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(1-1)
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:
(1-2)
图1b为两侧有污垢时的温度分布,其总传热热阻为
(1-3)
如果忽略换热面上污垢的积聚对壁面与流体的对流传热系数影响,则可认为。
于是由式(1-3)减去式(1-2)得:
(1-4)
式(1-4)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:
(1-5)
(1-6)
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:
(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。
1.2实验装置
本实验采用如图1-1所示的实验装置。
该装置是由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软测量技术开发的多功能实验装置。
图1-1多功能动态模拟实验装置外形图
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。
该装置主体结构示意图如图1-2所示。
图1-2动态模拟试验装置主体结构示意图
1-恒温槽体;
2-试验管段;
3-试验管入口压力;
4-入口温度测点;
5-管壁温度测点;
6-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
1.3检测和控制的参数
温度:
包括实验管流体进口(20~40℃)、出口温度(20~80℃),实验管壁温(20~80℃)以及水浴温度(20~80℃)。
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200mm~500mm。
流量:
实验管内流体流量需要测量,管径Φ25mm,流量范围0.5~4m3/h。
差压:
由于结垢导致管内流动阻力增大,因此需要测量流动压降,范围为
0~50mm水柱。
第2章测量装置选择与误差分析
2.1流体进出口温度
由于该实验装置实验管道直径较小,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。
因此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。
进出口最大温度变化范围在20~80℃之间,水温变化较小且属于低温范围,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,适合测中低温。
为减小计算进出口温差时的误差,可采用同种方法对进出口温度进行测量。
因此,可选择热电阻温度计进行测量。
2.1.1热电阻原理
从热电阻的测温原理可知,被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的,因此,热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。
铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体,它的外径一般为φ1.0~φ8.0mm,最小可达φ0.5mm。
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,使用寿命长等优点。
2.1.2WZC-200热电阻结构图
图2-1WZC-200热电阻结构图
2.1.3产品参数
表2-1产品参数
型号
分度号
安装形式
保护管材料
测量范围
WZC-200
Cu50
管螺纹G1/2
1Cr18NiTi
-50~100℃
主要技术指标
1、铜热电阻:
-50℃~100℃
2、输出信号:
4~20mA(可与DDZ-III仪表配套使用)
0~l0mA(可与DDZ-Ⅱ仪表配套使用)
3、基本误差:
士0.5%,士0.2%.
4、温度漂移:
≤0.01%/1℃
5、环境温度:
-30~70℃相对湿度≤95%
6、负载电阻:
三线制0~10mA:
RL≤1500Ω
7、标准工作电压:
24VDC;
2.1.4主要特性
1、输出4~20mA或0~10mA标准恒流信号,与被测温度成线性关系,与负载电阻大小无关。
2、输出高阻扰抗信号、无射频干扰影响。
3、具有防爆、防震、防潮、防热、防有害气体的功能。
4、带电源极性接反保护功能。
5、具有较强的远传功能,安装使用极为方便。
2.1.5注意事项
为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。
热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。
必须注意以下两点:
1、热电阻和显示仪表的分度号必须一致
2、为了消除连接导线电阻变化的影响,必须采用三线制接法。
2.1.6误差分析
1、分度误差2、通电发热误差3、线路电阻不同或变化引入的测量误差4、附加热电动势
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20~80℃。
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电阻都不易测量,测温环境要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Pt1000Pt2000高阻值热电阻,其分辨率相当于常规铂电阻pt100的5~10倍。
以下即是选用某厂家生产的膜式铂电阻,其技术指标如下:
测量范围:
50---500℃
测量精度:
A级±
0.15+0.002t.(℃)
B级±
0.3+0.05t.(℃)
0℃阻值偏差:
0.06(Ω)
0.12(Ω)
图2-2膜式铂电阻
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验管段(约2m),水浴温度由温控器、电加热管以及保温箱体构成。
2.3.1检测方法设计以及依据
由实验装置要求分析,水槽内水浴温度是一个存在一定变化的物理量,而水浴温度又通过稳控器来实时监控。
因此,测温仪表要求较高的灵敏性和精确度。
其次,水浴温度的变化范围在20~80℃之间,属于低温范畴。
综合以上要求,我们采热电偶温度测量法。
2.3.2仪表种类选用以及依据
选用铜-镍铜热电偶,这是在低温下应用得很普遍的热电偶,测量温度范围(-200~+200℃),稳定性好,低温时灵敏度高并且价格低廉。
分度号为T。
图2-3铜-镍铜热电偶测温器
2.3.3测量注意事项及误差分析
热电偶的安装位置,即测温点的选择是最重要的。
测温点的位置,对于工艺过程而言,一定要具有典型性、代表性,否则将失去测量
热电偶插入被测场所时,沿着传感器的长度方向将产生热流。
当环境温度低时就会有热损失。
致使热电偶与被测对象的温度不一致而产生测温误差。
总之,由热传导而引起的误差,与插入深度有关。
2.4补水箱水位测量及控制
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。
2.4.1检测方法设计以及依据
实验装置补水箱内水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。
其介电常数与空气的差别很大。
而电容式液位测量是利用被测对象物质的导电率,将液位变化转换成电容变化来进行测量的一种液位计。
与其他液位传感器相比,电容液位测量具有灵敏性好、输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适用性强等优点。
所以,我们采用此方法来测量补水箱内的水位。
此外,实验装置要求水位还可控制,以适应不同流速的需要。
所以这里我们把电容传感器输出的信号传递给一个单片机系统,并且通过一个显示装置(数码管或LCD)得以显示该水位。
通过单片机对信号的分析运算,使得当补水箱内的水位超出水位变动范围(200~500mm)时,产生一个信号使得循环水泵开始工作以调节水位。
图2-4补水箱水位测量及控制总体框图
2.4.2仪表种类选用以及依据
常见的电容传感器测量电路有变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等。
这类仪表适用于腐蚀性液体、沉淀性液体以及其它化工工艺液体液面的连续测量与位式测量,或单一液面的液位测量。
经过比较分析,我们采用某生产厂家生产的UCD-628系列电容式液位计,其采用电容法测量原理,适用于电力、冶金、化工、食品、制药、污水处理、锅炉汽包等的液位测量。
该电容式液位计有以下特点:
图2-5电容式液位计
1、结构紧凑,体积小,安装维护简单,统一外形尺寸。
2、多种信号输出形式,可用于不同系统配置。
3、测水位范围0.1~2m。
4、浸入液体的测量部分,只有一条四氟软线或四氟棒式探极作为传感,可靠性高。
5、全密封铝合金外壳及不锈钢联接件。
6、对高温压力容器与测量常温常压一样简单,且测量值不受被测液体的温度、比重及容器的形状、压力影响。
7、完善的过流、过压、电源极性保护。
2.4.3测量注意事项
1)电容式液位计应垂直安装,并固定以防止晃动引起的误差。
2)应采用非隔离两线制、三线制或测量、输出、电源三端隔离四线制多种电路结构方式。
3)注意得使用高频电路。
2.5流量测量
实验管内流体流量需要测量,管径Φ25mm,流量范围0.5~4m3/h。
考虑到被测流量为微小流量,选用经济型电磁流量计KKF82E。
2.5.1工作原理
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。
2.5.2电磁流量计图
图2-6电磁流量计
2.5.3技术参数:
1、公称通径:
DN6~DN2800
2、准确度等级:
0.5级、0.2级
3、分夹持型和法兰连接型,法兰标准为GB/T9119-2000
4、结构种类:
一体型、分体型结构可供选
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