； ys---离心泵出口压力设定值。 7．控制信号u 工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。 离心泵恒压力控制系统采用比例积分控制规律(PI)对离心泵出口 压力进行控制。比例积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组 合，数学表达式为：
（16）
PI规律将比例控制反应快和积分控制能消除余差的优点结合在一起， 因而在生产中得到了广泛应用。
二．过程设备与控制多功能综合实验装置基本配置：
表一、实验装置基本配置表：
符号
设备名称
P101 冷水多级立式离心泵
P102 热水不锈钢卧式离心 泵
E101 不锈钢固定管板换热 器
VA101
左放空阀
VA102
右放空阀
VA103 左管壳入水阀
VA104 右管壳入水阀
VA105 左管内入水阀
规格 CDLF2-130FSWSC H=98m ，
压力调节 器
变频调速器
水泵循环过程
压力传感器和放大器
压力 设定 值
偏差e
控制信号 μ：4— 20mA
操纵变 量：离 心泵转 速
压力信号
被控变量： 离心泵出 口压力
干扰 变 量： 流量 变化
图六、 离心泵恒压力控制系统方框图 （6）离心泵恒流量控制实验
离心泵恒流量控制系统图如图所示，控制系统方框图如图所示。
AI704BS
1
1---立式泵电机功率 (Kw)
AI702B24VS
1
2---文丘里流量计压差 (KPa)
换热器温度4 (℃)
AI519B24VS
1
立式泵出口压力(Kpa)
AI501B24VS
1
立式泵入口压力(Mpa)
AI501B24VS
1
冷水流量(m3/h)
AI719B24VS
1
热水箱温度(℃) 热水流量(m3/h)
旁路调节阀
球阀
1个
VA112 换热器放水阀
球阀
1个
VA113
电动调节阀
Dg25、Pg16
1台
VA114
冷水回水阀
球阀
1个
VA115
冷水排水阀
球阀
1个
VA116 冷水槽放水阀
球阀
1个
VA117 热水槽放水阀
球阀
1个
V101
冷水箱
不锈钢
1
V102
热水箱
不锈钢
1
F101 冷水涡轮流量传感器
LWY-25
1
F102 热水涡轮流量传感器
LWY-25
1
F103
文丘里流量计
1wenku.baidu.com
1---换热器压力1 (Kpa) 2---换热器压力2 (Kpa)
AI704B24VS
1
3---换热器压力3 (Kpa)
4---换热器压力4 (Kpa)
1---换热器温度1 (℃) 2---换热器温度2 (℃) 3---换热器温度3 (℃)
4---冷水箱温度 (℃)
动，传动效率可视为1.0，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。
即：
泵的轴功率N＝电动机的输出功率，kW
（3）
电动机的输出功率＝电动机的输入功率×电动机的效率 （4）
泵的轴功率＝功率表的读数×电动机效率，kw
（5）
c)、η的测定
其中 kw
（6）
式中：η— 泵的效率；
N— 泵的轴功率，kw;
Ne— 泵的有效功率，kw
目的。 控制参数如下： 1． 控变量y：换热器管程出口温度。 2． 给定值(或设定值)ys：对应于被控变量所需保持的工艺参数 值，在本实验中将换热器管程出口温度设置成40℃。 3． 测量值ym：由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验 中为换热器管程出口温度。 4． 操纵变量(或控制变量)：实现控制作用的变量，在本实验中 为冷水流量。使用电动调节阀作为执行器对冷水流量进行控制。 电动调节阀的输入信号范围：4—20mA；输出：阀门开度016mm。 5． 干扰(或外界扰动)f：干扰来自于外界因素，将引起被控变 量偏离给定值。在本实验中采用突然改变离心泵转速的方法，改 变离心泵出口压力，人为模拟外界扰动给控制变量造成干扰。 6． 偏差信号e 被控变量的实际值与给定值之差， e=ys-ym。 ym---换热器出口温度。 ys---换热器出口温度设定值。 7． 控制信号u 工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。
图七、离心泵恒流量控制系统图
离心泵出口流 量
涡轮流量传感 器
频率/电压转换器
工业调节 器
电动调节 阀
图八、离心泵恒流量控制系统方框图 离心泵恒流量控制系统为单回路简单控制系统，安装在离心泵出口 管路上涡轮流量传感器TT将离心泵出口流量转换成脉冲信号，其脉冲频 率经频率/电压转换器转换成电压信号后输出至流量调节器TC，TC将流 量信号与流量给定值比较后，按PID调节规律输出4—20mA信号，驱动电 动调节阀改变调节阀的开度，达到恒定离心泵出口流量的目的。离心泵 恒流量控制系统方框图如图7-3所示。 控制参数如下： 1.控变量y：离心泵出口流量Q。 2.定值(或设定值)ys：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实 验中取1.5 L/s。 3.测量值ym：由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验中为离心 泵出口流量值Q。 4.操纵变量(或控制变量)：实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵 出口流量。使用电动调节阀作为执行器对离心泵出口流量进行控制。 电动调节阀的输入信号范围：4—20mA；输出：阀门开度0-16mm。 5.干扰(或外界扰动)f：干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏离给
过程设备与控制多功能综合实验装置说明书
一．实验内容 : （1）离心泵性能测定实验 （2）换热器壳体应力测定实验 （3）换热器换热性能及流体传热膜系数测定实验 （4）换热器管程和壳程压力降测定实验 （5）离心泵恒压力控制实验 （6）离心泵恒流量控制实验 （7）换热器出口恒温度控制实验 （8）实验管路特性曲线测定 （9）文丘里流量计标定
（17）
PID规律在生产中得到了广泛应用。
流量调节 器
电动调节阀
离心泵循环过 程
涡轮流量传感器和变换 器
流量 设定 值
偏差e
控制信号 μ：4— 20mA
操纵变
量：泵 出口流 量
流量信号
被控变量： 离心泵
干扰变 量：离 心泵压 力
图九、离心泵恒流量控制系统方框图 （7）换热器出口恒温度控制实验
换热器出口温度串级控制系统图如图所示，控制原理图如图所示。
(11)
式中 ： ——单位时间内热流体放出的热量， kW； ——热流体的质量流率，kg/s； ——热流体的定压比热，kJ/kg·K，在实验温度范围内可视为常 数；
、
——热流体的进出口温度，K或oC。 冷流体获得的热量为：
式中 ：
(12)
——单位时间内冷流体获得的热量，kJ/s=kW；
——冷流体的质量流率，kg/s；
H— 泵的压头，m;
Q— 泵的流量，m3/s
ρ— 水的密度，kg/m3
（2）换热器壳体应力测定实验
应力测定中通常用电阻应变仪来测定各点的应变值，然后根据广义
胡克定律换算成相应的应力值。换热器壳体可认为是处于二向应力状
态，因此，在弹性范围内广义胡克定律表示如下：
周向应力：
(7)
轴向应力：
式中E和
(8)
图十、换热器出口温度串级控制系统图 换热器出口温度控制系统为双回路串级控制系统，控制系统方框图 如所示。安装在换热器管程出口管路上热电阻温度传感器TT将换热器管 程出口温度转换成电阻信号后输出至温度调节器TC，TC将温度信号与温 度给定值比较后，根据其差值e的大小按比例积分PI调节规律向流量调 节器LC输出流量给定值；同时安装在换热器壳程进口管路上的涡轮流量 传感器LT将进入换热器壳程的冷水流量信号输出至流量调节器LC，LC将 来自温度调节器TC的流量给定值和来自LT的冷水流量值比较后，根据其 差值e的大小按比例PI调节规律驱动电动调节阀改变电动调节阀的开 度，控制进入换热器壳程的冷水流量，达到恒定换热器管程出口温度的
因温度载荷只引起轴向应力，当压力载荷和温度载荷联合作用时 有：
(9)
(10)
式中 ——压力载荷在换热器壳体中引起的环向应力， ； ——压力载荷在换热器壳体中引起的轴向应力， ；
——温度载荷在换热器壳体中引起的轴向应力， 。 （3）换热器换热性能及流体传热膜系数测定实验
换热器工作时，冷、热流体分别处在换热管的两侧，热流体 把热量通过管壁传给冷流体，形成热交换。当若换热器没有保 温，存在热损失，则热流体放出的热量大于冷流体获得的热量。 热流体放出的热量为：
图三、实验装置面版图
四、实验原理：
（1）离心泵性能测定实验 离心泵是最常见的液体输送设备。在一定的型号和转速下，离心
泵的扬程H、轴功率及效率η均随流量Q而改变。通常通过实验测出H —Q、N—Q及 η—Q关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。特性曲 线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。
泵特性曲线的具体测定方法如下： a)、 H的测定： 在泵的吸入口和压出口之间列柏努利方程
控制参数如下： 1． 被控变量y：离心泵出口压力P。 2． 给定值(或设定值)ys：对应于被控变量所需保持的工艺参数 值，在本实验中取0.4 MPa。 3． 测量值ym：由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验中 为离心泵出口压力值P。 4． 操纵变量(或控制变量)：实现控制作用的变量，在本实验中为 离心泵转速n。使用交流变频调速器作为执行器对离心泵转速进行控 制。交流变频调速器的输入信号范围：4—20mA；输出：380V，0— 50Hz。 5． 干扰(或外界扰动)f：干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏 离给定值。在本实验中采用突然改变流量的方法，人为模拟外界扰 动给控制变量造成干扰。 6． 偏差信号e 被控变量的实际值与给定值之差， e=ys-ym。
图四、离心泵恒压力控制系统图
离心泵出口压 力 压力传感 器 工业调节器 变频调速 器 泵电机 放大器
图五、信号流程图 离心泵恒压力控制系统为单回路简单控制系统。安装在离心泵出口 管路上压力传感器PT将离心泵出口压力转换成电压信号，经放大器放大
后输出至工业调节器PC，PC将压力信号与压力给定值比较后，按PI调节 规律输出4—20mA信号，驱动变频调速器控制电机的转速，达到恒定离 心泵出口压力的目的。离心泵恒压力控制系统方框图如图四所示。
AI501BS
1
AI501B24VS
1
压力传感器
LKWYD
6支
电阻应变仪
CM-1L-16
1套
数显仪表
AI501B24VS
6套
数显仪表
AI704B24VS
2套
电器
空气开关 接触器
1套
计算机
CPU酷睿1.6G、内存1.0G、硬盘 1套 160G、DVD光驱，17”液晶显示
器
三、实验装置流程示意图：
图一、过程设备与控制多功能综合实验装置流程示意图
分别为设备材料的弹性模量和泊桑比；
和
分别为周向应变和轴向应变。电阻应变仪的基本原理就是将应变片电阻 的微小变化，用电桥转换成为电压电流的变化。
在正常操作条件下，换热器壳体中的应力是流体压力载荷（壳程压 力
、管程压力
）、温度载荷及重力与支座反力所引起的。由于换热器的轴向弯曲
刚度大，重力与支座反力在壳体上产生的弯曲应力相对较小，可以忽 略。
Q=3.5m3/h WB50/025
换热面积F=0.91m2
球阀 球阀 球阀 球阀 球阀
数量 1台
1台
1台
1个 1个 1个 1个 1个
VA106 右管壳入水阀
球阀
1个
VA107 左管壳出水阀
球阀
1个
VA108 左管内出水阀
球阀
1个
VA109 右管内出水阀
球阀
1个
VA110 右管壳出水阀
球阀
1个
VA111
——冷流体的定压比热，kJ/kg·K，在实验温度范围内可视为常 数；
、
——冷流体的进出口温度，K或oC。 损失的热量为：
(13)
冷热流体间的温差是传热的驱动力，对于逆流传热，平均温差为
(14)
式中：
、
。 本实验着重考察传热速率Q和传热驱动力
之间的关系 换热器的传热速率Q可以表示为：
式中 ：
(15)
定值。在本实验中采用突然改变离心泵转速的方法，改变离心泵出口 压力，人为模拟外界扰动给控制变量造成干扰。 6．偏差信号e 被控变量的实际值与给定值之差， e=ys-ym。
ym---离心泵出口流量值Q。 ys---离心泵出口流量设定值。 7．控制信号u 工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。 离心泵恒流量控制系统采用比例积分控制规律(P1D)对离心泵流 量进行控制。比例积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组合， 理想的PID调节规律的数学表达式为：