殼管式換熱器實驗測試平臺設(shè)計

題目管殼式換熱器實驗臺設(shè)計緒論換熱器是當(dāng)兩種或多種流體存在溫差時內(nèi)部熱量傳遞的傳熱設(shè)備。隨著現(xiàn)在工業(yè)不斷地向前發(fā)展，換熱器的運用就越來越廣泛。在過程、能源、石油、運輸、空調(diào)、制冷、低溫、熱量再生、替代燃料以及其他工業(yè)方面，換熱器都有著廣泛的運用，尤其在汽車散熱、冷凝器、蒸發(fā)器、空氣預(yù)熱器和油冷器等方面，換熱器的作用就更加必不可少[1]。近二十多年來，國內(nèi)外管殼式換熱器的強化傳熱技術(shù)己有了較大的發(fā)展，其中可分為兩大發(fā)展方向，一是強化傳熱管的發(fā)展，二是殼程結(jié)構(gòu)的發(fā)展。就強化傳熱管而言，目前國內(nèi)外已研制開發(fā)出的各類強化傳熱管有數(shù)十種之多，例如各類變徑異形管及各類翅片管等。殼程結(jié)構(gòu)的發(fā)展方面，也出現(xiàn)了多種新型的殼程結(jié)構(gòu)形式。目前國際能源形勢緊張，讓強化傳熱在換熱器中能夠更好的運用，提高用能設(shè)備的能源利用效率，直接減少能耗和能源消費系數(shù)值的技術(shù)節(jié)能方法是實現(xiàn)節(jié)能的重要途徑之一。這就需要對換熱器的性能做一個全面的檢測，才能進行下一步改進措施。但由于現(xiàn)在換熱器檢測的發(fā)展非常緩慢，許多小廠家現(xiàn)有的檢測手段十分落后，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代測量的需求，或者甚至都沒有自己的檢測實驗臺，所以實用的換熱器性能檢測實驗臺的研究發(fā)展迫在眉睫。本次殼管式換熱器性能檢測實驗臺設(shè)計的思路為，首先闡述換熱器當(dāng)前的發(fā)展情況、應(yīng)用及其實驗檢測臺的窘迫性，之后就是對換熱器實驗檢測臺所采用的制冷系統(tǒng)的工作循環(huán)的分析，來確定實驗臺的方案設(shè)計即實驗方案、實驗過程、設(shè)備要求、設(shè)備選型、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果分析。最后得出結(jié)論，對換熱器的總體性能有個整體的了解，也就達到了本次設(shè)計研究的目的。1.1本課題研究的目的和意義能源是國民經(jīng)濟的命脈，與人民生活和人類的生存環(huán)境休戚相關(guān)，在社會可持續(xù)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。由于世界能源資源儲量有限，而能耗卻呈幾何級數(shù)增長，加上能源造成的環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，因此人類面臨著世界范圍內(nèi)的能源問題。我國的能源資源比較豐富，但也面臨著人均能源資源量低、能源資源分布不均勻、能源利用效率低、能源工業(yè)裝備落后以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。例如，我國的能源終端利用效率僅為33%，比發(fā)達國家低10個百分點；單位產(chǎn)品能耗比發(fā)達國家高30%—80%，加權(quán)平均高40%左右；單位產(chǎn)值能耗約為發(fā)達國家的2倍[2]。換熱器是化工、石油、能源、動力、冶金等工業(yè)部門中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的用能設(shè)備，在汽車散熱、冷凝器、蒸發(fā)器、空氣預(yù)熱器和油冷器等方面，換熱器的作用就更加必不可少。它不僅保證工程設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，而且在動力消耗和投資方面在整個工程中占有重要份額。而管殼式換熱器在換熱器中占了高達70%的比例。它作為一種標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用。在石油、化工及能源等部門所使用的換熱設(shè)備中，管殼式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。自從上世紀(jì)70年代初發(fā)生世界性能源危機以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，能源緊張的狀況愈演愈烈，能源費用在制造成本中所占的比率迅速增大；另一方面，能源問題與人類環(huán)境和健康也密切相關(guān)。因此，世界各國確定了支持發(fā)展高效能源技術(shù)和利用再生能源的方針，我國政府也制定了“節(jié)能優(yōu)先”的能源戰(zhàn)略，從而實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。因此，采用強化傳熱技術(shù)從而降低能耗無論是對工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)還是對整個人類來說都顯得至關(guān)重要[3]。減少能耗和能源消費系數(shù)值的節(jié)能技術(shù)，讓強化傳熱在換熱器中能夠更好的運用，提高用能設(shè)備的能源利用效率，是實現(xiàn)節(jié)能的重要途徑之一。近二十多年來，國內(nèi)外管殼式換熱器的強化傳熱技術(shù)己有了較大的發(fā)展，其中可分為兩大發(fā)展方向，一是強化傳熱管的發(fā)展，二是殼程結(jié)構(gòu)的發(fā)展。就強化傳熱管而言，目前國內(nèi)外已研制開發(fā)出的各類強化傳熱管有數(shù)十種之多，例如各類變徑異形管及各類翅片管等。殼程結(jié)構(gòu)的發(fā)展方面，也出現(xiàn)了多種新型的殼程結(jié)構(gòu)形式。因此，如何改進換熱器的傳熱性能，提高換熱器的傳熱效率對于現(xiàn)代工業(yè)甚至整個能源緊張的當(dāng)代來說無疑是舉足輕重的。本次實驗也是為提高換熱器傳熱效率打下了個良好的基礎(chǔ)，即對換熱器性能全面的檢測。檢測換熱器性能、參數(shù)對我們來說其實只是作為一個參考指標(biāo)，更重要的是在前面提到的，在目前發(fā)展趨勢下，我們對當(dāng)前的換熱器有了個大致的了解，在如何提高其換熱效率，性能以及對現(xiàn)代化適應(yīng)的程度，即在環(huán)保，節(jié)能，智能化方向方面，對我們起了個很好的推動作用，對我們今后在做這方面工作的時候，如何改進換熱器，使其不斷適應(yīng)發(fā)展的需要，為整個工業(yè)經(jīng)濟乃至國民生產(chǎn)做出貢獻，起著重要的作用，這也是本課題研究的意義所在。1.2本課題研究方法換熱器的傳熱性能試驗往往用于各種換熱器傳熱品質(zhì)的檢驗。與傳熱系數(shù)有關(guān)的努謝爾數(shù)準(zhǔn)則，與流阻有關(guān)的歐拉準(zhǔn)則的性能實驗是各種間壁式換熱器一項非常重要的技術(shù)指標(biāo)。通過對其溫度、流量、壓力等可測參數(shù)的測量，來推算出傳熱系數(shù)與流速之間，流阻與壓力差之間的關(guān)系曲線和關(guān)系式，由此可對換熱器的傳熱性能進行評價和比較。1.3管殼式換熱器的發(fā)展概述換熱設(shè)備在化工過程中起著至關(guān)重要的作用，其投資費用一般占全部設(shè)備投資的40%左右，而且，它的行為也關(guān)系著全廠的正常運行和操作費用。舊廠改造的許多工作是圍繞換熱設(shè)備的優(yōu)化進行的，一方面，過程系統(tǒng)工程致力于換熱器的優(yōu)化綜合；另一方面，機械工程師們在尋找換熱器強化傳熱技術(shù)的具體手段。在各類換熱器中，管殼式換熱器具有其固有的優(yōu)勢，加之近年來又獲得了較大的發(fā)展，所以目前仍是各種能耗工業(yè)中應(yīng)用最普遍的一種。以石油、化工行業(yè)為例，管殼式換熱器在換熱器中占了高達70%的比例。因此，研究管殼式換熱器的強化傳熱問題對于提高換熱器的用能效率和降低工業(yè)部門的能耗具有重要意義。近二十多年來，國內(nèi)外管殼式換熱器的強化傳熱技術(shù)己有了較大的發(fā)展，其中可分為兩大發(fā)展方向，一是強化傳熱管的發(fā)展，二是殼程結(jié)構(gòu)的發(fā)展。就強化傳熱管而言，目前國內(nèi)外已研制開發(fā)出的各類強化傳熱管有數(shù)十種之多，例如各類變徑異形管及各類翅片管等。殼程結(jié)構(gòu)的發(fā)展方面，也出現(xiàn)了多種新型的殼程結(jié)構(gòu)形式。例如，美國菲利浦石油公司七十年代開發(fā)的折流桿管殼式換熱，美國國際石油公司及孟山都化學(xué)工業(yè)公司等目前普遍使用的雙弓與碟環(huán)等折流隔板管殼式換熱器，90年代鄧先和等提出的空心環(huán)管殼式換熱器，ABB公司率先推出的螺旋折流板管殼式換熱器，帶平行流分隔板的管殼式換熱等。這些新型殼程結(jié)構(gòu)形式和強化傳熱管的問世極大地提高了傳統(tǒng)管殼式換熱器的傳熱與流阻性能，其中部分研究成果己經(jīng)成功地應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)中，取得了良好的節(jié)能降耗效果。但是，從整個工業(yè)應(yīng)用來看，這些新型換熱器還沒有得到廣泛推廣，其應(yīng)用潛力還有待于進一步挖掘。例如，盡管由于螺旋折流板換熱器具有優(yōu)良的性能而在近年來引起了世界多國學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的高度重視，也有報道表明螺旋折流板換熱器在中東、日本、美國等國家的石化行業(yè)得到應(yīng)用，但由于技術(shù)保密等方面的原因，未能檢索到相關(guān)的詳細文獻。在國內(nèi)，對于螺旋折流板換熱器的研究基本上還處于理論和實驗室研究及工業(yè)應(yīng)用的初始階段。又例如，自第一臺空心環(huán)管殼式換熱器誕生以來，已成功地在全國12個省50多個廠家及高能耗工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用，節(jié)能降耗效果非常顯著，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及硫酸、石化、壓縮機等行業(yè)，但縱觀其應(yīng)用場合，除了用于氣體換熱就是液體換熱，迄今為止尚無應(yīng)用于諸如凝結(jié)換熱等有相變換熱場合的先例。究其原因，一是由于對這些新型換熱器的基礎(chǔ)理論與實驗研究還不夠深入，缺乏一些能夠指導(dǎo)工程應(yīng)用的理論和可以參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以應(yīng)用范圍有限或者根本無法在實際中應(yīng)用；再者，對于這些新型殼程結(jié)構(gòu)形式，以往一般都是與普通的光滑管束結(jié)合使用，近年來雖然也有人將其與強化管結(jié)合使用，但由于強化管的種類繁多，并且不斷有新的強化管型出現(xiàn)，因此在強化傳熱管束與殼程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合研究上也有待于進一步探討。由于缺乏這方面的研究，往往強化傳熱管束就不能充分地發(fā)揮出在管束間的傳熱強化作用。例如采用雙弓或碟環(huán)折流隔板支承縮放型強化管束，由于折流隔板對流體的形體阻力大，遠遠超過強化管粗糙肋面對流體的摩擦阻力，故管間支承物消耗了殼程流體的絕大部分壓降，而使用于強化管粗糙肋面上的流體流動功所剩很少，故難以利用強化管的粗糙肋面促進傳熱界面上的流體湍流度，不能很好發(fā)揮出強化管的傳熱強化作用。換熱器殼程結(jié)構(gòu)的發(fā)展，必然與強化傳熱管的優(yōu)化組合相聯(lián)系，這是今后換熱器強化傳熱技術(shù)發(fā)展的方向。就目前來說，由于能源問題日益突出，不僅是中國，就世界范圍而言，節(jié)能己經(jīng)成為解決當(dāng)代能源問題的一個公認的重要途徑。我國于1998年1月1日起正式實施的《中華人民共和國節(jié)約能源法》更是將節(jié)能賦予了法律地位。節(jié)約能源法指出，節(jié)能是國家發(fā)展經(jīng)濟的一項長遠戰(zhàn)略方針，并重申了能源節(jié)約與能源開發(fā)并舉，把能源節(jié)約放在首位的能源政策。為了加強能源工作，在最近召開的國務(wù)院常務(wù)會議上，國家發(fā)展和改革委員會還增設(shè)了能源局。提高用能設(shè)備的能源利用效率，直接減少能耗和能源消費系數(shù)值的技術(shù)節(jié)能方法是實現(xiàn)節(jié)能的重要途徑之一。換熱器是化工、石油、能源、動力、冶金等工業(yè)部門中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的用能設(shè)備，不僅保證工程設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，而且在動力消耗和投資方面在整個工程中占有重要份額。據(jù)統(tǒng)計，在化學(xué)工業(yè)中，所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%左右；在煉油廠中，換熱器占全部工藝設(shè)備的40%左右；在熱電廠中，換熱器的投資約占整個電廠總投資的70%左右；海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的[4]。管殼式換熱器是由一些直徑較小的圓管加上管板組成管束，外套一個外殼而構(gòu)成。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工、清洗、選材及應(yīng)用范圍廣、容量大、工作可靠，并且能適應(yīng)高溫高壓。雖然它在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱強度和單位傳熱面積的金屬耗量方面無法與板式或板翅式換熱器相比，但該類換熱器仍然是目前應(yīng)用最廣泛、理論研究水平最高、設(shè)計技術(shù)最完善、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化歷史最悠久以及計算機程序軟件開發(fā)最早的換熱設(shè)備。它作為一種標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用。在石油、化工及能源等部門所使用的換熱設(shè)備中，管殼式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。1.3.1管子的強化換熱管殼式換熱器在具備上述各項有點的同時，也存在一些不足之處，如傳統(tǒng)的管殼式換熱器單位體積的傳熱面積較低，傳熱系數(shù)不高，難以滿足生產(chǎn)要求，因而，換熱器強化傳熱技術(shù)的研究越來越得到重視。長期以來，國內(nèi)外對此進行了大量研究[5]。為了提高管殼式換熱器換熱性能，一方面要提高單位體積的傳熱面積，另一方面要提高綜合傳熱系數(shù)，即進行強化傳熱。為提高單位體積的傳熱面積，采用減小管徑，增加管數(shù)的辦法是不可取的，一般認為，大型換熱器管徑不會小于6mm。為提高傳熱系數(shù)而采用單純加大流體流速的手段同樣會不盡人意，因為增加流體流速而引起的傳熱系數(shù)的增加率，往往會低于克服摩擦阻力的功耗增加率。因此，管子的強化工作主要集中在異型管的開發(fā)方面，表1—1給出了一些異型管及其構(gòu)。此外，還可采用在管內(nèi)、管外安裝翅片等手段對傳熱管進行強化。表1-1常用強化管及其結(jié)構(gòu)管型結(jié)構(gòu)特點螺旋槽紋管管壁擠壓出單頭或多頭螺旋槽橫紋槽管管壁滾壓出與軸線成直角的環(huán)狀槽紋縮放管由依次交替的收縮段和擴張段組成的波形管道波節(jié)管在薄壁無縫管管壁上滾壓出與管軸線成直角的環(huán)形槽，管壁內(nèi)側(cè)形成一圈圈突出的圓環(huán)旋流管管壁處存在能夠誘導(dǎo)流體進行貼壁旋流的螺旋狀槽紋和凸肋粗糙表面管利用機械加工、燒結(jié)、電化學(xué)腐蝕及表面鍍層等手段，增加表面粗糙度或形成雙層表面螺旋扁管由圓管軋制或橢圓管扭曲成具有一定導(dǎo)程的螺旋扁管，管間靠相鄰管長軸處的點接觸支撐管子，省掉折流板表1-1所列強化管在國內(nèi)外已經(jīng)有了許多成功的開發(fā)和應(yīng)用實例。例如，上海溶劑廠甲醛蒸汽余熱鍋爐急冷塔中采用了螺旋槽紋管，使總傳熱系數(shù)提高60%，相同壓降條件下，傳熱面積減小了30%；益陽煉油廠、茂名煉油廠等單位采用橫紋槽管換熱器，總傳熱系數(shù)較光管提高了85%，同等傳熱量，可節(jié)省46%的傳熱面積；縮放管換熱器在大慶石化、金陵石化等單位投入使用，以益陽氮肥廠變換鍋爐軟水加熱器為例，采用縮放管后，換熱面積減少了69％；波節(jié)管換熱器在國內(nèi)也有較廣泛的應(yīng)用；北京化工設(shè)計院和大連理工大學(xué)分別制造出燒結(jié)型和腐蝕型粗糙表面多孔管，用于強化沸騰傳熱，均取得了較好的效果。縱觀各種不同形狀的強化管，可以看出它們有一些共同的特點。各種強化管在兼顧壓降的同時，傳熱面積都有不同程度的增加，并通過兩種機理對傳熱系數(shù)進行強化。傳熱邊界層是限制傳熱系數(shù)提高的最主要因素，它產(chǎn)生于靠近管壁的層流底層，并有一個逐漸增厚的過程。管壁的粗糙，以及規(guī)則出現(xiàn)的溝槽、凸肋，會破壞貼壁層流狀態(tài)，抑制邊界層的發(fā)展。同時，溝槽和凸肋對流體的限流作用有助于邊界層的減薄，而擾流作用使流體產(chǎn)生軸向漩渦，可導(dǎo)致邊界層分離，流體主體徑向溫度梯度減小，有助于熱量傳遞的進行[6]。1.3.2折流板及支撐物傳統(tǒng)管殼式換熱器采用單弓形折流板，殼程易產(chǎn)生流動和傳熱的滯留死區(qū)，造成殼程傳熱系數(shù)低，易結(jié)垢，流阻大等。同時還易引起管體振動，影響換熱器壽命。為此，開發(fā)了多種新型折流板和支撐物，表1—2列舉了其中的幾種。表1-2新型折流板和支撐物種類特點折流桿由支撐桿、折流環(huán)交叉支撐拉桿、分隔板和縱向滑動桿組成的折流柵代替折流板整圓形折流桿折流板為整圓形，上有供管子通過的孔，還有供流體通過的各種異型孔，也可將整圓孔板制成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空心環(huán)支撐將直徑較小的鋼管截成兩節(jié)，均勻分布于換熱管管間的同一截面上，呈線性接觸，在緊固裝置螺栓力的作用下，使管束相對緊密固定刺孔膜片每根換熱管兩側(cè)相距180°開溝槽，溝槽中嵌焊沖有孔和毛刺的薄片，將同一截面處的管子連為一體從上表中可以看出，新型折流板和支撐物有兩個共同的特點；一是殼程內(nèi)流體流動由橫向流動變?yōu)槠叫杏诠茏拥目v向流動，使流體壓降減小，傳熱面積得到充分利用，避免了殼程流體對管子的垂直沖擊，減少了流體對傳熱管誘導(dǎo)振動的隱患；二是折流板形式向著流阻低，堅固，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，節(jié)省投資等方向發(fā)展?？梢灶A(yù)言，隨著技術(shù)的進步，折流板和支撐物將不再需要，換熱器依靠異型管，如螺旋扁管之間的點接觸互相支撐，并形成殼程通道。國內(nèi)在新型折流板和支撐物開發(fā)方面與國際先進水平差距較大，目前仍以弓(單弓、多弓)折流板、缺口無管型折流板、孔流式折流板等傳統(tǒng)類型為主，新產(chǎn)品的開發(fā)也僅限于折流桿等少數(shù)幾個品種。華南理工大學(xué)和大慶石化總廠合作開發(fā)的，用于丁辛醇裝置凈化系統(tǒng)的折流桿螺旋槽管再沸器，其換熱能力比一般光管高1.4倍左右，且抗振性能也有較大改進。1.3.3管內(nèi)插件技術(shù)管內(nèi)插件技術(shù)是增強管殼式換熱器性能的重要技術(shù)之一。插入件的作用是對器壁產(chǎn)生較高的流體剪切應(yīng)力，降低管內(nèi)流體由層流向湍流過渡的臨界雷諾數(shù)，從而提供很陡的速度梯度和更高的傳熱系數(shù)。管內(nèi)插件對強化氣體、低雷諾數(shù)流體或高粘度流體的傳熱會起到較好的效果。管內(nèi)插件的形式有很多，強化機理也各有不同，可分為以下三類:強化旋流，如紐帶和半紐帶形式；促進湍流，如螺旋線、片條、斜環(huán)片等形式；置換型強化器，包括靜態(tài)混合器、交叉鋸齒帶、球形體等形式。一種成功的管內(nèi)插件應(yīng)在提高傳熱系數(shù)的同時，不以增大壓降為代價。國內(nèi)在此方面有所嘗試，青島石化廠常減壓裝置和天津石化廠常減壓裝置換熱系統(tǒng)采用國產(chǎn)紐帶擾流子內(nèi)插件換熱器，管內(nèi)膜傳熱系數(shù)提高2~3倍，而壓降增加不大。上海石化總廠乙烯廠常減壓蒸餾裝置換熱器采用國產(chǎn)交叉鋸齒形帶內(nèi)插件，在壓降不增加的前提下，總傳熱系數(shù)較光管提高了50%[7]。1.3.4強化傳熱機理研究發(fā)展及在換熱器中的應(yīng)用1．強化傳熱的研究與發(fā)展傳統(tǒng)的管殼式換熱器殼程流體橫向沖刷管束，傳熱效率較低，流動阻力大，常發(fā)生流體誘導(dǎo)振動而導(dǎo)致破壞。為解決換熱管束的振動問題，美國菲利浦石油公司于20世紀(jì)70年代首先開發(fā)出殼程流體縱向沖刷管束的折流桿式換熱器，顯示出優(yōu)良的水力和熱力性能。此后，世界各國對該類型換熱器進行了深入研究，開發(fā)出多種強化傳熱結(jié)構(gòu)，如高效強化管和新型管束支撐等，并應(yīng)用于石油、化工、動力和醫(yī)藥等行業(yè)[8]?？v向流管殼式換熱器即指在管束支撐物作用下殼程流體呈縱向流動的一類換熱器。其突出特點是：殼程流體縱向沖刷管束，與管程流體實現(xiàn)了完全逆流，因而有效溫差大，無傳熱死區(qū)，避免了流體橫向沖刷管束時引起的誘導(dǎo)振動，支撐物對殼程流體擾動可強化傳熱。因此，此類換熱器具有傳熱效率較高、流動阻力小、抗結(jié)垢能力強、設(shè)備投資及操作費用低等優(yōu)點。然而，縱向流換熱器一般在低雷諾數(shù)下傳熱效果不佳，所以僅適用于高雷諾數(shù)的工況。因此，強化縱向流換熱器在低雷諾數(shù)下的傳熱，對其結(jié)構(gòu)發(fā)展、性能提高和廣泛應(yīng)用意義重大。(1)縱向流換熱器的單項強化傳熱對縱向流管殼式換熱器的傳熱強化可從高效強化管與新型管束支撐兩個方面考慮。多數(shù)強化管對管程和殼程的對流傳熱都具有強化作用，但強化管程的較多；新型管束支撐使殼程流體的流動狀態(tài)和流動方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，對殼程的強化傳熱非常關(guān)鍵。對高效強化管或新型管束支撐等單項強化傳熱技術(shù)的實驗研究報道較多，但制造工藝報道甚少。幾種主要的高效強化管特點如下：1）翅片管主要是利用管子的擴展表面增大換熱面積，粗糙表面能促進湍流；2）螺旋槽管為雙面強化管，其強化傳熱一是靠螺旋槽的引導(dǎo)作用使近壁處流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，加強了徑向擾動；二是發(fā)生了擾流脫體，形成了回流區(qū)，在附點處換熱最強。3）橫紋(槽)管也是雙面強化管，強化傳熱是靠流體流過管外凹槽和管內(nèi)凸肋時，管壁附近形成軸向渦流，造成邊界層分離并減薄厚度，其性能優(yōu)于螺旋槽管。4）縮放管促使流體急促擴張和緩慢收縮流動，擴張時產(chǎn)生劇烈漩渦，收縮時可有效利用漩渦，還可提高邊界層速度，實現(xiàn)雙面強化傳熱。新型管束支撐的特點為簡化管束支撐、提高換熱器的緊湊度，近年來開發(fā)出一些自支撐管，如：1）刺孔膜片管主要用于強化殼程傳熱，刺孔膜片既是支撐元件，又是管壁的延伸，增大了單位體積內(nèi)的有效傳熱面積。2）螺旋扁管為雙面強化管，由圓管軋制或由橢圓管扭曲而成，靠相鄰管突出處的點接觸支撐管子。3）變截面管是將普通圓管用機械方法相隔一定節(jié)距軋制成互成一定角度的扁管形截面，變截面管靠變徑部分的點接觸支撐管子，同時又組成殼程的擾流元件。4）螺旋扭片螺旋扭片由寬度很窄的金屬薄片扭制而成。(2)縱向流換熱器的復(fù)合強化傳熱復(fù)合強化傳熱技術(shù)就是同時利用兩種或兩種以上不同強化傳熱手段來實現(xiàn)強化傳熱的方法，被譽為當(dāng)代最有希望的強化傳熱技術(shù)。上述各種單項強化傳熱技術(shù)對傳熱的強化有一定限度，因此，要進一步提高縱向流管殼式換熱器殼程的傳熱性能，必須采用復(fù)合強化傳熱技術(shù)?？珊唵谓榻B以下幾種方式：1)新型管束支撐與強化管復(fù)合——在殼程流體縱向沖刷管束且雷諾數(shù)不太大的情況下，僅靠折流桿或空心環(huán)等新型支撐的擾流作用不能使殼程流體達到充分湍流，傳熱效果較差。因此，在工程設(shè)計中采用強化管代替光管，使新型支撐和強化管的粗糙表面同時起作用，管程和殼程的傳熱效率都將大大提高。2)折流桿與弓形折流板復(fù)合——在此類復(fù)合強化換熱器中，為了調(diào)節(jié)殼程流體流速并促進湍流，根據(jù)工藝介質(zhì)流量在殼程內(nèi)一定間距加裝弓形折流板，每兩塊折流板之間設(shè)有兩或四副折流柵，折流桿縱橫交錯分布，既有擾流功能，又有加強換熱管剛性支撐的作用。3)折流桿與整圓形孔板復(fù)合——該復(fù)合結(jié)構(gòu)主要是利用整圓形孔板對殼程流通面積的調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)殼程流速，以及管孔對流體的“射流作用”，增加流體湍流度，減薄管壁液體邊界層，從而強化殼程傳熱。4）折流桿與旋流器復(fù)合——為了提高折流桿換熱器的殼程傳熱性能，在各種強化管制造困難和成本高的情況下，換熱管仍采用光滑管，將結(jié)構(gòu)簡單的旋流器(如螺旋扭片等)加裝在殼程內(nèi)換熱管之間，無疑是一種行之有效的強化方法。5）分程隔板與半折流柵復(fù)合——此復(fù)合結(jié)構(gòu)從提高殼程流速出發(fā)，在原折流桿換熱器殼程加裝縱向隔板，整圓折流柵相應(yīng)地改為半圓折流柵，排列方式不變，形成所謂的“雙殼程折流桿換熱器”，殼程流體的流通面積減少了一半，管束長徑比約為普通折流桿換熱器的三分之一。6)導(dǎo)流筒與新型支撐和強化管復(fù)合——目前的縱向流管殼式換熱器盡管在殼體內(nèi)采用新型支撐和強化管等強化傳熱結(jié)構(gòu)，但在殼程的進、出口處流體仍然為橫向流。流體橫向沖刷管束時，摩擦阻力增大，流體誘發(fā)管束振動，存在傳熱死區(qū)等，在進口處常出現(xiàn)流體磨蝕換熱管而引起泄漏。因此，在上述復(fù)合強化技術(shù)的基礎(chǔ)上，在進、出口處設(shè)置導(dǎo)流筒，能有效地克服以上不足，傳熱效率可提高10%[10]。(3)縱向流管殼式換熱器的發(fā)展方向縱向流管殼式換熱器以優(yōu)良的抗振性能及卓越的流體力學(xué)和傳熱性能，將逐步取代傳統(tǒng)的折流板管殼式換熱器。但其自身仍存在不足，在今后的研究和發(fā)展中，結(jié)構(gòu)和性能需不斷完善。主要有以下幾個方面：1）改進各種高效強化管的結(jié)構(gòu)及其制造工藝，實現(xiàn)強化管結(jié)構(gòu)和制造工藝的簡單化，降低加工成本，推動強化管的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。確定強化管和新型支撐的最佳組合及適用工況，使換熱器發(fā)揮最大效率。2）加強實驗和理論研究，采用先進的測量儀器來精確測量換熱器的流場分布和溫度場分布，并結(jié)合分析計算，進一步摸清不同結(jié)構(gòu)的強化傳熱機理，尋找開發(fā)新型強化結(jié)構(gòu)的途徑，或確定現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的流阻系數(shù)和傳熱準(zhǔn)則方程，便于工程計算和設(shè)計。3）開發(fā)新型支撐必須遵循結(jié)構(gòu)簡單、流阻小、傳熱效率高及適應(yīng)范圍廣的原則，尤其在低雷諾數(shù)下能提高縱向流換熱器的性能，這是今后研究的一個重要方向。4）采用數(shù)值模擬方法對換熱器內(nèi)流體流動和傳熱過程進行研究，預(yù)測各種結(jié)構(gòu)對流場及傳熱過程的影響，是一種方便、快捷、直觀和節(jié)約的方法，有利于各種結(jié)構(gòu)的對比和優(yōu)化[11]。2．針翅管換熱器的特點及其應(yīng)用為了提高管殼式換熱器的傳熱效率，國內(nèi)外先后研制了各種強化管內(nèi)、管夕附熱的換熱元件。常用的管外強化無相變傳熱有效方法一般分為兩類，一類為螺紋管、肋片管連續(xù)表面；第二類為開岔短肋、釘頭管、太陽棒等連續(xù)擴展表面。其中釘頭管強化傳熱效果十分顯著，加工方法也簡單，但由于受管殼式換熱器布管的限制，難以在管殼式換熱器中顯示其強化傳熱的優(yōu)勢。近年來，人們新開發(fā)了幾種傳熱元件，其中針翅管傳熱元件較為理想，它不但結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，而且由于具有一定的傾角，使得換熱管在獲得更大傳熱面的同時，能保持較小的管間距，因此，從理論上講，對管外為高粘度油品傳熱的管殼式換熱器的強化效果是十分顯著的。(1)針翅管傳熱元件強化傳熱的機理無相變換熱器的傳熱為對流傳熱，當(dāng)流體流經(jīng)固體壁面時，近壁處存在一層滯流層，其流速較低，在沿壁法線方向幾乎沒有對流傳熱。用熱傳導(dǎo)的方式進行傳熱時，其導(dǎo)熱熱圈較大，流層中溫度梯度也較大。強化對流傳熱的機理主要是利用流體的分離，二次流及邊界層周期性地形成開始時所造成的擾動，使邊界層不斷地受到破壞，從而增大傳熱系數(shù)。當(dāng)傳熱介質(zhì)為高粘度時，易在外壁上形成一層穩(wěn)定且較厚的邊界層，這層液膜會產(chǎn)生較大的附加熱阻，影響傳熱效率。只有使流體產(chǎn)生強烈的徑向運動，加強流體整體的流合，形成湍流，才能有效地強化傳熱。針翅管換熱器強化傳熱的機理就是在擴大二次傳熱面的同時，利用流體的擾動使流體的邊界層不斷地受到破壞，從而有效地提高傳熱系數(shù)K。由于針翅管采用連續(xù)性擴展表面，針翅與基管采用同一種材料，消除了接觸熱阻，從而較大地提高了傳熱系數(shù)。在針翅管換熱器中，所有針翅管都會受到流體的橫向繞流，這樣不但提高了流體的湍流度，消除了流體流動時的旋渦死滯區(qū)，又增加了流體的擾動和混合。當(dāng)流體流人針翅管換熱器管束時，在前置針翅上開始形成邊界層，但邊界層隨后在后置針翅上遭到破壞，并消失在后置針翅上旋渦區(qū)中。再在下一排針翅上形成新的邊界層，繼而再在下一排針翅上遭到破壞。如此反復(fù)不斷，保持整個換熱面都充分利用了邊界層起始段較薄、熱阻較小的有利條件，提高了傳熱系數(shù)，降低了污垢生成的機率。從理論上講，針翅管換熱元件可以廣泛應(yīng)用在各種熱交換器中，如滑油冷卻器、空氣冷卻器、冰機冷卻器、空調(diào)冷卻器等。但由于換熱管上針翅的布置、針翅長度和傾斜角度都將直接影響傳熱的效果，在各類產(chǎn)品中，又表現(xiàn)出各種不同的特征。例如在空氣中要求高肋的翅片，而在滑油冷卻器中卻要求低肋的翅片，為此，人們對針翅管的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計研究，形成了S型針翅管系列，以滿足不同類型換熱器的需求[12]。(2)應(yīng)用特點1）換熱管管外介質(zhì)為高粘度流體時，采用針翅管換熱器的強化效果比較突出。2）在低雷諾數(shù)下，針翅管的強化傳熱效果顯著，也就是說，在提高傳熱系數(shù)K的同時，適當(dāng)降低殼程流動阻力。3）針翅管換熱器在大容量、高傳熱量的工況下運行，經(jīng)濟效益十分顯著。4）采用針翅管換熱器不僅可以減少設(shè)備投資，而且可以降低操作費用。1.3.6結(jié)語換熱器技術(shù)的進步，大大提高了換熱設(shè)備的效率，使能源得到更為有效的利用。同時，高效換熱器所需的傳熱面積更小，壓降更低，使設(shè)備投資和操作費用得到優(yōu)化。此外，工質(zhì)流體流動更為合理，抗振、防腐、自潔、換熱器壽命等多方面性能得到改善。不斷提出的新問題，和相關(guān)的有益的工作體現(xiàn)了換熱器技術(shù)發(fā)展的方向:提高綜合傳熱系數(shù)；降低管程、殼程的流體壓降；增加單位體積的傳熱面積，即結(jié)構(gòu)的緊湊度；低廉的成本和價格；延長使用壽命；綜合考慮加工、運輸、安裝、操作及維護等方面。1.4管殼式換熱器性能檢測實驗臺的智能化隨著自然科學(xué)、工程技術(shù)的不斷發(fā)展，測試技術(shù)越來越為人們所認識和重視，并已成為科學(xué)研究不可缺少的重要手段，特別是隨著計算機與電子技術(shù)的發(fā)展，測試技術(shù)開始了一個新的發(fā)展階段。在熱能工程領(lǐng)域中，測試技術(shù)也起著重要的作用。這一學(xué)科的發(fā)展，無疑將會大大促進熱能工程領(lǐng)域科學(xué)研究及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。事實上，微型計算機在其問世后不久，就應(yīng)用到了測試技術(shù)領(lǐng)域。隨著微型計算機功能的不斷增強和價格的不斷下降，測試技術(shù)與微機技術(shù)的聯(lián)系越來越密不可分。與此同時，測試任務(wù)也越來越復(fù)雜、繁重，傳統(tǒng)的模擬式、數(shù)字式測量儀表及設(shè)備已不能很好地適應(yīng)這種需求，而微型計算機技術(shù)及大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，正好可以填補這一空白。因此，有人預(yù)言，新型的測試儀器與設(shè)備，如果沒有應(yīng)用微機技術(shù)，將是沒有生命力的。在電子計算機誕生的最初年代，計算機在測試技術(shù)中應(yīng)用的主要目的，是對測量結(jié)果進行統(tǒng)計分析等一些很基礎(chǔ)的工作，測試技術(shù)和計算機的進一步結(jié)合，是通過模擬——數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置將測量儀表直接與計算機連在一起，組成電子測量系統(tǒng)，可以在測量結(jié)果進行儲存、顯示、打印等操作。這種系統(tǒng)在六十年代末到七十年代初大量涌現(xiàn)通常被稱為第一代自動測試系統(tǒng)。到了70年代中期，通用標(biāo)準(zhǔn)接口總線的出現(xiàn)，如IEEE—488、RS—232—C等，解決了儀器與儀器之間、儀器與計算機之間的連接問題，出現(xiàn)了以計算機為核心、同多臺可程控制儀表按積木組合方式構(gòu)成的成套裝置即第二代自動測試系統(tǒng)。這種系統(tǒng)發(fā)展很快，到了80年代初，能與標(biāo)準(zhǔn)總線兼容光煥發(fā)的儀器就有2000多種。隨后，微電子學(xué)的迅速發(fā)展，和測試技術(shù)與計算機的結(jié)合發(fā)展到一個嶄新的階段，即從原來的儀表附屬計算機過渡到計算機附屬于儀表的系統(tǒng)了，這就是第三代自動測試系統(tǒng)（以稱智能測試系統(tǒng)）。由于采用軟件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表中的許多硬件結(jié)構(gòu)或電路，儀表的成本得到降低，而功能卻大大增強，同時由于采用非線性處理等技術(shù)，儀表的測量精度也大為提高。另外，標(biāo)準(zhǔn)接口的應(yīng)用，使得構(gòu)造自動測試系統(tǒng)十分方便。在熱能工程測試技術(shù)領(lǐng)域中，微機的應(yīng)用幾乎隨處可見，無不體現(xiàn)出微機應(yīng)用帶來的經(jīng)濟和社會效益?？偟膩碚f，在熱能方面主要有以下幾方面的應(yīng)用：1．將常規(guī)的測量方法加以智能化，使得熱工參數(shù)的測量精度大大提高，也為計算機的進一步應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。如帶有非線性修補償?shù)臒犭娕技傲髁坑?、具有多點自動測試及記錄功能的溫度自動測試儀等。2．計算機輔助測試技術(shù)（CAT）使得復(fù)雜的熱能與動力工程測試任務(wù)變得簡單、可靠，一個典型的應(yīng)用是，在熱能與動力機械設(shè)備的實驗中，由于采用了計算機輔助測試系統(tǒng)，試驗人員的工作量大大減少，試驗成本下降，效率及可靠性得到了顯著的提高。3．?dāng)?shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)，在熱能與動力工程中應(yīng)用最為廣泛，小到家用冰箱溫度的自動控制，大到核電站、大型船用柴油機在不停機條件下工作狀態(tài)的故障診斷。其中后者在以前是相當(dāng)粗糙的而現(xiàn)在微機技術(shù)使得我們可以及時地了解到各個關(guān)鍵部位、各種參數(shù)的實時技術(shù)狀態(tài)，并通過自動執(zhí)行機構(gòu)，完成諸如調(diào)節(jié)、記錄、報警等相應(yīng)的動作。隨著熱能與動力工程的不段發(fā)展，對其過程中各種參數(shù)的測量，尤其對瞬變參數(shù)的測量而言，要求其精度高、速度快并能實時迅速處理。因此自動測試系統(tǒng)隨之得到迅速發(fā)展。綜上，檢測系統(tǒng)的的節(jié)能和智能化迫在眉睫，發(fā)展智能化的換熱器的實驗檢測臺對本領(lǐng)域今后的科研與生產(chǎn)將產(chǎn)生極大的促進作用。1.5本文研究的主要內(nèi)容本次殼管式換熱器通用實驗臺設(shè)計主要包括如下幾部分內(nèi)容：換熱器實驗檢測臺所采用的制冷系統(tǒng)的工作循環(huán)的分析，才確定實驗臺的方案設(shè)計即實驗方案、實驗過程、設(shè)備要求、設(shè)備選型、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果分析。最后得出結(jié)論，對換熱器的總體性能有個整體的了解，也就達到了本次實驗的目的。1.6本章小結(jié)本章作為本課題研究的綜述部分，重點論述了殼管式換熱器在當(dāng)今國民生產(chǎn)中的重要性，以及建立殼管式換熱器檢測實驗臺的必要性；比較系統(tǒng)地闡述了殼管式換熱器在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，主要的技術(shù)成果，同時指出了現(xiàn)今殼管式換熱器研究中存在的不足之處，特別是檢測實驗的缺乏給各中小型企業(yè)的產(chǎn)品研究帶來的不便；另外本章還介紹了當(dāng)今最先進的計算機檢測技術(shù)，指出計算機系統(tǒng)在殼管式換熱器檢測實驗中應(yīng)用的先進性。殼管式換熱器通用實驗臺的設(shè)計本章將通過對制冷系統(tǒng)的工作原理的分析及對冷水機組運行情況的研究，了解制冷系統(tǒng)運行時工作參數(shù)變化情況，并歸納總結(jié)出影響制冷系統(tǒng)正常工作的主要參數(shù)，從而為確定描述制冷系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測參數(shù)提供參考依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，最終提出殼管式換熱器通用試驗臺設(shè)計的總體方案。2.1制冷系統(tǒng)的工作原理換熱器產(chǎn)品性能測試實驗是建立在熱平衡的基礎(chǔ)上，即在熱流體所放出的熱量與冷流體所獲得的熱量基本相等或相對誤差在一定的范圍內(nèi)，通過獲得與換熱器性能有關(guān)的可測量參數(shù)的實驗數(shù)據(jù)，并依據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，如威爾遜圖解法、等雷諾書法等[14]，對該實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，從而分析出該換熱器在傳熱及壓力降等方面的性能指標(biāo)及準(zhǔn)則方程式。換熱器的主要形式是間壁式換熱器，這種換熱器的冷、熱流體分別位于固體壁面兩側(cè)，而由壁面間隔開來，冷熱流體之間能通過壁面進行熱量交換。目前生產(chǎn)與生活中所使用的換熱器90%以上是屬于此種換熱器類型。本實驗臺主機（冷水機組）采用蒸汽壓縮式制冷。它由壓縮機（可變?nèi)萘康穆輻U式）、冷凝器（殼管式）、節(jié)流閥（熱力膨脹閥）和蒸發(fā)器（殼管式）四個部件并依次用管道連接成封閉的系統(tǒng)，制冷劑為Rl2。其工作流程如下：從冷凝器流出的高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)過濾器過濾及回?zé)岫芜^冷后，通過熱力膨脹閥降壓降溫后進人蒸發(fā)器，變成低壓低溫的蒸汽，吸收冷凍水的熱量，經(jīng)回氣管進入壓縮機吸氣管，在壓縮機內(nèi)壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑后送入冷凝器，在冷凝器中放出熱量并傳給冷卻水，由高壓過熱蒸汽冷凝成液體，再進入熱力膨脹閥，重復(fù)上述循環(huán)。冷水機組制冷循環(huán)中，包含著制冷劑的蒸發(fā)過程、壓縮過程、冷凝過程和節(jié)流過程，圖2-1所示為制冷循環(huán)的壓力(P)～焓(h)圖。由圖可知，來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽進入壓縮機的為狀態(tài)點1，考慮回?zé)崞鳠峤粨Q。則壓縮機的吸汽溫度大于制冷劑出蒸發(fā)器時的溫度，即有〉。狀態(tài)點2為制冷劑在壓縮機內(nèi)被壓縮后升溫增壓進入冷凝器內(nèi)的狀態(tài)，1—2過程即為制冷劑氣休在壓縮機內(nèi)的絕熱過程，該過程沿等熵線進行。狀態(tài)點3為制冷劑氣體在冷凝器中被冷凝后成為制冷劑飽和液體狀態(tài)。狀態(tài)點4為制冷劑液體經(jīng)回?zé)峁芏芜^冷后的狀態(tài)，由于制冷劑液體在過冷過程中壓力等于冷凝壓力，因此．狀態(tài)點4位于2—3冷凝過程線的延長線上。狀態(tài)點5為液態(tài)制冷劑經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流降壓后進人蒸發(fā)器的狀態(tài)。在此過程中，制冷劑的壓力降低，但焓值保持不變。過程5—6則表示液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱汽化過程，液態(tài)制冷劑成為氣態(tài)。過程6-1為等壓過程。圖2-1制冷循環(huán)在lgP—h圖上的表示狀態(tài)點6為制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱汽化后流出蒸發(fā)器時的飽和蒸氣狀態(tài)，狀態(tài)點1為飽和蒸氣經(jīng)回?zé)峁芏芜^熱后的狀態(tài)，由于制冷劑蒸氣在過這過程中壓力等于蒸發(fā)壓力，因此，狀態(tài)l點位于5圖2-1制冷循環(huán)在lgP—h圖上的表示由lgP-h圖分析可知．影響制冷循環(huán)主要參數(shù)包括：蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、壓縮機吸汽溫度、壓縮機排汽溫度及過冷溫度。當(dāng)制冷循環(huán)運行工況發(fā)生變化時，制冷系統(tǒng)工作參數(shù)將發(fā)生變化。2.2殼管式換熱器通用實驗臺方案設(shè)計由以上分析可見，制冷系統(tǒng)運行中部件之間匹配關(guān)系、參與運行的物質(zhì)和物質(zhì)的狀態(tài)錯綜復(fù)雜，而且隨著工業(yè)技術(shù)的不斷能發(fā)展，制冷系統(tǒng)的規(guī)模將越來越龐大[15]。因此有必要建立制冷裝置通用實驗臺，深入研究制冷系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律。根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及換熱器性能的實驗原理，首先對實驗系統(tǒng)的硬件進行了總體的設(shè)計，在此設(shè)計基礎(chǔ)上搭建了實驗臺并在建立過程中作出了相應(yīng)的改進與調(diào)整。本系統(tǒng)選用間壁式、流體為液—液的換熱器進行實驗，測定其傳熱性能和流體阻力特性。要求通過試驗?zāi)軌虼_定間壁式換熱器的傳熱性能，給出不同定性溫度下傳熱系數(shù)與流速之間的關(guān)系曲線，并建立努謝爾準(zhǔn)則數(shù)與雷諾準(zhǔn)則數(shù)之間的準(zhǔn)則方程式；確定間壁式換熱器的流體阻力性能，給出壓力降與流速之間的關(guān)系曲線，并建立歐拉準(zhǔn)則數(shù)與雷諾數(shù)準(zhǔn)則數(shù)之間的準(zhǔn)則方程式。2.2.1制冷裝置運行狀態(tài)監(jiān)測中物理參數(shù)的選取應(yīng)考慮的問題制冷系統(tǒng)檢測參數(shù)的選取是進行在線診斷的關(guān)鍵。在實踐中，由于工況的變化及制冷系統(tǒng)具有故障現(xiàn)象干差萬別，系統(tǒng)物理參數(shù)繁多，許多參數(shù)難以測量等特點。在線狀態(tài)監(jiān)測時選取制冷系統(tǒng)物理參數(shù)時應(yīng)考慮到：1．測量集的完備性將選取的所有制冷系統(tǒng)物理參數(shù)視為測量集，則測量集是制冷系統(tǒng)物理參數(shù)集的一個子集。該測量集不一定能用來唯一描述制冷系統(tǒng)所發(fā)生的所有工況。但是，如果：我們只以一些常見的正常和故障工況構(gòu)成描述該對象空間，則適當(dāng)選取的測量集是能夠唯一描還該對象空間的各個元索的，這時我們就認為該測量集相對于該描述對象空間具有完備性。完備性是測量集選取時應(yīng)考慮的首要因素。2．測量集的可擴充性在實踐中我們會發(fā)現(xiàn)當(dāng)初選取測量集時有一些因素未考慮周全，導(dǎo)致后來在實驗階段發(fā)現(xiàn)測量集不具備完備性．這時就需要對測量集進行擴充。3．測量集的冗余性在測量集中可能有兩以上的物理參數(shù)間滿足一定的函數(shù)關(guān)系，這種參數(shù)集便構(gòu)成了冗余，但為了降低實驗成本應(yīng)盡量減少冗余。4．測量集易實現(xiàn)性制冷系統(tǒng)中有許多物理數(shù)不便測量，而且一般也不予測量。在保證測量集的完備性前提下，應(yīng)盡量避免選取這些參數(shù)。測量參數(shù)還要求測試方法簡單，傳感器價格適中，易于實現(xiàn)。表2-1所示為本實驗所采用測量參數(shù)：表2-1被監(jiān)測的物理參數(shù)序號參數(shù)名稱序號參數(shù)名稱1壓縮機蒸發(fā)壓力(吸氣壓力)P17蒸發(fā)器進口溫度t52壓縮機冷凝壓力(排氣壓力)P28蒸發(fā)器出口溫度t63壓縮機吸氣溫度t19冷凍水溫度t74壓縮機排氣溫度t210冷卻水進水溫度t85冷凝器出口溫度t311冷卻水出水溫度t96膨脹閥進口溫度t412冷卻水流量G2.2.2系統(tǒng)設(shè)計制冷裝置通用實驗臺系統(tǒng)設(shè)計制冷裝置通用實驗臺的組成如圖2-2所示。殼管式換熱器通用實驗臺殼管式換熱器通用實驗臺數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件部分硬件部分圖2-2制冷裝置通用實驗合的組成殼管式換熱器系統(tǒng)實驗臺采用冷水機組（可變?nèi)萘康穆輻U式壓縮機、管殼式冷凝器、管殼式蒸發(fā)器、配套的熱力膨脹閥）作實驗平臺。為了便于實施換熱器檢測實驗．實驗臺在制冷系統(tǒng)部分采取了如下改造措施：1．在冷凍水箱中布置三支2000W(220V）的電加熱器，以提供蒸發(fā)器冷熱平衡相應(yīng)的熱負荷。2．在冷凝器冷卻水進口處串接一個最大功率為5000W的220V電熱水器（功率四檔可調(diào)），以方便地改變冷凝溫度。3．冷卻水箱采用立式圓柱不銹鋼水箱，以防止水箱結(jié)銹并有利于散熱；根據(jù)實驗室空間大小，冷凍水箱設(shè)計為由兩個立式圓柱不銹鋼水箱組成，中間加裝有連通器，其中熱水由兩組共十二根電阻加熱器來加熱，十二根電阻加熱器分別安裝在兩個熱水箱中，由控制柜中的溫度控制器進行恒溫控制。4．考慮到壓力變化較小及流量控制的方便，冷卻水、冷凍水泵都采用了離心式水泵，兩臺水泵的控制線路都集中地連接在控制柜中，分別由兩臺日本SanKen變頻器來進行流量控制；管路采用聚脂PPC管進行連接，PPC管具有保溫性能好、耐熱性好、抗沖擊、耐腐蝕、價格低廉的特點。但其連接方式為熱連接，且連接后管路進行重新調(diào)節(jié)困難。為了防止水中有雜質(zhì)與顆粒堵塞流量計并造成溫度計與壓力計的測量誤差，管路中設(shè)計加裝了過濾器，過濾器可以定期取出沖洗除污。5．冷卻水的散熱系統(tǒng)除了冷水箱本身具有散熱能力外，冷水系統(tǒng)的管路中安裝了空氣冷卻器，空氣冷卻器主要是利用空氣來將熱水傳遞給冷水的熱量帶走，冷卻介質(zhì)采用空氣，但是盡量考慮到如果采用水冷，效果要比空氣冷卻好，但水資源的消耗太大，因為如果作一次完整的實驗，總花費時間約在50-60小時左右，而冷水的冷卻時也約有35—40小時，這樣的冷卻水消耗是不必要的；二是空氣資源十分豐富，實驗過程中沒有污染。圖2-3實驗臺制冷系統(tǒng)及傳感器布置圖實驗臺制冷系統(tǒng)傳感器布置如圖2-3所示。在本系統(tǒng)中，計算機直接參與設(shè)備運行過程的檢測、監(jiān)督，主要是對生產(chǎn)過程的參數(shù)進行檢測、采樣和必要的預(yù)處理，并以一定的形式輸出（如屏幕顯示），為設(shè)備管理人員提供詳實的數(shù)據(jù)，以便于他們分析、了解、監(jiān)視設(shè)備運行過程。圖2-3實驗臺制冷系統(tǒng)及傳感器布置圖2.2.3測控系統(tǒng)測控系統(tǒng)由溫度、壓力及流量傳感器及變送器、控制柜內(nèi)的二次顯示儀表、I/V轉(zhuǎn)換板、AD板卡、DA板卡、變頻器、冷水泵、熱水泵及計算機組成完整的系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用的熱電阻溫度計輸出電流信號，渦輪流量計輸出脈沖信號，擴散硅壓力計輸出電流信號，溫度與流量信號都送往控制柜中的二次顯示儀表與計算機并聯(lián)顯示，所有的可遠傳信號最后都變成電流信號送往I/V轉(zhuǎn)換板，經(jīng)AD板卡變成數(shù)字信號后被計算機接收?？刂品椒ú捎玫姆答伩刂疲饕獙?、冷水的流量以及壓縮機轉(zhuǎn)速進行控制，由計算機傳出的控制量經(jīng)DA板卡變成模擬信號后送變頻器來調(diào)節(jié)控制冷、熱水泵的轉(zhuǎn)速，從而達到控制流量的目的。測試系統(tǒng)組成如圖2-4所示多路開關(guān)制冷系統(tǒng)溫度流量多路開關(guān)制冷系統(tǒng)溫度流量壓力熱點偶溫計度計渦輪流量計擴散硅壓力計計計放大器顯示儀表I/V轉(zhuǎn)換板AD板卡計算機DA板卡變頻器變頻器冷卻水泵冷凍水泵熱電偶溫度計輸出電流信號渦輪流量計輸出脈沖信號擴散硅壓力計輸出電流信號顯示儀表輸出4~20mA的電流信號I/V將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓送到AD卡計算機將電壓信號送DA卡，來驅(qū)動變頻器控制流量圖2-4原理接線圖2.2.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件部分設(shè)計1．設(shè)計原則基于目前Microsoft公司的Win9x/NT操作系統(tǒng)在個人計算機上使用的大眾化及普遍性，也由于該操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、方便性及實用性，《換熱器性能實驗自動測控系統(tǒng)》的軟件部分是在Win9x/NT的操作系統(tǒng)下開發(fā)的。編程工具采用的是也是該公司VisualC++面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，這樣有兩個優(yōu)點：一是VisualC++這種編程工具可以與win9x/NT系統(tǒng)實現(xiàn)無縫鏈接，在程序編寫與調(diào)試過程中避免了許多麻煩；一是基于C語言的visualC++有很強的硬件訪問能力。軟件的設(shè)計原則：(1)．基于Win9x/NT的系統(tǒng)平臺，不獨占用資源，易于實現(xiàn)多媒體教學(xué)，實驗與科學(xué)研究，便于數(shù)據(jù)在不同的進程間傳遞。(2)．在單機，單系統(tǒng)上工作。(3)．先進的面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，有利于程序的重用與移植。(4)．可視化的編程工具，節(jié)約時間，避免重復(fù)性工作軟件的總體框圖如圖3—3所示人機界面系統(tǒng)圖人機界面系統(tǒng)圖運行參數(shù)控制臺報表運行結(jié)果數(shù)據(jù)反饋數(shù)據(jù)歸檔數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)庫采集及控制層現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)庫圖3-3軟件的總體框圖2．軟件的層次本軟件由三層結(jié)構(gòu)組成，分為測控層（低層）、傳遞層與管理層（高層）。1）測控層：負責(zé)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集，數(shù)據(jù)庫歸檔，原始數(shù)據(jù)處理，控制數(shù)據(jù)發(fā)送及向管理層傳遞參數(shù)據(jù)。2）傳遞層：負責(zé)數(shù)據(jù)在低層與高層之間進行傳遞。3）管理層：負貴原始數(shù)據(jù)動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)變化趨勢的動態(tài)曲線描述，控制參數(shù)據(jù)的調(diào)整修改，計算參數(shù)輸入，實驗結(jié)果的顯示。級層與高級層之間通過VC所生成的CDocument類的對象文件實現(xiàn)接口。軟件的兩層結(jié)構(gòu)可以避免高級層直接操作低級層，造成數(shù)據(jù)沖突，無意識修改。同時也可以有利于軟件的移植，重用性。3．主要功能根據(jù)軟件的總體框圖，完成后的軟件主要由系統(tǒng)圖、運行參數(shù)、參數(shù)調(diào)整及報表等四部分組成人機界面，來完成人機交互傳遞信息，這四部分也涵蓋了該軟件的主要功能。軟件在完成后可以實現(xiàn)下列功能：(1)．實時采集工作流程中的運行參數(shù)。(2)．自行控制水泵與空冷器，進行無級調(diào)速。(3).在線對運行參數(shù)進行數(shù)字顯示并描繪動態(tài)趨勢。(4)對運行參數(shù)用數(shù)據(jù)庫進行保存，可以查看歷史數(shù)據(jù)庫，打印所研究參數(shù)，及報表，日志打印功能。(5)．使操作者能通過人機界面充分了解工作臺運行流程及狀態(tài)的系統(tǒng)圖(6)．可對控制模式進行在線修改，調(diào)整測控系統(tǒng)需要豐富的界面與用戶進行交流，以使用戶能充分了解實驗原理，參數(shù)變化，系統(tǒng)變化趨勢及實驗數(shù)據(jù)的采集處理情況。必不可少要以多個界面向用戶展示該實驗系統(tǒng)，但以往程序界面單一枯燥，多界面由于計算機屏幕空間較小，多窗口同時運行必然造成空間過小，用戶看不清界面，重復(fù)的開關(guān)窗口會有操作不方便，系統(tǒng)資源浪費，且不能有多種關(guān)于實驗臺信息同時呈現(xiàn)于用戶面前的效果，造成用戶思維中斷，或思路不清晰的結(jié)果。鑒于此，本系統(tǒng)開發(fā)了新的標(biāo)簽窗口，該窗口類可以多個窗口同時運行，且處理簡單方便。2.3本章小結(jié)本章在綜合考慮了制冷系統(tǒng)各部分性能匹配的基礎(chǔ)上，設(shè)計了殼管式換熱器性能檢測實驗臺，以及實驗流程，確定了相關(guān)實驗參數(shù)及其傳感器的布置；設(shè)計了計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分和軟件部分，以及系統(tǒng)布置方案，為下面系統(tǒng)設(shè)備選型及實驗的具體實施做好充分的準(zhǔn)備。第三章殼管式換熱器通用實驗臺的設(shè)備選型3.1檢測儀器及測量元件的選用作為制冷裝置運行狀態(tài)監(jiān)測使用的智能檢測儀器應(yīng)滿足下列總體要求：1．滿足設(shè)備工況檢測基木功能的要求。2．在保證采樣定理的前提下能滿足不同對象信號要求。3．所選擇的芯片或整機應(yīng)是工藝成熟，性能優(yōu)良，價格低廉；從而使組成的儀器可靠性好、性能價格比高。4．應(yīng)當(dāng)首先考慮儀器功能升級問題，設(shè)計時便在軟硬件方面留有余地，防止將來改動太大。5．外設(shè)（顯示器和鍵盤）在滿足當(dāng)前使用和考慮將來升級的情況下宜盡量簡單。6．在保證運算速度的前提下，盡量用軟件實現(xiàn)硬件功能，使總成本最低。3.1.1溫度傳感器1．溫度傳感器選擇的原則能與計算機測試系統(tǒng)匹配的溫度傳感器，因為都要能輸出電量信號．可供選擇的溫度傳感器就只有熱電偶、熱電阻及晶體管等幾種。對于制冷裝置狀態(tài)檢測及故障機理研究實驗，這些溫度傳感器的選擇應(yīng)當(dāng)遵循下列原則：(1).感溫元件的體積和熱容量應(yīng)盡可能小，不致于破壞被測介質(zhì)的溫度場。(2).感溫元件的時間常數(shù)應(yīng)當(dāng)小，以便降低測量的動態(tài)誤差。(3).感溫元什的材料應(yīng)與所使用的測溫范圍相適應(yīng)，在所使用的測溫范圍內(nèi)，化學(xué)穩(wěn)定性要好。(4).感溫元件的物理穩(wěn)定性要高，其物理性質(zhì)在使用的測溫范圍內(nèi)不隨時間而變化。(5).感溫元件材料的復(fù)現(xiàn)性要好。使同種材料制成的感溫元件具有互換性。2．溫度傳感器的選用根據(jù)以上原則，我們選用廣州粵茂電子科技有限公司Pt100型溫度變送器（共9只），它屬熱電阻型，其主要技術(shù)指標(biāo)如表3-1所示。表3-1溫度傳感器技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)數(shù)據(jù)測量范圍-200~600測量精度0.3%漂移溫度漂移0.025%/，時間漂移<0.5%/年工作范圍-10~70，0~85%RH工作電源＋24V負載能力0~500Ω常用的熱電偶溫度計盡管價格便宜，但精度低。熱電阻溫度計測溫精度高，測溫范圍為13.8K~903.89K，可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計，且不需要冷端補償，可以實現(xiàn)信號遠距離傳送等優(yōu)點。熱電阻溫度計分別安裝在冷凍水進口、冷凍水出口，冷卻水進口、冷卻水出口的管路上，插入中心位置，以測量進出換熱器的冷卻水或冷凍水的溫度差。圖3-1AI-808P人工智能調(diào)節(jié)器接線圖系統(tǒng)采用的鉑電阻溫度計精度等級為0.1級，經(jīng)檢驗合格。顯示儀表配用AI-808P型人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器。鉑電阻溫度計配有SBWZ型一體溫度變送器，將它與熱電阻配合，可以輸出4~20mA的電流，送與二次顯示儀表，二次顯示儀表在顯示數(shù)據(jù)的同時，再將測量信號轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流輸出，送給I/V轉(zhuǎn)換板，通過I/V轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)變成電壓后，由AD卡采入計算機中存儲、處理。圖3-1AI-808P人工智能調(diào)節(jié)器接線圖具體接線如圖3-1所示。3.1.2變送器系統(tǒng)變送器系統(tǒng)接線如圖3-2所示。24V通過屏蔽電纜給WB溫度變送器供電，變送器的‘+’接＋24V電源的正極，‘—’輸出4～20mA，接計算機的取樣電阻（選用250歐高精度電阻），表輸入的‘—’與＋24V電源共地。A、B應(yīng)短接（兩線接法）。線應(yīng)牢固接在接線柱上以減少接觸電阻的影響。圖3-2變送器系統(tǒng)接線圖3.2壓力傳感器3.2.1壓力傳感器選擇的原則所選的壓力傳感器能與計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)匹配，能把被測壓力轉(zhuǎn)換成電信號（4~20mA，或DC0~5V，或DC0~10V）輸出。壓在制冷裝置狀態(tài)檢測及故障機理研究實驗時，選用壓力傳感器，還應(yīng)考慮如下技術(shù)指標(biāo)和電氣特性。1.傳感器的總精度（包括非線性度、遲滯、不重復(fù)性）在所測壓力及工作溫度范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)小于0.25％。2.傳感器的量程應(yīng)與被測壓力（或壓力差）相適應(yīng)。并具有過壓力保護功能。3.2.2壓力傳感器的選用選用PT4000系列（廣州粵茂電子科技有限公司）應(yīng)變式壓力傳感器基本滿足以上要求，它同時具有溫度性能穩(wěn)定。完善的溫度補償工藝，精度高，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單而成本低廉的特點。該壓力傳感器屬固體應(yīng)變式壓力傳感器，可安裝于管路上，用來連續(xù)測量流體（液體，氣體，蒸汽）的壓力，可將被測量信號轉(zhuǎn)換成文4~20mA直流電信號輸出。測量信號通過I/V轉(zhuǎn)換板變成電壓后，由AD卡采入計算機中。1．低壓側(cè)低壓側(cè)選用PT440系列壓力變送器。其主要性能指標(biāo)如表3-2所示。表3-2低壓側(cè)壓力變送器性能指標(biāo)指標(biāo)數(shù)據(jù)量程0~1MPa非線性、滯遲0.2FS重復(fù)性0.2FS最高使用溫度范圍-20~60供電電源24V負載電阻0~1100Ω（12~36V)2．高壓側(cè)高壓側(cè)選用PT450系列壓力變送器，其主要性能指標(biāo)如表3-3所示。表3-3高壓側(cè)壓力變送器性能指標(biāo)指標(biāo)數(shù)據(jù)量程0～1MPa非線性、滯遲士0.2FS重復(fù)性士0.2FS最高使用溫度范圍-20～120℃供電電源24V負載電阻0～1100Ω（12～36V)溫度零點和溫度靈敏度漂移0.003%FS/℃輸出二線4～20mA3.3.流量計3.3.1流量計的選擇原則所選的流量計能夠輸出電信號、并與計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)匹配。滿足要求的流量計主要有：電遠傳轉(zhuǎn)于流量計、渦輪流量計、質(zhì)量流量計、差壓式孔板流量計，以及差壓式噴嘴流量計等幾種。選用何種流量計測試，必須根據(jù)被測流體的條件、對儀表準(zhǔn)確度和量程比的要求，以及儀表安裝的條件來確定。流量計傳感器的選用。由于本課題中要求計量流量準(zhǔn)確度較高，時間常數(shù)小于50ms，使用溫度范圍和可測量范圍較大、量程比也較大，實驗臺有足夠的水平安裝位置．測量介質(zhì)為水，因其潔凈，且密度與粘度隨溫度變化較小，故選用LWGYA-12型渦輪流量變送器。LWGYA—12型渦輪流量變送器基本參數(shù)如表3-4所示。該流量計具有精度高，慣性小，復(fù)線性好，輸出頻率信號抗干擾能力強等優(yōu)點。此類流量計的輸出為脈沖信號，必須與相關(guān)顯示儀表配套使用。系統(tǒng)采用LWGY型渦輪流量計精度等級為0.5級，經(jīng)檢驗合格。顯示儀表配用XSL—1B型智能流量顯示儀表，由現(xiàn)場采集的流量信號由流量計輸出脈沖信號，此脈沖信號被送到XSL—1B型智能流量顯示儀表，該儀表在顯示數(shù)據(jù)的同時可以輸出模擬信號，輸出4~20mA(DC）的電流。電流信號在通過1/v轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換變成電壓信號后，經(jīng)AD卡送達計算機。表3-4低壓側(cè)壓力變送器性能指標(biāo)指標(biāo)數(shù)據(jù)電流輸出4～20mA兩線制遠傳變送型公稱直徑12mm流量范圍0.2～l.2m/h工作壓力6.3MPa介質(zhì)溫度-20～+120℃環(huán)境溫度-20～+55℃供電電源電壓：12V±10%；電流：≤10mA輸出電壓幅值高電平：≥8V；底電平≤0.8V傳輸距離傳感器至顯示儀表的距離可達1000m3.4數(shù)據(jù)采集卡由于研華公司擁有19年數(shù)據(jù)采集、控制卡研發(fā)設(shè)計及規(guī)模制造的經(jīng)驗，提供工業(yè)數(shù)據(jù)采集全系列產(chǎn)品，并且擁有豐富的終端接線方式設(shè)計和強大的軟件支持，是面向工業(yè)現(xiàn)場控制，提供設(shè)備互聯(lián)支持的現(xiàn)場總線家族中的一員。由于其配置靈活、性能/價格比優(yōu)、可靠性高等特點，在工業(yè)現(xiàn)場中得到廣泛的應(yīng)用。因此在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集采選用研華PCI—1711插入式多功能卡。PCI—1711/1711L是一種100KS/s，12位，16通道單端輸入低成本多功能PCI卡，其功能參數(shù)如表3-5所示。表3-5數(shù)據(jù)采集片功能參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡性能及參數(shù)12位分辨率。100KS/s采樣頻率16路單端模擬量輸入各通道增益可單獨編程自動通道/增益掃描板載1KFIFO2路12位模擬量輸出16路數(shù)字量輸入/16路數(shù)字量輸出定時器/計數(shù)器控制系統(tǒng)主要由變頻器、AD卡、DA卡、漏電保護裝置、溫度調(diào)節(jié)器及計算機組成。3.4.1變頻器流量調(diào)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)采用IPFllK，IPF7.5K型SANKen變頻器，該變頻器可把感應(yīng)電機用作可變速驅(qū)動的裝置，通過改變頻器電流頻率來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)節(jié)流量的目的。經(jīng)檢驗性能良好。變頻器的輸入信號由計算機通過DA卡輸入，其輸入信號為電壓，范圍為0~10V。3.4.2.AD卡及DA卡1.本系統(tǒng)采用中泰公司的PC6313數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，AD卡與DA卡是集成在一塊電路板上，總線結(jié)構(gòu)為ISA總線。輸入通道為單端32路，A/D轉(zhuǎn)換速度為10us，分辨率為12位。2.模擬部分：DA卡轉(zhuǎn)換分辨率為12位，輸出可為電流輸出，也可為電壓輸出。轉(zhuǎn)換狀態(tài)可以有程序查詢，也可以用中斷方式通知CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。采集的數(shù)據(jù)變成數(shù)字信號送到計算機后，在計算機中經(jīng)控制算法處理，然后將數(shù)字信號送于DA卡并由DA卡轉(zhuǎn)換成為模擬信號，模擬信號傳輸給變頻器，變頻器在接到計算機的電壓信號后，通過改變交流電頻率來改變水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變流過換熱器的流量，使流量達到操作員所設(shè)想的結(jié)果。3.4.3溫度調(diào)節(jié)器負責(zé)進行熱水箱的溫度調(diào)節(jié)，保證熱水箱的溫度保持在55℃。四組加熱器分時工作，每組延時十五秒后啟動。這樣可以避免同時啟動造成總電路中電流過大，形成危險。3.5計算機硬件系統(tǒng)系統(tǒng)采用一臺采用七喜牌臺式電腦，配置如表3-6所示。，我們不選用工控機是由于所選用的個人微型機具有性能好，系統(tǒng)功能更強的特點，可以實現(xiàn)實驗控制與數(shù)據(jù)測量，同時可以進行教學(xué)研究，或在漫長的實驗過程中進行娛樂活動。本控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)手動或自動進行實驗，手動實驗是實驗員不啟動計算機系統(tǒng)，直接進行手動調(diào)節(jié)變頻器，設(shè)置所期望的流量，并在儀表中讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)記錄整理。自動實驗是實驗員將現(xiàn)場與計算機同時啟動運行后，不在進行人為干預(yù)，由計算機自動進行數(shù)據(jù)采集、記錄、處理及結(jié)果輸出。表3-6電腦配置電腦配置性能及參數(shù)處理器：英特爾、“賽揚”處理器2、4GHz網(wǎng)卡：10～100MB網(wǎng)卡硬盤：60GB7200RPM軟驅(qū)：l.44M內(nèi)存：256MBDDR顯卡：集成高性能顯卡光驅(qū)：DVD一ROM顯示器：17寸純平顯示器通訊接口RS232串口、USB接口、COM接口外設(shè)：Canon打印機等3.6本章小結(jié)本章在第二章設(shè)計的基礎(chǔ)上，對相關(guān)實驗設(shè)備進行詳細的選型，主要包括：溫度傳感器、壓力變送器、流量計，以及與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備，如微型計算機、數(shù)據(jù)采集卡等。到此，所有實驗前的準(zhǔn)備部分全部就緒。第四章?lián)Q熱器實驗臺檢測及數(shù)據(jù)處理4.1實驗測試數(shù)據(jù)的理論計算方法常規(guī)的實驗系統(tǒng)是在現(xiàn)場流程中安裝參數(shù)測量傳感器如溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器，利用這些傳感器可以獲得與換熱器性能有關(guān)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)由連接在傳感器上的電信號變送器將現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)變成為電信號進行遠傳，送給顯示儀表或數(shù)據(jù)采集卡，進行數(shù)據(jù)的顯示、采集、處理及控制反饋[17]。在本文所闡述的實驗系統(tǒng)中，主要是進行溫度、壓力與流量的數(shù)據(jù)實時測量，并對流量進行控制，現(xiàn)場數(shù)據(jù)在經(jīng)過上述過程變成電信號后，被送往計算機進行數(shù)據(jù)處理及用作控制反饋。間壁式換熱器性能實驗所采用基本的熱平衡計算公式如下：冷流體流速(4-1)熱流體流速(4-2)熱流體熱流量(4-3)冷流體熱流量(4-4)熱平衡相對誤差(4-5)對數(shù)平均溫差，當(dāng)時(4-6)當(dāng)時，(4-7)當(dāng)時(4-8)傳熱系數(shù)K：(4-9)實驗中的測量項目有a冷卻水、冷凍水的體積流量；b冷卻水、冷凍水的進、出口溫度；c冷卻水、冷凍水的進、出口壓力及進、出口之間的壓力降。4.2基本實驗內(nèi)容首先在給控制柜與計算機通電后，啟動加熱器；加熱器對熱水箱中的水加熱一段時間后，熱水泵開始循環(huán)，這樣可以使熱水箱，熱水系統(tǒng)管路內(nèi)及換熱器熱水側(cè)的水溫趨于一致；再同時啟動冷，熱水泵運行30分鐘；待系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)后，通過計算機不同的控制方式（自動模式，調(diào)整模式，自調(diào)模式）控制冷．熱水泵達到指定工況；待系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定狀態(tài)后，可以進行參數(shù)測量：5分鐘后計算機可以記錄三組數(shù)據(jù)，顯示于屏幕上并保存在數(shù)據(jù)庫中；實驗結(jié)束后，關(guān)閉控制柜，打印結(jié)果或進行數(shù)據(jù)傳輸。實驗中，傳感器的選型與設(shè)計安裝是十分重要，它們是實驗結(jié)果的精確與實驗系統(tǒng)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，流量計、溫度計與壓力計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測量儀表，具體要求如下1．流量測量a渦輪流量計應(yīng)安裝在水平直管段上，其渦輪上游直管段長度應(yīng)不小于20倍管徑，下游直管段長度應(yīng)不小于15倍管徑。在儀表的上游直管段起始端應(yīng)安裝過濾器。2．溫度測量b測溫元件的感溫點應(yīng)位于管道中心，其保護管的插入深度L應(yīng)技溫度計使用說明書的規(guī)定。c溫度保護管的安裝應(yīng)符合規(guī)定。當(dāng)管道公稱直徑大于Dg80mm時，垂直安裝法進行安裝：當(dāng)管道公稱直徑小于或等于Dg80mm時，可以傾斜安裝、在管道彎頭處安裝或在擴大管處安裝。d測量層流狀態(tài)的流體溫度時，應(yīng)順著流體流動方向，在測溫點前2至3倍管徑處設(shè)置混合器。e測溫點的上、下游各300mm范圍內(nèi)，保溫層應(yīng)盡可能加厚，換熱器、混合器、測溫點之間的全部管線應(yīng)保溫良好。3．壓力（差壓測量）靜壓測孔應(yīng)設(shè)置在距離任何擾動區(qū)（彎管、閥門等）下游至少5倍管徑、上游至少2倍管徑處。靜壓測孔應(yīng)與管壁面垂直?？紤]到實驗的精度與數(shù)據(jù)處理，對流量計，我們選用了安裝在管路中的測量準(zhǔn)確的渦輪式流量計，熱水與冷水側(cè)各一組共四個流量計，可根據(jù)熱水與冷水側(cè)流量的不同選用不同的管路與流量計。對溫度計與壓力計，我們分別選用了電阻式溫度計與擴散硅式壓力計，將溫度計與壓力計安裝在換熱器進、出口的位置上，每種傳感器共四個，另在熱水箱與冷水箱內(nèi)各安裝一溫度傳感器，以監(jiān)測熱水箱與冷水箱的水溫。所有傳感器都采用屏蔽線與控制柜及計算機進行連接，這是考慮到遠距離傳輸中防止傳輸信號受到干擾。為了方便校驗、觀察與控制，實驗系統(tǒng)采用了控制柜的儀表與計算機CRT并行監(jiān)測現(xiàn)場信號的處理方法。在系統(tǒng)調(diào)試運行正常后，將控制柜放置在現(xiàn)場，而核心部件計算機則放置在計算機房，進行遠程控制，這樣也可以實現(xiàn)手動與自動兩種不同的控制方法。4.3實驗步驟依據(jù)國家機械工業(yè)委員會通用機械局企業(yè)GB16409—1996標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我們自己的實驗臺設(shè)計，整個實驗的測量步驟可以分以下幾步進行1．試驗前，應(yīng)檢查設(shè)備，管線以及測量儀表的可靠性。2．開始運行后，應(yīng)及時排凈設(shè)備內(nèi)的氣體，使設(shè)備在完全充滿試驗流體的條件下運行并調(diào)節(jié)至設(shè)計工況（或指定工況）。3．在設(shè)計工況（或指定工況）下穩(wěn)定運行30分分鐘后，記錄數(shù)據(jù)并開始按試驗工況進行測試。4．首先應(yīng)使一側(cè)（熱側(cè)或冷側(cè)）流體的流量固定，另一側(cè)流體的流量應(yīng)在一定范圍內(nèi)變化，反之亦然。5．每側(cè)流體流量的固定點數(shù)應(yīng)不少于3個，每一工況下穩(wěn)5分鐘后方可進行讀數(shù)。6．同一工況的測試數(shù)據(jù)應(yīng)同時測量。7．物理性質(zhì)不明確或多組分流體，應(yīng)測定其試驗工況下物理性質(zhì)。4.4實驗數(shù)據(jù)初步處理在實驗中，主要是進行溫度、壓力與流量的數(shù)據(jù)實時測量，并對流量進行控制，現(xiàn)場數(shù)據(jù)在經(jīng)過上述過程變成電信號后，被送往計算機進行數(shù)據(jù)處理及用作控制反饋。4.4.1處理方式一在數(shù)據(jù)測量完畢之后，可根據(jù)以上的公式(4-1)~(4-9)來進行數(shù)據(jù)處理，再對結(jié)果進行誤差分析，才對整個換熱器的性能有個定性的分析，也會針對其優(yōu)點及不足，適當(dāng)?shù)陌l(fā)揮和改造，以達到其換熱的最好效果。4.4.2處理方式二在對總傳熱系數(shù)進行計算的時候，除了可根據(jù)流量、換熱面積、溫度差計算測出其系數(shù)，也可根據(jù)以下從管、殼的換熱系數(shù)即焓值入手進而推算出熱平衡相對誤差及總傳熱系數(shù)K，再根據(jù)結(jié)果對換熱器進行性能估計。主要的計算公式及過程推理如下：1．傳熱的方程(4-10)(4-11)