（机械制造及其自动化专业论文）过程装备与控制工程综合实验系统设计与研究.pdf

长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解”长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留井向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全 文数据库和c n 砌系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查衄和借阐。本人授权长春瑾工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名：盈生磊z ! 生年三月垣日 指导导师签名：盔12 逸婴j 坐年土月旦日 过程装备与控 的综台性实验装置 成整个教学实验的 工程综合试验系统。该试验系统可以满足化工原理、过程设备设计、过程流体机 械、过程装备控制技术及应用的1 3 个实验教学要求。 本次设计采用三维软件p r o e 进行结构设计包括换热器设计、缓冲罐设计、 外压容器设计、内压容器设计和管道设计。对电机转速转矩测量仪，多级离心 泵电动柱塞泵，热水泵，热水循环泵，手动实验泵，电动调节阀，转子流量计 孔板流量计。文丘里流量计和各种阀门做出了选择。本实验系统涉及的部件较多 采用了分层布置，尽量避免管道布置相互交错的情况。设计完成后对试验系统的 主要部件换热器进行热结构耦台分析，对内压容器，稳定罐进行静力学分析。分 析结果显示，所设计的试验系统各部件均满足力学性能要求。 关键词：过程控制试验台换热器a n s y s 分析 一theintegrated experi一ment s y s t e mo f p r o c e s se q u i p m e n ta n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g i s c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a ld e v i c e t od os p e c i a l t ye x p e r i m e n to fp r o c e s se quipmentandc o n t r o le n g i n e e r i n gb e c a u s e t h ec o m p r e h e n s i v e t e s to n l ys a t i s f y t h er e q a i r e m e n t s l a l i a c e o r d i n gt o t h ea c t u a ln e e d so fau n i tt h i sl e s tb e dc a nm e e tt h em a i nt e a c h i n g e x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t so f c h e m i c a le n g i n e e r i n gp r i n c i p l e p r o c e s se q u i p m e n td e s i g n p r o c e s sf l u i dm a c h i n e r y p r o c e s se q u i p m e n tc o n t r o lt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n s o f t w a r ep r o l ei su s e dt od e s i g n 岫s t r u c t u r eo ft h et e s tb e d i n c l u d i n gh e a t e x c h a n g e rd e s i g n b u f f e rt a n kd e s i g n t h ed e s i g no fp r e s s u r ev e s s e l s i n t e r n a lp r e s s u r e c o n t a i n e rd e s i g na n dp i p i n gd e s i g nw ec h o o s et h em o d e lo fm o t o r , s p e e da n dt o r q u e m e a s u r i n gi n s t r u m e n tm u l t i s t a g ec e n t r i f u g a lp u m p ，e l e c t r i cp i s t o n ，s p e e da n dt o r q u e m e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，m u l t i s t a g ec e n t r i f u g a lp u m p e l e c t r i cp i s t o np u m p h e a tp u m p h o tw a t e rc i r c u l a t i n gp u m p m a n u a le x p e r i m e n tp u m p e l e c t r i cc o n t r o lv a l v e r o t a m e t e r o r i f i c ef l o w m e l e r , t h ev e n t u r im e t e ra n da n da l lk i n d so tv a l v et h ee x p e r i m e n ts y s t e m i si n v o l v e di nm o r ep a r t so ft h ec o m p o n e n t sl a k eu s eo fl a y e r e dd e c o r a t ea n dt r yt o a v o i dp i p e l i n el a y o u to fi n t e r l a c e da f t e rt h ed e s i g n t h eh e a te x c h a n g e ri sm a k e d h o t - s t r u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i st h ei n t e r n a lp r e s s u r ev e s s e l sa n ds t a b l et a n ka r em a k e d s t a t i ca n a l y s i st h er e s u l t ss h o w t h a t a l l t h ep a r t so f t h ee x p e r i m e n ts y s t e me r l l m e e t t h e r e q u i r e m e n t so f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s k e ) w o r d s ：p r o c e s sc o n t r o l t e s t b e dh e a te x c h a n g e r a n s ) sa n a l ) s i s 23 实验装置的工作原理 24 过程装备与控制综台实验装置的总体结构设计 第三章换热器的设计计算 31 换热器的工艺参数设计 3 2 换热器传热系数核算 33 壁温核算 3 4 换热器内流体的流动阻力 3 j 换热器的结构设计 3 6 强度计算 3 7 换热器计算结果 3 8 本章小节 第四章综合试验系统其他元件的设计计算 4 1 内压容器的设计计算 d2 外压圊筒及装置设计 43 爆破试件的设计 4 4 缓冲罐的设计 4 5 泵的选型 4 6 附件的选择 4 7 本章小结 ， 第五章换热器及压力容器的有限元分析 5 1 换热器的有限元分析 52 缓冲罐的应力分析 5 3 内压薄壁容 的应力分析 5 4 本章小结 第六章总结与展望 6 1 研究总结 6 2 试验装置的研究展望， 致谢 参考文献 0旧孔烈拍曲鹦引舭盯黯船蛇们蚰们鸲伸曲w勰船眈醯 与此同时与本专业有关的实验内容及实验装置也必顽进行相应的改革。 本专业的实验改革应该以提高学生的实际操作能力和创新意识为目的，让学生在 实验的基础上加深对所学知识的理解，丰富他们的知识。为此我们针对长春理工大学 光电信息学院的实际需求，结合目i ；i 过程设备与控制综合试验台的最新研究成果，而 研制了一套过程装备与控制工程综台实验装置。这台实验装置可以完成本科生教学实 验的1 3 个实验内容，为本科生提供丁一个实用性很强的实验平台。本实验台还可以为 包括换热器结构设计、容器应力测定实验、离心泵性能测试、微机自动控制等多方面 的科研工作提供硬件及软件平台这是一套比较典型的集过程、设备及控制于一体的 综合实验装胃”j 。 12 国内外研究现状 我国研制过程装备与控制l 二程试验设备的单位主要有：北京三维利达机电技术有 限责任公司上海信琴科技有限公司，上海同育教学仪器设备制造有限公司及浙江天 煌科技实业有限公司。 目| j f 北京三维利达机电技术有限责任公司生产的过程装备与控制工程专业实验教 学设备在国内其有先进水平，它不但可以用于本专业的教学实验还可以为科研提供 平台这种设备已经被全国十几家高等院校所采用。该公司生产的产品主要有簿壁容 器应力测定、外压容器稳定性及爆破片爆破实验装链e f p v - 3 综合实验台p e c t s 2 和综合实验装簧b c e s 】。 上海信琴科技有限公司生产的授热器性能试验台r 如躅1 _ 。浚试验台作为考核 热交换罂在脉冲压力下疲劳寿命的主要设备对保证热变换器质量和提高其可靠性有 重要作用。试验中用计算机进行数据自动采集、处理、存储、显示和打印显示和绘 出动态瞬时变化曲线井黯终形成并打印出试验报告。该试验台将微型计算机、高精 度传感器及变频调速等先进技术融为一体，利用微机实现智能优化控制；用c # 语言进 行编程歼发出自动化程度高、测量数据准确工作可靠的新型换热器性能测试系统。 上海同育教学仪器设备制造有限公司生产的1 b - d 离心泵性能测定实验装晨 ( 如图1 2 ) 本实验装擐体现了离心泵性能曲线的测定方法可测定恒定改变转速条 件下离心泵的有效扬程、轴功率、以及总效率与有效流量之间的曲线关系，亦可测定 串联 系。 幽11 换热器性能试验台 削12 蹰心聚性能测定实验装置 另外浙江天煌科技实业有限公司生产的t k g k - - l 型过程控制实验装胃，t h j 0 2 型 高级过程控制系统实验装鼍能丌设11 个实验价格高占地面积大1 3 1 。 综上所述过程装备和控制工程试验台虽然各有优点如外观优美、擞作性好 稳定性好精度商，但每套设备只能做有限的实验而且在每套设备之间还存在着 做重复实验的情况，这就给用户带来极大的不便即如果完成该专业的全部试验就 需要购买多台实验设备，不但浪赞资金也浪费资源。针对光电信息学院的实际需求 结合目前研究的晟新成果我们研制了过程装备与控制工程综台实验系统。该实验系 统可以完成过程装备与控制工程专业四门主要专业课程所规定的1 3 个教学实验，无一 重复既节省了资金也节省了资源能够开设的具体实验项目如下： ( i ) 换热嚣换热性能实验： ( 2 】换热嚣管程和壳程压力降测定实验： ( 3 ) 流体传热系数测定实验； ( 4 ) 流量计校诈实验； ( 5 ) 内压薄壁容器应力测定实验： ( 6 ) 换热器壳体应力测定实验； ( 7 ) 外压容器稳定性实验； ( 8 ) 压力容器爆破实验： ( 9 ) 离心泵性能测定实验； ( 1 0 漓心泵恒压力控制实验： ( 1 1 ) 离心泵恒流量控制实验： ( 1 2 ) 水箱液位控制实验： ( 1 3 ) 水箱液位和流量串级控制实验； 1 3 论文研究的主要内容 ( 1 ) 基本理论知识和各个试验的试验原理 对实验装置涉及到的化工原理、过程设备设计、过程装备控制技术及应用、过程 流体机械进行研究，掌握和运用p r o e 软件、有限元分析软件a n s y s 进行过程装备与 控制工程综合试验系统的设计方法。 ( 2 ) 总体结构设计 实验装置的总体结构关系到备零部件的布置情况考虑到实验装置涉及较多的零 部件，所以总体结构设计采用分层布簧，即每个实验系统单独相置，这样就减小了管 道相互交错的情况。结构设计要做到以下几点：柿局合理，结构紧凑经济适用装 置利用率高，技术性好等特点。 ( 3 ) 换热器的选型及设计 挟热器是在冷热流体之日j 进行能量交换的设备，叉称热交换器。换热器有很多类 型t 选择怎么样的换热器对本实验台起着重要的作用。抉热器是本实验装置的关键部 件，它同时承受压力和温度的作用，所以必须严格按照国家有关规定设计咀保证换 热器的使用安全性。 ( 4 ) 压力容器的设计 压力容器一般由筒体、封头，法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构 成其中包括外压容器内压容器，高压容器和稳定罐的设计。 ( 5 ) 主要零部件的应力分析 用有限元分析软件a l l q y $ 对设计的换热器进行热结构耦台分析对缓冲罐和内压 薄壁容器进行静力学分析，找出应力分布的特点和最大应力点然后进行强度校核。 对不符合要求的零部件重新进行设计。 ( 6 ) 支架、水箱和管道的设计及布置 支架支撑整个实验装簧：水箱供给整个系统水源，它们设计合理就能减小整个装 置的尺寸。管道用来输送液体和供给压力，它是用管子、管子联接件和阀门等联接而 成的装置。由于管道很多，所以布置要舍理美观，尽量减少管道相互交叉的情况。 ( 7 ) 各种跗件的选型 附件的选型包括多级离心泵、电动桂塞泵、热水泵、热水循环泵、手动试压泵， 阀门、电动调节阀、电机、文丘里流量计、孔板流量计、转子流量计等的选型。 1 第二章过程装备与控制综合实验系统总体设计 2 1 过程装备与控制综合实验系统的技术要求 ( 1 ) 技术指标 压力测量范围：0 - 9 0 m p a 压力控制精度：0 5 f s 温度测量范围：o _ 1 0 0 温度控制精度：05 f s 流量测量范围：0 - l o l m i n 流量控制精度：- + 05 f s 液位测量范围：0 - 3 0 0 m m 液位控制精度：o 5 f s ( 2 ) 装置配套及对环境要求 电源：3 8 0 v 3 0 v5 0 h z 温度：o 4 0 相对湿度7 5 ( 3 ) 过程装备与控制综合实驻系统实现的功能 可以完成过程装备与控制工程专业四门主要专业课程化工原理、 过程流体机械、过程装备控制技术及应用的实验教学要求。 可以进行换热器换热性能实验、内压薄壁容器的应力测定实验 定实验、串级控制系统实验等13 个实验项目的实验。 过程设备设计 离心泵性能测 它不仅能够用于实验教学还可以为包括容器应力测试、离心泵性能测试、换 热器的结构设计、性能检测、微机自动控制在内的多方面科研工作提供硬件及软件平 台。 通过组态王软件系统，学生可根据自己的兴趣设计实验并在该装置上进行验 证，为提高学生的创造性思维能力提供了平台。 2 2 过程装备与控制综合实验系统的设计原则 设计的过程装备与控制综合实验系统既可以用于本专业课程的教学实验，叉可以 为本专业课的救师提供科研平台所以制定此方案时充分考虑满足投资少占用面积 少操作方便、维护方便性能可靠故障率低等要求总体构思如下： 参照国内其他院校过程装备与控制工程专业的培养方案和实验大 i ； 结台光电信 息学院的实际情况，制定过程装备与控制专业凹门主要专业课程化工原理、过程设备 设计，过程流体机械、过程装各控制技术及应用曲实验大纲确定每门课程的实验项 目。然后根据所要完成的实验项目，来设计过程装备与控制综合实验系统，以满足全 部实验项目的弼要。同时借鉴其他高校实验设备的成熟经验，本着高起点、综合性、 实用性强的原则提出了奉设计方案。 ( 1 ) 综台性 在过程装备与 台性报高的一套实 套装置上可以开 ( 2 ) 开放性 整个系统采用开放式体系结构，使相对独立的分系统易于进行组台和调整，符合 国家标准或行业标准，系统的零部件尽量采用标准外购件。 ( 3 ) 可扩充性 系统结构应具有良好的可扩充与可延展性，在此基础上进行简单的改造，就可以 增加较多的实验项目满足其他课程的实验要求。 ( 4 ) 可靠性 在考虑技术先进性和开放性的同时还应从系统结构、技术措施、设备性能、装 置管理等方面着手，确保系统运行的可靠性和稳定性。 ( 5 ) 经济性 过程装各与控制工程专业实验教学大纲中的2 4 个实验项目，每个实验项目都可以 用一套独立的实验装置柬完成过程装备与控制综台实验系统把其中的1 3 个实验项目 综台到一套装置中大大降低了成本，减少了实验室面积具有很好的经济性。 ( 6 ) 安全性 由于该系统中很多设备都属于压力容器。具有一定的危险性因此严格按照国家 安全标准及压力容器相关标准规范的要求进行设计和制造。 2 3 实验系统的工作原理 2 3 i 化工原理实验 ( i ) 换热嚣换热性能试验 换热器工作时换热管两侧的冷、热流体通过管壁进行热交换。如果换热器没有 保温措施，则换热器存在热损失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 q = m , c ，( 正一疋) ( 21 ) 其中- q t 为单位时自j 内热流体放出的热量，k w ；r l t 为热流体的质量流率，k g s , c m 为热流体的定压此热，l i k g k ，在实验温度范围内可视为常数；tj 、t 2 为热流体的 进出口温度，k 或。 冷流体获得的热量为 9 = 肿r 。( ，2 一，ij ( 22 ) 其中，q 为单位时间内冷流体获得的热量，k j s = k w ：m ，为冷流体的质盘流率， k e s ；c 。为冷流体的定压比热tk j k g k ，在实验温度范围内可视为常数；t 1 b 拎流 体的进出口温度。k 或。 幽2l 换热嚣摊热性能实验系统 l - 转f 流量计2 牲制舟3 一水辅d 热水蒲环累5 加热炉 热水泉 7 一电动节闽b 一水池g 一换热糍l o 一多擐离心裂1 l _ 电机【2 一转速转矩测量位 ( 2 ) 换热器管程和壳程压力降测定实验 流体流经换热器时会损失一些雎力损失的压力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p l h 出口压力便可以得到管 程流体流经换热器的总压力损失h = p - p 口：通过测量壳程流体的进口压力p 小出口 压力p s 2 ，便可以得到壳程流体流经授热器的总压力损失p 尸p s i - p s 2 。实验装置系统 如图2 1 。 1 3 ) 流体传热系数测定j 娈验 换热嚣的传热速率q 可以表示为： 口= 脚m * ( 2 5 ) 其中q 为单位时删传热量。w ：k 为总传热系数w ( m 2 k ) ：a 为传热面积 ：生 a a 。 9 可由热流体放出的热量或冷流体获得的热量进行计算即 g = m ，c ，( 瓦一是) 或q = 肌，f 。( ，! 一，1 ) 实验装置系统如图2 1 ( 4 ) 流量计校正实验 圈22 流量计授正实验系统图 p 水聚 毓量讲节嘲 3 一转子流量制4 一旁学咐节同5 - 水槽6 一屯子秤7 称量筒 8 - 明门9 水桶破净目i 扣旁路阿l l 一孔擞流量日1 2 一叱e 里流量“ 1 3 1 4 玻璃水韫臣差“ 1 6 、1 8 一瞒离罐淮位调节阎h 一放气月2 0 2 3 气藏隅离罐“- 触净目 2 7 j 28 2 9 孔扳流量计的标定：铡出对应流量q 下的a p 即可计算出流量系数c 扣 g = c o o 2 1 0 ) 涡轮流量计的标定：文丘里流量计上游的测压口距管径开始收绵处的距离至少应 为二分之一管径，下游测压口设在最小流通截面处( 称为文氏喉) 。由于有渐缩段和渐扩 段，流体在其内的流速改变平缓涡流较少，喉管处增加的动能可与其后渐扩的过程 中大部分转回成静压能所以能量损失就比孔板大大减少。 文丘里流量计的流量计算式与孔板流量计相类似，即 k = q 一。 其中c v 为流量系数无因次，其值可由实验测定或从仪表手册中查得： 截面a 与截面b 间的压强差，单位为n m 1 ，其值太小由压差计读数r 来确定； 管的截面积，时：p 为被测流体的密度k g m 3 。 ( 2 1 i ) p r p b 为 a | 为喉 测出对应流量v 。下的p b 可计算出流量系数c v 。实验系统如图22 所示。 2 3 2 过程设备设计试验 ( 1 ) 内压薄壁容器的应力测定实验 由中低容器设计的薄壳理论分析可知薄壁回转容器在承受内压作用时，圆筒壁 上任一点将产生两个方向的应力，环向应力o - 。和经向应力d - ：。 环向应力( 周向应力) ： o 。：婴 ( 2 1 2 ) 。2 瓦 ” d = q + 6 。 ( 2 1 3 ) 经向应力( 轴向应力) ： a ：罂 ( 2 】4 ) 。：2 瓦 4 其中p 为操作压力，m p a ；d 为容器简体的中面直径m r n ：d 。为容器简体的内 径，m m ；6 。为容器简体的中面直径m m 。 电测法是通过测定受压容器在指定部位的应变状卷，然后根椐弹性理论的虎克定 律得到。 周向应力： 0 0 _ 占峨) 轴向应力： ( 2 15 ) 厍 乎 设备 23 薄壁应力洳定宴验装置系统 。特避转嚣舅量仅2 一窑齄容器3 一u 一2 2 转糖嚣4 一y j 一3 3 电阻变仪 5 控制柜 铀水池 7 一多坦离心禁8 - 电机 ( 2 ) 换热器壳体应力测定实验 换热器壳体应力测定还用电测法。其周向应力见式21 5 ，轴向应力见式2 1 6 。 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p ，、管程压 力p 一) 、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ii 。 因温度载荷只引起轴向应力，当压力载荷和温度载荷跌合作用时有： 一h p ”o 一”0 ( 2 1 6 ) 口= o ! + d ： 2 1 7 其中，o f 为压力载荷在换热 壳体中引起的周向应力，m p a ：o ! 为压力载苟在 换热器壳体中0 f 起的轴向应力tm p a ：a ：为温度载荷在换热器壳体中引起的轴向应力 m p u ， 2 4 换热器壳体应力测定实验系统 一转子讹量计2 - 拉制台3 水箱 静水椭环泵 5 - 扪热炉6 一热承裂卜电动调节阀b 水池 换 鼎器l o 一多镀赢心幕【l 一电机1 2 - 转建转矩铡量位 1 3 一一2 2 转换器1 4 一y j 。3 3 电m 应变杖 ( 3 ) 外压容器稳定性实验 临界长度 对于给定容器外径d 。和厚度t 的圆筒有一特征长度作为区分n = 2 的长删筒和n 2 的短圆筒的界限，此特性尺寸称为临界长度以l c r 表示。 临界长度的计算公式如下： _ o = 1 1 7 哦、伴 娌1 8 ) 当圆筒的计算长度l l c r 时属长圆筒；当l l e r 时属短圆筒：当“d n o 0 4 ( t 为 筒体的算壁厚d 。为容器的外径) 属刚性圆筒。 当薄壁圆柱壳受到的周向外压力达到一个临界值时，圆柱壳在径向就开始产生挠 曲井很快增加，沿周向出现压扁的波纹或几个有规则的波纹吼波纹的数量与临界 压力p e r 相对应较少的波纹数对应最低的临界压力。如果圆柱壳外直径n 和壳壁厚 度t 是确定的，则圆柱壳端部边缘或周向上约束形式和这些约束赴之i 自】的距离决定了波 纹数和临界压力的大小。此外壳体材料的弹性模量e 、泊松比u 越大t 临界压力也会 越大。 长圆筒 山当。，。口：( 。：为屈服应力) ，p s n 毋。( p 为椭圆度p 荨里盘；j 生纽；c k ， 一 d m 。为简体的最大和最小直径；q 为简体的公称直径) 时，采用勃莱斯公式： 胪：倒3 由于仅受周向均布外压作用壳体处于单向应力状态 仅引起的周向压缩应力称为临界应力其算式为： 铲警一- t 甜 b 当。，) o ：或p ) n 5 时，采用邵斯威尔公式 2 o ： 驴南h a ，当口。， o ：，e 0 5 时采片l 米塞斯公式： + 南3 卜 所以临界压力在圆筒壁中 ( 22 】) 其中r 为圆筒中间面半径m m ：l 为圆筒的计算长度，m m ：i 1 为波形数。 再经过简化，就得到短圆筒最d , l l $ 界压力近似计算公式即拉姆( bm p a m m ) 近 似式： 2 5 9 e t 2 儿2 习可 2 川 其中- p 。为临界压力m p a ；e 为材料的碳钢的弹性模毋e = 2 0 x 1 0 m p a 为圆筒壁厚i n l t l ；l 为郾筒的计算长度，m m ：d 0 为圆筒外径。 b 当d 。) 口：或p ) 0 5 * n ；j ，同样可采用邵斯威尔公式。 商 = n 实验系统如 图2 5 外压容器稳定性试验系统 手动试雎象2 一辕班堵3 一力表4 外压容器 力传牡# 6 控制台7 储水池 4 l 压力容器爆破实验 圈26 塑性材辩压力存器撄破过程 当压力容器出塑性材料制造时，爆破过程如图2 6 所示，线段o a 为材料的弹性变 彤阶段容器内的压力与容积变化量成正比，压力越大应力和变形就越大当到选 a 点时容器内表面就开始产生屈服此时的压力为韧始屈服压力| 6 】；线段a c 为材料的 弹塑性变形阶段在这个阶段随着容器内压力的不断提高，材料从内壁向外壁屈服 此时会出现两种现蒙第一种现象是由于塑性变形而使材抖强化导致容器承压能力提 高第二种现象就是出于厚度不断减小而使容 承压能力不断下降但此时材料的强 化作用大于厚度减小作用。所以随着体积的增大内压力也会增大但两者不再成正 比。当到达c 点时两种作用已相近，c 点对应的压力就是压力容器所能承受的殿大压 力- 称为塑性垮塌压力：c d 为容器的爆破阶段在这个阶段容器体积突然增大压力 却不断减小t 当压力降到d 点时，容器就会爆炸，d 点对应的压力就称为爆破压力。 爆破压力的上限值为； p m = o i n k ( 2 2 5 ) v j 爆破压力的下限值为： p 。= o ，i n k ( 22 6 ) v j f a u p e l 经验爆破压力公式： p = p 。十1 1 0 。 p 。唧) 凡= 去。， ：一廿k 眩z s ， 其中o 。为容器材料的屈服极限，v i p a ：o 。为容器材料的强度极限，m p a ：k 为 容器的外径与内径比。 实验系统如图27 所示。 圈2 7 爆破试骓装置系统 一电动柱寨泉2 计量器3 一潍传辑# 日6 一堆力表5 倦m 鹭 ? 一力倍感* b 一高k 嚣麟1 0 纰水池、9 - 撺制奇 圈2 8 离心泵性能测试装置系统 电机2 - 转速转矩搠苴位3 一事攮离心泉 4 一压力褒5 ，1 1 一力传瞎赫 转予流量计7 一控利白8 一换热嚣 也动埘节阿l o 一储水池 根据伯努利方程泵的扬程h 的计算公式为： h ；旦! 二旦! + a z + 竺二二笠 p g2 9 ( 2 2 9 ) 其中h 为泵的扬程m 水枉；p b 为真空表读数( 为负值) p a ：p 。为压力表读数， p a ；u “为龚空表测量，量接头处管内水流速度，根据流量和接头处管内径确定，m s ： u 。为压力表测量点接头处管内水流速度，根据流量和接头处管内径确定，m s ；a z 为 压力表与真空表测量点之间的垂直距离m ；p 为水的密度o = 1 0 0 0k g ，m 3 ：g 为重力 加速度，9 8 1 m s 2 。 ( 2 ) 功率测定 a 轴功率n 的计算公式为 n ；笪兰( 2 3 0 ) 9 5 5 4 其中m 为转矩n m ：n 为泵转速r d m 。 b 有效功率n e 的计算公式为 2 3 4 过程装备控制技术及应用试验 ( 1 ) 离心泵恒压力控制实验 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 感器阿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p c ，p c 将压力信号与压力给定值比较后按p i 调节规律输出4 2 0 i l i 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。 实验装置系统如图2 9 。 蚓2 9 离心泵恒压力控制斌验系统 l - 也动机2 一多域剧心裂3 - 变额埘培器q 换热嚣5 储m 池 ( 2 ) 离心泵恒流量控制实验 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t t 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t c ，t c 将流置信号与流量给定值比较后按p i d 调 节规律输出4 2 0 i n 信号- 驱动电动调节阀改变调节牌的开度达到恒定离心泵出1 3 流量的目的。 实验装爱系统如图2 1 0 。 圈21 0 离心象恒流量试验系统 电机2 一多级离心泵3 - 电动调节阀4 换热器5 储水池 ( 3 ) 水箱液位控制实验 幽2l l 水箱滩仇控制系统 i 斑量计2 水鞘3 - 灌位熏送8调节嚣 班力壹话器 7 承采8 - 电动僻节阿 水箱液位控制实验采用的是单回路控制系统它是由一个被控对象一个检搠j 元 件及变送器，一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，也称反馈控制系统， 对 包 当 制 幽2 1 2 水箱液能和流世串纽试验系统 一流量计2 一副调节嚣( 7 0 8 型) 3 - 主调1 ，器4 一水箱i6 一液位变送器 6 一调：竹器7 一水箱i i8 - 压力变送器 卜电动诲节制 j o - 水幕 串级控制系统主要用在容量滞后较大负荷或干扰变化比较剧烈比较频繁或 是产品质量要求商的情况下。串级控制系统需要解决掰个问题即主、副控弗4 器的选 择和主，副控制器i f 反作用的选辑。般情况下主控制器选择比例积分控制器而剐 控制器选择比例积分。剧控制器正反作用的进择与主控制器无关而与控制阀，副对 象和副变送器的放大倍数符号有关。但是副环各放大倍数的乘积应该为负值。主控制 器的选择与它所包古的各个环节有关。 图2 1 3 所示的控制系统有两个闭环组成，里面的闭环系统叫做副回路外面的闭环 系统叫做主回路主副闭环系统联合作用以保证被调量满足工艺要求。像这种由两个 调节器串连在一起控制一个调节阀的系统叫做串级控制系统。主控制系统是定值系统， j 芏 21 3 水箱渡位和流鼙串缎控制系统框瞰 2 4 过程装备与控制综合实验系统的总体结构设计 过程装备与控制综合实验系统的总体结构包括换热器高压容器稳定罐实验 容器，外压容器，电动调节阁，多级离心泵转速转矩测量仪，热水泵热水循环泵， 电动柱塞泵，手动实验泵，加热炉水箱，电机y j 一2 2 转换器，y j 3 3 电阻应变仪 控制台- 阀门，压力传感器流量传感器温度传感器流量调节阀孔板流量计 文丘晕流量计t 玻璃水银差压汁，电子称称量筒水池，支架等。实验装置的总体 结构如图21 4 所示。 2 4 1 支架 以前的实验装置大部分屉安装在水泥台上，本次设计的j 实验系统安装在支架上， 支架总体结构尺寸为4 0 0 0 1 8 0 0 x o o m m 如图2 1 5 所示，它由矩形冷弯空心型钢1 0 0 x 5 0 3 m m 焊接而成上面的横粱采用热轧不等边角钢8 0 5 0 6 m m 焊接而成，角 钢和矩形钢的横截面分布如图2 1 6 和围21 7 所示材料匀为碳素结构钢。 2 42 电机- 多级离心泵 由于电机震动大所以电机和与之相连的转速转矩测量仪、多级离心泵安裴在水 泥台上。这样支架结构就受到较小的震动，减轻了支架的负荷保护了其他零部件。 2 43 换热器 换热器是用于物料之i 百j 进行热量传递的过程设备，通过换热嚣使物料达到指定的 温度以满足工艺要求现在换热器在化工及石油化工生产过程中应用的非常广泛。 换热器有很多种分类但是常用的换热器按结构一般分为扳片式换热器和管壳式 换熟器。板片式换热器是由板片和密封垫片构成而管壳式换热器是由管予、壳体及 管板组成的设备。这里我们主要介绍管壳式换热器。 管壳式抉热器又可以分为固定管板式、浮头式，u 形管式和填料函式换热嚣i ”。 削2l4 过程装备与控制综台实验系统总体圈 i _ 电机2 - 转速转矩嗣量他3 一$ 蹦离心泉 电动挂g 袋5 一榜臣螺6 - 挠热器7 一琏璃转于流量计 9 - 礼扳流量# 9 - 气馥隔离罐i o _ 立r 坐亩i 【量计l l 水柑1 2 - 热水擂耳泉1 3 一a f 热妒1 4 一i u 动节 阀1 5 + 热水毓1 6 - 置筒1 7 一电予林1 8 一水象l 争向晤窖嚣2 0 嘶窖嚣z l - 实验容器 2 2 一储承地2 3 一主蜒2 4 手动试聚2 秣管2 6 - 阀门 k目 圈2 1 6 不等j ：! f 抽钢横截面蹦2i7 矩形钢横截面 ( 1 ) 固定昔扳式换热器 固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排 管较多在相同直径下面积较大制造较简单。固定管板式换热器的壳体中设置有管 柬- 管柬与管板通常采用胀接、焊接及胀加焊接的方式连接，两端管扳与壳体直接焊 接在一起壳程的进出口管也直接焊在壳体上，管板和封头采用法兰连接法兰用螺 丝紧固管程的进出1 3 管直接焊在封头上，通常情况下管柬内还设鬟了若干块折流板 和拉杆。这种换热器管程可以用隔扳分成任何程数一般为偶数壳程也可以分为多 程。固定管板式换热器结构简单造价低管程清洗方便规格范围广，故在工程上 广泛应用。壳程清洗困难对于较脏或有腐蚀性的介质应该走管程。如果换热管与壳 体的膨胀之差较大，则可在壳体上设置膨胀节以减少固管、壳程温差而产生的热应 力，从而减少换热器的使用寿命。 f 2 ) 浮头式换热器 浮头式换热器的两个管板之中有一个管板固定在壳体和管箱之问，另一个管板则 可以自由地在壳体内移动。这样在换热器的热膨胀之差很大时，另一端可以自由移动， 就减少丁热应力延长了换热器的使用寿命。它的优点是管束可以抽出便于清洗管 间和管内，缺点是结构复杂制造价格高，在浮头处容易发生泄漏。在壳体和管柬温 差较大的情况下直采用浮头式换热器。 ( 3 ) u 型换热器 u 型换热器为取管程，传热性能好，流程长，流速高且承压能力强。它最大的 特点是管束可以自由伸缩不会因管壳之l 碰的温差而产生热应力。但管内清洗不便。 管束中f r j 部分的管子更换困难，叉因最i 扫层管子弯曲半径受到限制所以管子数不能 太多。且管柬中一i i , 部分存在阃隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。 ( 4 ) 填料函式换热器 填料函式换热器采用填料函式密封结构使得管隶在壳体轴向可以自由伸缩，不 会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单加工制造 方便节省材料，造价比较低廉且管束从壳体内可以抽出管内、管间都能进行清 洗维修方便。囡填丰4 处易产生泄漏填料函式换热器一般适用于4 m p a 以下的工作 条件且不适用于易挥发，易燃、易爆、有毒及贵重介质使用温度也受填料的物性 限制。 2 44 压力容器 压力容器是一种能够承受压力载荷的密闭容器，它一般山简体、封头、进出口管 及附件构成。压力容器总体结构如圈2 1 8 所示。 压力容器的筒体是壤主要的受压元件。它主要用以储存物料或进行化学反应由 工艺条件确定压力容器的简体内直径和容器。最常用的简体结构就是圆柱形筒体和球 形简体。压力容器的封头有很多形式，按几何形式可以分为球形，椭圆形，蝶形、球 冠形、锥壳和平盖等几种。当压力容器在工作过程中不需要打开时，封头与铷体直接 焊接在一起，这种方式不但可以保证容器的密闭性、节省材料，还可以减少加工制造 的工作量。在封头与简体间的法兰连接处、容器接管与外管道问的法兰连接处以及人 孔、手孔盖的连接处等需要采取密封措施，以保证容器不泄鼯，密封装置是否可靠决 定了压力容器能西正常、安全的工作。 圉z 1 b 压力牢 器的总体结构 一泣兰2 一盘匝3 一封头拼接埠缝d 一封共5 - 环焊缝6 - 补强触 t 扎8 一嫩焊齄9 一筒件m 一堆力受1 i 一宜垒阀1 2 一破日计 压力窖器可以分为周定式容嚣和移动式容器。固定容器的安装地点、使用条件、 操作人员和工艺流程一般都是固定不变的。移动式容器主要用米盛装并运输压缩气体、 液化气体和溶解气体，这类容器流动性强管理复杂、容易发生事故。 压力容器如果按厚度划分可以分为薄壁容器( d o ：d 。( 12 ) 和厚壁容器( d o d 1 2 ) ：如果按压力等级划分，可以分为内压容器与外压容器。具体划分如下： 低压( 代号l o w ) 容器01 m p a p 1 6 m p a ： 中压( 代号m i d d l e ) 容器1 6 m p a 吣 p 1 00 m p a ： 高压( 代号h i g h ) 容器1 0 m p a 咤p 1 0 0 m p a ； 超高压r 代号u l t r a ) 容器口1 0 0 m p a 。 压力容器材料是制造压力容器的基础，正确合理的选用压力容器材料不仅可以保 证压力容器安全的工作，还可以延长压力容器的使用寿命。选择压力容器的材料时 要充分考虑到压力容器的应力根据容器的应力选择容器的材料。同时，选择材辩时 还应考虑压力容器工作时的环境、介质及其它具体条件的要求。不同的材料具有不同 的化学成分、力学性能和使用条件选择材料摄基本的要求是能够保证压力容器安垒 工作，同时做判经济、适用。钢板、钢管、锻件、圆锅和型铜是压力容器的主要材科。 2 4 5 储罐 储存设备是用来储存生产用的原科、半成品及成品等物料的设备。这类设备通常 结构比较简单所以 储罐、球形储罐及_ j 瘦 球形储罐与圆筒 面积小、基础工程量 量大和制造成本高。 2 4 6 泵 泵是用米输送液体的设备泵的分类方式有很多但它主要分为动力式泵和容积 式泵两大类。泵的性能参数主要有流量、扬程、转速、轴功率和必需汽蚀余量。本次 设计主要用的泵有：多级离心泵、柱塞泵、热水泵、电动泵、手动试压泵和循环泵等。 2 47 流量计 本实验台中需要测量流体的流量这就需要流量计。流量计主要分为差压流量计， 转子流量计、容积式流量计、涡轮流量计和电磁流量计等。 差压流量计是基于流体流过特制的节流元件时产生压力降的原理来测量流量的 经常用的差压流量计有i l 饭流量计、文丘里流量计和喷嘴流量计1 ”。 孔板流量计是一个带有圊孔的金属圆扳它的工作原理就是流体流过面积小的孔 板时，速度增加- 这样在孔扳前后就产生了压强差。它的优点是结构简单制造容易， 造价低，可在高温高压下工作。文丘垦流量计能量损失小但是制造复杂成本高。 转子流量计主要有一个倒锥形的玻璃管和一个可上下自由运动的转子组成。转子 流量计的优点是结构简单、能量损失小量程比大及使用方便等。 31换热器的工艺参数三二：一 换热器的工艺参数设计 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体 平均值。故管程水的定性温度为： t ：3 0 + 2 0 ：2 5 2 壳程水的定性温度： 其定性温度可取流体进出口温度的 ( 3 1 ) t = 8 0 + 4 0 = 6 0 c( 32 ) 根据定性温度及工作压力，通过化工工艺设计手册【”l 查取壳程和管程流体的 有关物性数据如表3 - 1 所示。 裹3 1 水的物性敛据 3 13 估算传k e , 面积 g = m f p ( 一t ) = 而5 0 0 0 4j 8 5 x l o x ( s o 一4 。) = 2 3 2 5 0 0 j ，s ( 2 ) 平均传热温差 采用对数平均温度差，则 虬1 。鼋。笋。莓瑚7 ( 3 ) 估算传热面积 假设传热系数k = 6 0 0 ，( i n k ) 则估葬传热面积为： f 33 ( 3 4 1 3 l4 。= 去= 五丢等意一m n 勘 由于试验台跟制取l = i 5 m 管程数为： _ p = 百5 6 8 = 3 7 8 取4 管：i n ( 3 9 ) 传热管总报数n ，= 3 5 4 = 1 4 0 根。 ( 3 ) 平均传热温差校正及壳程数 r ：土量：8 0 - 4 1 ) ：4 f 3 1 0 1 t ，一t 3 0 2 0 、 p ；：；二 l ：3 0 - 2 0 0 1 6 7 ( 3