PLC控制传热综合实训装置操作要求.docx

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PLC控制传热综合实训装置操作要求

PLC控制传热综合实训装置

说明书

天津大学过程工业技术与装备研究所

天津市睿智天成科技发展有限公司

PLC控制传热综合实训装置

一、安全与环保

●火警电话119，报警电话110，急救电话120

●个人防护

化工单元实训基地的老师和学生进入化工单元实训基地后必须穿戴劳防用品：

在指定区域正确戴上安全帽，穿上安全鞋，在进入任何作业过程中佩戴安全防护眼镜，在任何作业过程中佩戴合适的防护手套。

无关人员不得进入化工单元实训基地。

●行为规范

1.不准吸烟

2.保持实训环境的整洁

3.不准从高处乱扔杂物

4.不准随意坐在灭火器箱、地板和教室外的凳子上

5.非紧急情况下不得随意使用消防器材（训练除外）

6.不得靠在实训装置上

7.在实训场地、在教室里不得打骂和嬉闹

8.使用后的清洁用具按规定放置整齐

●用电安全

1.进行实训之前必须了解室内总电源开关与分电源开关的位置，以便出现用电事故时及时切断电源。

2.在启动仪表柜电源前，必须清楚每个开关的作用。

3.启动电机，上电前先用手转动一下电机的轴，通电后，立即查看电机是否已转动；若不转动，应立即断电，否则电机很容易烧毁。

4.在实训过程中，如果发生停电现象，必须切断电闸。

以防操作人员离开现场后，因突然供电而导致电器设备在无人看管下运行。

5.不要打开仪表控制柜的后盖和强电桥架盖，应请专业人员进行电器的维修。

●烫伤的防护

本实训装置导热油循环管线中的物料温度很高，应注意防护，以免烫伤。

由于装置使用蒸汽，因此凡是有蒸汽通过的地方都有烫伤的可能，尤其是没有保温层覆盖的地方更应注意。

疏水器的排液温度很高，不能站在疏水器排液出口处，以免烫伤。

●蒸汽发生器的使用

按照国家标准蒸汽分配器为压力容器，应按国家标准进行定期检验与维护，不允许不经检验使用。

●环保

不得随意丢弃化学品，不得随意乱扔垃圾，避免水、能源和其它资源的浪费，保持实训基地的环境卫生。

本实训装置无三废产生。

传热，即热量传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。

热力学第二定律指出，凡是有温度差存在的地方，就必然有热量传递，故在几乎所有工业部门，如化工、能源、冶金、机械、建筑等都涉及传热问题。

化学工业与传热的关系尤为密切，这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，都需要进行加热或冷却，例如，化学反应通常都是在一定温度下进行的，为此就需要向反应器输入或移出热量以使其达到并保持在一定的温度；化工设备的保温，生产过程中热能的合理应用以及废热的回收等都涉及传热问题。

所以，化工生产中对传热过程的要求主要有以下两种情况：

其一是强化过程传热，如各种换热设备中的传热；其二是削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少损失。

二、实训目的

1.认识各种传热设备的结构

2.认识传热装置流程及仪表

3.掌握各种传热装置的运行操作技能

4.学会常见异常现象的判别及处理

三、实训原理

3.1传热的基本方式

根据传热机理的不同，热量传递有三种基本方式：

热传导、对流传热和辐射传热，但根据具体情况，热量传递可以以其中一种方式进行，也可以以两种或三种方式同时进行。

在无外功输入时，静的热流方向总是由高温处向低温处流动。

1.热传导（又称导热）

热量不依靠宏观混合运动而从物体中的高温区向低温区移动的过程叫热传导，简称导热，热传导在固体、液体和气体中都可以发生。

2.对流传热

对流传热是由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程，因而对流传热只能发生在有流体流动的场合，在化工生产中经常遇见到的对流传热有热能由流体传到固体壁面或由固体壁面传入周围流体两种，对流传热可以由强制对流引起，亦可以由自然对流引起，前者是将外力（泵或搅拌器）施加于流体上，从而使流体微团发生运动；而后者则是由于流体内部存在温度差，形成流体的密度差，从而使微团在固体壁面与其附近流体之间产生上下方向的循环流动。

3.辐射传热

因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。

热辐射与热传导和对流传热的最大的区别就在于它可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。

图1套管式换热器示意图

工业上经常遇到的是两流体间的换热问题。

换热器是化工生产传热过程中最常用的设备之一，右图为简单套管式换热器，它是由直径不同的两根管子同心套在一起组成的，冷热流体分别流经内管和环隙，而进行热的传递。

在管壳式换热器中，一种流体在管内流动（管程流体），而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过（壳程流体），为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。

视换热器端部结构的不同，可采用一个或多个管程。

若管程流体在管束内只流过一次，则称为单程管壳式换热器。

换热器的传热一般是通过热传导和热对流等方式来实现的，传热的快慢用传热速率来表示。

传热速率Q是指单位时间内通过传热面的热量，其单位为W。

热通量则是指单位面积的传热速率，其单位为W/m2。

由于换热器的传热面积可以用圆管的内表面积、外表面积或平均面积表示，因此相应的热通量的数值各不相同，计算时应标明选择的基准面积。

3.2传热原理

1.对流传热速率方程

根据传递过程普遍关系，壁面与流体间的对流传热速率应该等于推动力和阻力之比，即

若以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以表示为：

（1）

式中，dQ——局部对流传热速率，W

dS——微分传热面积，m2

t——换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃

tw——换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度，℃

——比例系数，又称局部对流传热系数，W/（m2℃）

2．对流传热系数

的测定

对流传热系数

可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定

（2）

式中：

—管内流体对流传热系数，W/（m2℃）；

—管内对流传热速率，W；

Si—管内换热面积，m2；

—平均温差，℃。

平均温差由下式确定：

（3）

式中：

ti1，ti2—冷流体的入口、出口温度，℃；

tw—壁面平均温度，℃。

管内换热面积可由下式计算：

（4）

式中：

di—传热管管内径，m；

Li—传热管测量段的实际长度，m。

由热量衡算式：

（5）

其中质量流量由下式求得：

（6）

式中：

qv,i—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；

qm,i—冷流体在套管内的平均质量流量，kg/h；

cpi—冷流体的定压比热容，kJ/（kg·℃）；

ρi—冷流体的密度，kg/m3。

cpi和ρi可根据定性温度tm查得（

为冷流体进出口平均温度）。

3.对流传热系数准数关联式的实验确定

流体在管内作强制湍流时，处于被加热状态，准数关联式的形式为

（7）

其中：

物性数据λI、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。

对于管内被加热的空气，则关联式的形式简化为：

（8）

这样通过实验确定不同流量下的Rei与

，然后用线性回归方法确定A和m的值。

4.蒸汽冷凝传热

蒸汽冷凝作为一种加热方式在工业生产中得到广泛应用。

在蒸汽冷凝加热过程中，加热介质为饱和蒸汽。

饱和蒸汽与低于其温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出汽化潜热。

在饱和蒸汽冷凝过程中，气液两相共存，对于纯物质蒸汽的冷凝，系统只有一个自由度。

因此，恒压下只能有一个气相温度。

也就是说，在冷凝给热时气相不可能存在温度梯度。

在冷凝给热过程中，蒸汽凝结而产生的冷凝液形成液膜将壁面覆盖。

因此，蒸汽的冷凝只能在冷凝液表面上发生，冷凝时放出的潜热必须通过这层液膜才能传给冷壁。

可见，冷凝给热过程的热阻几乎全部集中于冷凝液膜内。

这是蒸汽冷凝给热过程的一个主要特点。

冷凝液在壁面上的存在和流动方式有两种类型：

膜状和滴状。

当冷凝液能润湿壁面时，冷凝液在壁面上呈膜状，否则将成为滴状。

呈滴状冷凝时，冷凝液在壁面上不能形成完整的液膜就将蒸汽与壁面隔开，大部分冷壁直接暴露于蒸汽，因此热阻小得多。

但是，到目前位置，在工业冷凝器即使采用了促进滴状冷凝的措施，也不能持久。

所以，工业冷凝器的设计都按膜状冷凝考虑。

工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质的原因有两个：

一是饱和蒸汽有恒定的温度；二是它有较大的给热系数。

由于蒸汽一侧温度恒定，因此以管程冷流体为基准计算传热系数。

3.3传热设备

换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。

换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本可分三大类，即间壁式、混合式和蓄热式。

在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。

图2喷淋式换热器

这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器。

喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多。

另外，这种换热器大多数放置在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一部分热量，可起到降低冷却水温度、增大传热推动力的作用。

套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，并由U形弯头连接而成。

在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高的流速，故传热系数较大。

另外，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。

图3套管式换热器

套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便（可根据需要增减管段数目）。

特别是由于套管换热器同事具备传热系数大、传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程（例如操作压力为300MPa的高压聚乙烯生产过程）中所用的换热器几乎全部是套管式。

管壳式（又称列管式）换热器是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。

管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。

在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。

管束的壁面即为传热面。

图4列管式换热器

为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流挡板。

折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。

常用的挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛。

图5流体的折流及折流挡板的形式

流体在管内每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。

为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成若干组。

这样，流体可每次只通过部分管子而往返管束多次，称为多管程。

同样，为提高管外流速，可在壳体内安装纵向挡板使流体多次通过壳体空间，称多壳程。

在管壳式换热器内，由于管内外温度不同，壳体和管束的温度也不同。

如两者温差很大，换热器内部将出现很大的热应力，可能使管子弯曲、断裂或从管板上松脱。

因此，当管束和壳体温度差超过50℃时，应采取适当的温度补偿措施，消除或减小热应力。

根据所采取的温差补偿措施，换热器可分为以下几种主要类型：

1.固定管板式当冷、热流体温差不大时，可采用固定管板即两端管板与壳体制成一体的结构形式。

这种换热器结构简单成本低，但壳程清洗困难，要求管外流体必须是清洁而不易结构的。

当温差稍大而壳体内压力又不太高时，可在壳体壁上安装膨胀节以减小热应力。

2.浮头式换热器这种换热器中两端的管板有一端可以沿轴向自由浮动，这种结构不但完全消除了热应力，而且整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。

因此，浮头式换热器是应用较多的一种结构形式，尽管其结构比较复杂、造价亦较高。

3.U形管式换热器U形管式换热器的每根换热管都弯成U形，进出口分别安装在同一管板的两侧，封头以隔板分成两室。

这样，每根管子皆可自由伸缩，而与外壳无关。

在结构上U形管式换热器比浮头式简单，但管程不易清洗，只适用于洁净而不易结构的流体，如高压气体的换热。

在传统的间壁式换热器中，除夹套式而外，几乎都是管式换热器。

但是，在流动面积相等条件下，圆形通道表面积最小，而且管子之间不能紧密排列，故管式换热器的共同缺点是结构不紧凑，单位换热器容积所提供的传热面积小，金属消耗量大。

随着工业的发展，陆续出现了不少高效紧凑的换热器并逐渐趋于完善。

这些换热器基本上可分为两类：

一类是在管式换热器的基础上加以改进，而另一类则根本上摆脱圆管而采用各种板状换热表面。

板式换热表面可以紧密排列，因此各种板式换热器都有结构紧凑、材料消耗低、传热系数大的特点。

这类换热器一般不能承受高压和高温，但对于压强较低、温度不高或腐蚀性强而必须用贵重材料的场合，各种板式换热器都显示出更大的优越性。

图6螺旋板式换热器

螺旋板式换热器是由两张平行薄钢板卷制而成，在其内部形成一对同心的螺旋形通道。

换热器中央设有隔板，将两螺旋形通道隔开。

两板之间焊有定距柱以维持通道间距，在螺旋板两端焊有盖板。

冷热流体分别由两螺旋形通道流过，通过薄板进行换热。

螺旋板换热器的主要优点如下：

1.由于离心力的作用和定距柱的干扰，流体湍动程度高，故给热系数大。

例如，水对水的传热系数可达2000～3000W/（m2℃），而管壳式换热器一般为1000～2000W/（m2℃）。

2.由于离心力的作用，流体中悬浮的固体颗粒被抛向螺旋形通道的外缘而被流体本身冲走，故螺旋板换热器不易堵塞，适于处理悬浮液体及高黏度介质。

3.冷热流体可作纯逆流流动，传热平均推动力大。

4.结构紧凑，单位容积的传热面积为管壳式的3倍，可节约金属材料。

螺旋板换热器的主要缺点：

1.操作压力和温度不能太高，一般压力不超过2MPa，温度不超过300～400℃。

2.因整个换热器被焊成一体，一旦损坏不易修复。

四、装置认识

●认识目标熟悉装置流程、主体设备及其名称、各类测量仪表的作用及名称。

●认识方法现场认知、老师指导。

4.1装置流程

传热操作实训装置见图7。

4.2主体设备

根据对装置的认识，在表1中填写相关内容。

表1换热设备的结构认识

位号

名称

用途

规格

V101

导热油炉

提供实训所需热量

Φ400×800mm，36KW

P101

导热油泵

使导热油循环供热

BRY-20-20-125，流量1.5m3/h，扬程22m

P102

热水泵

为换热器提供热流体

DW2-60/075，流量2.0m3/h，扬程44m

P103

冷水泵

为换热器提供冷流体

DW2-60/075，流量2.0m3/h，扬程44m

V103

蒸汽发生器

提供蒸汽

Φ400×800mm，

盘管面积0.75m2

E101

套管换热器

换热设备

外管Φ133×3mm，内管Φ89×1mm，换热面积0.55m2

E102

浮头换热器

换热设备

壳程Φ108×3mm，管程Φ12×1mm，换热面积0.35m2

E103

列管换热器

换热设备

壳程Φ108×3mm，管程Φ12×1mm，换热面积0.35m2

E104

螺旋板换热器

换热设备

换热面积1m2

E105

冷淋器

换热设备

热流体管Φ38×1mm，冷流体管Φ32×2mm

图7PLC控制传热综合实训装置流程图

4.3测量仪表

根据对流程的认识，在表2填写相关内容。

表2测量仪表认识

设备名称

介质

温度测量

单位

压力测量

单位

流量测量

单位

入口

出口

入口

出口

套管换热器

蒸汽

TI07

TI08

℃

PI02

PI03

MPa

m3/h

纯水

TI09

TIC10

PI04

PI05

FIC01

列管换热器

冷水

TI17

TI18

PI13

PI14

FIC05

热水

TI15

TI16

PI11

PI12

FIC04

浮头换热器

冷水

TI13

TI14

PI09

PI10

FIC03

热水

TI11

TI12

PI07

PI08

FIC02

螺旋板换热器

冷水

TI21

TI22

PI17

PI18

FIC07

热水

TI19

TI20

PI15

PI16

FIC06

冷淋器

冷水

TI25

TI26

热水

TI23

TI24

五、技能训练1传热装置的开车操作

●训练目标掌握正确的开车操作步骤，了解相应的操作原理。

●训练方法在实训设备上按照下述内容及步骤进行操作练习。

5.1开车前的准备工作

1.了解各种换热器传热的基本原理；

2.熟悉汽－液、液－液传热实训工艺流程、实训装置及主要设备；

3.检查公用工程（导热油、水蒸汽、电）是否处于正常供应状态；

4.检查流程中各阀门是否处于正常开车状态：

手动控制：

关闭阀门----VA100、VA101、VA102、VA103、VA104、VA106、VA200、VA201、VA202、VA203、VA204、VA206、VA211、VA213、VA300、VA302、VA304、VA305、VA308、VA309、VA310、VA311、VA312、VA315、VA316、VA317、VA322、VA320、VA321、VA323、VA324、VA325、VA401、VA403、VA407、VA408、VA409、VA410、VA411、VA414、VA415、VA416、VA419、VA420、VA421、VA422、VA425、VA426、VA427、VA428、VA429、VA423、VA424、VA434、VA435、VA436、VA437、VA438、VA439、VA440、VA441；

全开阀门----VA105、VA207、VA208、VA210、VA301、VA306、VA307、VA313、VA314、VA318、VA319、VA402、VA404、VA412、VA413、VA417、VA418、VA430、VA431、VA432、VA433；

自动控制：

关闭阀门----VA100、VA101、VA102、VA103、VA104、VA106、VA200、VA201、VA202、VA203、VA204、VA206、VA211、VA213、VA300、VA302、VA304、VA305、VA306、VA307、VA310、VA311、VA312、VA315、VA316、VA317、VA322、VA320、VA321、VA323、VA324、VA325、VA401、VA403、VA407、VA408、VA409、VA410、VA411、VA414、VA415、VA416、VA419、VA420、VA421、VA422、VA423、VA424、VA427、VA428、VA429、VA430、VA431、VA434、VA435、VA436、VA437、VA438、VA439、VA440、VA441；

全开阀门----VA105、VA207、VA208、VA210、VA301、VA308、VA309、VA313、VA314、VA318、VA319、VA402、VA404、VA412、VA413、VA417、VA418、VA425、VA426、VA432、VA433；

5.设备上电，检查各仪表状态是否正常，动设备试车；

6.了解本实训所用导热油、蒸汽、水和压缩空气的来源；

7.检查导热油炉V101液位LI01，是否有足够导热油供实训使用（300mm，否则加热器干烧），如不够，则关闭阀门VA103、VA104，打开阀门VA100、VA102启动导热油泵P101a加入适量的导热油后关闭阀门；

8.检查蒸汽发生器V104液位LIA03是否有足够纯水（500mm）供实训使用，如不够，则打开阀门VA200和VA202加入纯水；或打开阀门VA201和VA303，然后启动热水泵P102a，向蒸汽发生器加水。

9.检查热水罐V105液位LIA04是否有足够纯水（600mm）供实训使用，如液位不足则打开阀门VA300和VA301，向储罐中加入纯水。

10.检查冷水罐V106b液位LIA06是否有足够纯水（700mm）供实训使用，如液位不足，则关闭阀门VA407、VA411、VA416和VA422，打开阀门VA402、VA404、VA406、VA408、VA409、VA410，然后启动冷水泵P103a，将V106a中的纯水导入V106b中；如V106b液位仍不足，则打开阀门VA401、VA402，向V106b中加入纯水。

11.按照要求制定操作方案。

发现异常情况，必须及时报告指导教师进行处理。

5.2正常开车

1.导热油炉：

本实训所需热量由电加热导热油炉V101提供，采用电加热器加热导热油，然后用导热油加热纯水，产生热水和蒸汽。

1.1启动操作台电源，设备上电，仪表预热。

1.2启动导热油炉V101的电加热开关，设定加热温度TIC01为100℃，开始加热。

待导热油温度上升到100℃后，再将温度调至150℃；待导热油温度上升到150℃后，再将温度调至200℃。

（逐级升温便于得到稳定的温度控制，同时还能避免加热器长时间大功率加热，有益于加热器的维护）

1.3启动导热油炉V101电加热的同时，打开阀门VA101、VA103和VA105，关闭阀门VA100、VA102、VA106和VA107，启动导热油泵P101a，使导热油进行循环加热。

1.4当导热油炉内的温度TIC01到达设定温度（200℃）时，导热油可以投入使用。

打开阀门VA106和VA107，分别对蒸汽发生器V104和热水罐V105进行加热。

1.5关闭阀门VA101，打开阀门VA107进行热水加热，将热水温度设定到规定值（60－80℃）；启动导热油泵P101b，打开阀门VA106，加热蒸汽发生器V104，将蒸汽发生器V104压力设定在规定值[100－200KPa（表压）]。

待热水温度到达设定值后便可进行冷热水的传热实训；待蒸汽压力到达设定值后便可进行水蒸气和水的换热实训。

2.套管换热器E101：

套管换热器采用蒸汽加热冷水

2.1冷流体：

套管换热器的冷流体为室温的纯水，由冷水罐V106b提供。

关闭阀门VA406、VA410，打开阀门VA407、VA408、VA409、VA428、VA441后，启动冷水泵P103a，调节VA422使冷水流量达到规定值（500－1000L/h）。

冷水经转子流量计进入套管换热器E101管程。

2.2热流体：

套管换热器的热流体为水蒸汽，由蒸汽发生器V104提供，将套管换热器蒸汽压力设置到规定值（50－100KPa），同时打开阀门VA207排放不凝汽。

不凝汽放静后关闭VA207，蒸汽通过电动调节阀进入套管换热器壳程，蒸汽冷凝之后通过阀门VA208、VA209、VA210和VA212排放。

待数据稳定之后开始记录数据。

注意：

正常操作中，可通过视镜观察蒸汽的冷凝

开车过程发生异常现象，必须及时报告指导教师进行处理。

3.浮头换热器E102：

浮头换热器采用热水加热冷水。

3.1冷流体：

浮头换热器的冷流体为室温的纯水，由冷水罐V106b提供。

关闭阀门VA406、VA410、VA438，打开阀门VA407、VA408、VA409、VA420、VA421和VA441后，启动冷水泵P103a，调节VA416使冷水流量达到规定值（500－1000L/h）。

冷水经转子流量计进入浮头换热器E102壳程。

3.2热流体：

浮头换热器的热流体为导热油加热的纯水，由热水罐V105提供。

关闭阀门VA3