换热设备污垢设计报告#仅供借鉴

1、知识荟萃# 目 录 第 1 章 绪 论 .1 1.1 课题背景与意义 .1 1.1.1 课题介绍 .1 1.1.2 设计要求 .1 1.2 污垢测量方法及测量原理 .2 1.2.1 污垢测量方法 .2 1.2.2 测量污垢热阻原理 .2 第 2 章 温度测量 .4 2.1 温度检测方法 .4 2.2 检测方法选择及依据 .4 2.2.1 管壁温度采用热电偶测量 .4 2.2.2 水浴和进出口温度采用热电阻测量 .4 2.2.3 方法选择依据 .5 2.3 仪表选择及依据 .5 2.3.1 仪表选择 .5 2.3.2 仪表选择依据 .5 2.4 误差分析及注意事项 .5 2.4.1 误差分析 .

2、5 2.4.2 注意事项 .6 第 3 章 水位测量 .7 3.1 水位检测方法 .7 3.2 测量方法选择及依据 .7 3.2.1 测量方法选择 .7 3.2.2 方法选择依据 .7 3.3 仪表选择及依据 .8 3.3.1 仪表选择 .8 3.3.2 仪表选择依据 .8 3.4 误差分析及注意事项 .8 3.4.1 误差分析 .8 3.4.2 注意事项 .8 第 4 章 流量测量 .9 4.1 流量测量方法 .9 4.2 测量方法选择及依据 .9 知识荟萃# 4.2.1 测量方法选择 .9 4.2.2 方法选择依据 .9 4.3 仪表选择及依据 .10 4.3.1 仪表选择 .10 4.3

3、.2 仪表选择依据 .10 4.4 误差分析及注意事项 .10 4.4.1 误差分析 .10 4.4.2 注意事项 .10 第 5 章 差压测量 .11 5.1 差压检测方法 .11 5.2 测量方法选择及依据 .11 5.2.1 测量方法选择 .11 5.2.2 方法选择依据 .11 5.3 仪表选择及依据 .11 5.3.1 仪表选择 .11 5.3.2 仪表选择依据 .12 5.4 误差分析及注意事项 .12 5.4.1 误差分析 .12 5.4.2 注意事项 .12 心得体会 .13 参考文献 .14 知识荟萃# 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景与意义 污垢广泛存在于工业生产的多种

4、过程中，严重妨碍换热设备的正常运行，造成能源 的巨大浪费和惊人的经济损失，是传热界十分关注而又未能完全解决的主要问题之一， 对结垢规律的研究已受到人们的广泛关注。换热设备污垢的形成过程是一个极其复杂的 能量、质量和动量传递的物理化学过程，污垢的存在给广泛应用于各工业企业的换热设 备造成极大的经济损失，因而污垢问题成为传热学界和工业界十分关注而又至今未能解 决的难题之一。 1.1.1 课题介绍 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

5、和对比实验。可获取水处理药剂 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。 1-恒温槽体；2-试验管段；3-试验管入口压力；4-管段出口温度测点； 5-管壁温度测点；6-管段出口温度测点；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 图 1-1 实验装置流程图 1.1.2 设计要求 该实验装置上，需要检测和控制的参数主要有：温度：包括实验管流体进口温度 （2040）、出口温度（2080 ），实验管壁温（2080 ）以及水浴温度（2080 ） 知识荟萃# f f

6、ff f f m R 1 ；水位：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 200mm500mm；流量：实验管内流体流量需要测量，管径 25mm，流量 范围 0.54m /h；差压：由于结垢导致管内流动阻力增大，需要测量流动压降，范围为 3 050mm 水柱。 论述检测以上参数的方法设计以及依据，仪表种类选用以及依据，测量注意事项， 并分析可能产生误差的原因。 1.2 污垢测量方法及测量原理 1.2.1 污垢测量方法 按对沉积物的监测手段分有：热学法和非传热量的污垢监测法。热学法中又可分为 热阻表示法和温差表示法两种；非传热量的污垢监测法又有直接

7、称重法、厚度测量法、 压降测量法、放射性技术、时间推移电影法、显微照相法、电解法和化学法。这些监测 方法中，对换热设备而言，最直接而且与换热设备性能联系最密切的莫过于热学法。这 里简单介绍污垢监测的热学法中的污垢热阻法。 1.2.2 测量污垢热阻原理 表示换热面上污垢沉积量的特征参数有：单位面积上的污垢沉积质量 mf，污垢层平 均厚度 f 和污垢热阻 Rf。这三者之间的关系由式表示： （1-1） 图 1-1 清洁和有污垢时的温度分布及热阻 知识荟萃# 于是两式相减得 qTTR csfsf /)( ,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 1-1

8、（a）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： 图 1-1（b）为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为： 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： 该式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： 若在结垢过程中，q、Tb 均得持不变，且同样假定 cwcc RRRU 21 /1 ffwfff RRRRRU 2211 /1 (1-3) （1- 2） fcfc RRRR 2211 , （1-4）

9、 cf ff UU RR 11 21 （1-5） qTTRRRRU bfsffwcf /)(/1 ,121 fc RR 22 （1- 5） （1-6） （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。 知识荟萃# 第 2 章 温度测量 2.1 温度检测方法 （1）热电阻温度计：热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。热电阻测温是基 于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。它的主要特点是 测量精度高，性能稳定。其测温原理为：导体或半导体的电阻值随温度变化而变化这一 特性来测量温度的。 （2）热电偶温度计：热电偶温度

10、计是在工业生产中应用较为广泛的测温装置。热电 偶传感元件是由两根不同材质的金属线组成，结构简单，使用方便，精确度高，量程范 围宽，抗振，适用于中高温温区。其测温原理为：两种不同成份的导体两端接合成回路， 当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种电动势称为热电势。热电偶就 是利用这种原理进行温度测量的。 （3）膨胀式温度计：膨胀式温度计的测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，可分 为液体膨胀式和固体膨胀式两种，常用的膨胀式温度计有双金属温度计。其测温原理为： 利用二种不同温度膨胀系数的金属，为提高测温灵敏度，通常将金属片制成螺旋卷形状， 当多层金属片的温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等

11、，使得螺旋卷卷起或松开。由 于螺旋卷的一端固定而另一端和一可以自由转动的指针相连，因此，当双金属片感受到 温度变化时，指针即可在一圆形分度标尺上指示出温度。 2.2 检测方法选择及依据 2.2.1 管壁温度采用热电偶测量 热电偶温度计结构简单，使用方便。由于测量管段的管径小，不易安装，故采用方 便安装的热电偶温度计。热电偶温度计由三部分组成：1.热电偶；2.测量仪表；3.连接热 电偶和测量仪表的导线。当测量端和参比端存在温差时，就会在回路产生热电动势，接 上显示仪表，仪表上就显示同热电偶所产生的热电动势所对应的温度值。 2.2.2 水浴和进出口温度采用热电阻测量 热电阻温度计常用于中低温的测量

12、，稳定性好，测量精度高。由于水浴温度和进出 口温度均在 80以下，属于低温测量。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增 知识荟萃# 加而增加这一特性来进行温度测量的。 2.2.3 方法选择依据 水浴温度和进出口温度均在 80以下，属于低温测量，热电阻温度计常用于中低温 的测量，且在低温测量时，热电阻的精度远高于热电偶的精度，热电偶测温时需考虑冷 端补偿问题，热电阻价格相对便宜，膨胀式温度计不易于信号处理和在线监测。综合以 上原因，采用热电阻温度计测量水浴温度和进出口温度；对于管壁温度的测量，由于管 壁直径较小，考虑到温度计的测量和安装方便等问题，采用热电偶温度计测量管壁温度。 2.3 仪表

13、选择及依据 2.3.1 仪表选择 热电偶温度计选用廉价金属镍铬-康铜材料制成的温度计，具体型号为 WRE230。 工业用镍铬-康铜热电偶作为测量温度的传感器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节 器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从0800范围内的液体、蒸汽和气体介 质以及固体的表面温度。 热电阻温度计选用铜热电阻制成的温度计，具体型号 WZC231。WZC 装配式热电阻 通常与温度变送器，调节器以及显示仪表等配套使用，组成过程控制系统，用以直接测 量或控制各种生产过程中-50100范围内的液体，蒸汽和气体介质以及固体表面的温 度。 2.3.2 仪表选择依据 热电偶温度计选用依据：镍铬-康

14、铜材料制成的温度计测温范围为0800，热电偶 低温测量时经常使用，稳定性好。考虑到测量管壁温度，为方便安装，采用螺纹固定； 防止水进温度计，采用防水型，所以选用 WRE230。 热电阻温度计选用依据：铜电阻的测温范围为-50100，其允许误差为 0.30+0.0051t1，在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介 质，可以直接测理液体温度，在低温测量时精度高，热响应快，线性好。由于需要测水 浴温度，采用防水型，所以选用 WZC231。 知识荟萃# 2.4 误差分析及注意事项 2.4.1 误差分析 （1）安装时应该选择合理的安装位置，避免引入误差。 （2）由材料纯度和加工工

15、艺所引起的误差 （3）由于电阻通电后会产生自升温现象，从而带来测量误差。 （4）线路电阻不同引入的测量误差：可通过串联电位器调整，此外规定三线接线方 法也可以减小导线电阻误差。 （5）电阻丝与引线接点处构成热偶，若节点温度不同将产生附加电动势，对于测量 回路可能产生影响。可通过节点靠近，同温等方法减小或消除附加电动势。 2.4.2 注意事项 （1）热电阻温度计测量实验管进、出口温度时应注意接线方式，热电阻应尽量垂直 装在水平或垂直管道上，安装时应该有保护套管，采用三线制接线可较好地消除引线电 阻的影响，测量准确度高。 （2）热电偶的热电动势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与

16、工作端两端温度差的函数；热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时， 与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；当热电偶的两 个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电 偶冷端的温度保持一定，则热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。 知识荟萃# 第 3 章 水位测量 3.1 水位检测方法 （1）电接点水位计：就是利用水的导电性，在有水或者无水状况下使两个接点间导 通或者断开，为控制电路提供一个信号。两接点就是信号探头。如果在不同位置设置多 个接点，就可采集不同水位的多个信号，配合相应的控制电路，实现多工位显示或者自 动控制。 （

17、2）超声波水位计：是非接触测量仪表，应用十分广泛。其原理为：超声波物位计 安装于容器上部在电子单元的控制下，探头向被测物体发射一束超声波脉冲。声波被物 体表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到被重新被接收， 其时间与探头至被测物体的距离成正比。 （3）浮子式水位计：浮子式水位计属于恒压力式水位计，结构简单，测量精确。其 工作原理为：由浮子感应水位的升降。有用机械方式直接使浮子传动记录结构的普通水 位计，有把浮子提供的转角量转换成增量电脉冲或二进制编码脉冲作远距离传输的电传、 数传水位计，还有用微型浮子和许多干簧管组成的数字传感水位计等。 3.2 测量方法选择及依据 3.

18、2.1 测量方法选择 本实验装置的水位测量采用浮子式水位测量。浮子式水位测量有多种形式，将浮子 制成磁浮子，根据磁性耦合原理，当浮子随着水位的升降，顺着导杆上下移动时，经磁 性耦合作用驱动翻板或翻柱，显示液位。 知识荟萃# 3.2.2 方法选择依据 浮子式液位计结构简单，工作可靠，测量范围较大，不易受到外界环境的影响，并 且能连续指示水位。通过改良可制成磁浮子式液位计，此种液位计可以做到高密封，防 泄漏和适用于高温、高压、耐腐蚀的场合，具有更高的可靠性，可以直接与计算机联接， 进行水位的测量和控制。电接点水位计虽然也可以与计算机联接进行水位测量和控制， 但是其电接点布置存在不可消除的固定误差。

19、超声波水位计连续测量具有一定盲区，且 价格昂贵。综合以上原因，采用磁浮子水位计测量水位。 3.3 仪表选择及依据 3.3.1 仪表选择 测量仪表选用 UHZ-594磁性浮子液位计。UHZ 系列仪表是常用的磁性浮子式仪表， 其具有灵敏度高、连续测量、无测量盲区等优点。 图 3-1 UHZ-594 磁性浮子液位计 3.3.2 仪表选择依据 UHZ-594磁性浮子液位计，配合磁控液位计使用，可就地数字显示，或输出420mA 的标准远传电信号，以配合记录仪表，或工业过程控制的需要。也可以配合磁性控制开 关或接近开关使用，对液位监控报警或对进液出液设备进行控制。可以很好满足设计要 求，并且 UHZ 系列

20、磁性浮子液位计灵敏度高，测量范围大，全过程测量无盲区，既可以 现场显示也可以信号远传，考虑设备持久使用问题，选取防腐性的 UHZ-594磁性浮子液 位计。 3.4 误差分析及注意事项 3.4.1 误差分析 （1）液位计安装应保持垂直，以保证浮球组件在主体管内上下运动自如， 如果液位计安装倾斜会产生误差。 知识荟萃# （2）不允许有磁体靠近磁性浮子流量计，会直接影响读数读数带来误差。 （3）浮子运动不够灵活或被卡死，会给测量带来误差。 （4）在安装完成以后，首先打开磁翻板液位计的上引管阀门，开启以后就可以慢慢 的打开下引管阀门，这样的顺序不能打乱，不然当介质进入主导管的时候会造成不稳定 的状态，

21、这样一来会影响准确度。 3.4.2 注意事项 （1）液位计安装必须垂直，以保证浮球组件在主体管内上下运动自如。 （2）液位计主体周围不允许有导磁体靠近。 （3）使用过程中应定期进行清洗，清除筒体内的污垢杂质。 第 4 章 流量测量 4.1 流量测量方法 （1）电磁流量计：电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。 电磁流量计的优点是压损极小，可测流量范围大，是常用的流量监测仪表。其原理为： 当导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体中会产生感应电势，感应电势的大小与导 体在磁场中的有效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度成正比，与流量成 比例。 （2）涡街流量计：涡街流量计

22、是根据卡门涡街原理研究生产的，主要用于工业管道 介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等多种介质。其原理为：流体在管道中经过 涡街流量变送器时，在旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡，旋涡的释放 频率与流过旋涡发生体的流体平均速度有关。当雷诺数 Re 在一定内，St 值约为0.2。在测 量中，要尽量满足流体的雷诺数，此时旋涡频率与速度成比例，可求出流量。 （3）靶式流量计：靶式流量计是在传统靶式流量计的基础上，随着新型传感器、微 电子技术的发展研制开发成的新型电容力感应式流量计，它既有孔板、涡街等流量计无 可动部件的特点，同时又具有很高的灵敏度、与容积式流量计相媲美的准确度，量程范 围

23、宽。其原理为：将靶置于管道内，流体经过时冲击靶，靶上所受的作用力与流速之间 存在一定的关系，便可求出流体流量。 知识荟萃# 4.2 测量方法选择及依据 4.2.1 测量方法选择 本实验装置流量测量采用靶式流量计。靶式流量计具有测量精度高，重复性好，抗 干扰能力强等很多优点，常用于低流速测量。 4.2.2 方法选择依据 靶式流量计适用于低速测量，测量小流量时对外界的振动干扰不敏感；测量精度高， 重复性好，精度可达千分之二；压力损失小，只有传统孔板的六分之一，小于涡街，节 能效果明显。电磁流量计常用的测量范围不满足本实验要求。本实验要求管径25mm，流 量范围0.54m /h。属于低流速，小管径流

24、量测量，而涡街流量计在低流速小管径测量时 3 受到限制，所以采用靶式流量计测量流量。 4.3 仪表选择及依据 4.3.1 仪表选择 测量仪表选用 YK-LB 靶式流量计。YK-LB 靶式流量计使用介质：液体、气体，可测 低流速小管径流量。 图 4-1 YK-LB 靶式流量计 4.3.2 仪表选择依据 YK-LB 靶式流量计耐高温、高压，可测量从-80至+200低流速介质，流速大于 0.1m/s 即可测量，精度高压损小，小口径是标准孔板的一半，安装维护简单便捷多种安装 方式，适用不同场合，多种输出形式，能远传各种参数，符合测量要求。 4.4 误差分析及注意事项 4.4.1 误差分析 （1）流体中

25、一些较大杂物缠绕在靶杆上，在有流量的状态下容易指示满量程。这种 现象主要存在于测量循环水的工况，是由于水未经过滤。 知识荟萃# （2）由于安装误差不能保证所有的插人式靶式流量计的靶板位于管道中心，也不能 保证靶板完全垂直于管道。因此产生使用工况和出厂前标定工况的差异，从而造成靶式 流量计的测量误差。 （3）由于靶杆材料性质的影响，当流体流量大时，靶的形变量可能超过弹性形变范 围，当流量变为零时，靶不能立即恢复到原来位置，产生误差。 4.4.2 注意事项 （1）安装后应尽量保持靶垂直于管道。 （2）靶片、靶杆与测具之间保持清洁，并避免较大杂物进入待测液。 （3）靶片前后有一定长度直管段。 第 5

26、 章 差压测量 5.1 差压检测方法 （1）压阻式差压计：压阻式传感器广泛地应用航天、航空、航海、石油化工、动力 机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。其工作原理为：压阻式差压 计高低压腔分别引入压力，膜片两队电阻中，一个位于受压应力区，一个位于受拉应力 区，当压力差使膜片变形时，膜片上两对电阻阻值发生变化，使电桥输出相应压力变化 的信号。 （2）电容差压传感器：电容式差压传感器常用于差压的测量，在各个领域有广泛的 应用。其工作原理为：当隔离膜片感受两侧压力作用时，通过硅油将差压传递到弹性测 量膜片的两侧从而使膜片产生位移。电容极板间距离变化，引起电容值发生变化，经过 变换器电路

27、，可以转换成反应被测压差的标准电信号输出。 知识荟萃# 5.2 测量方法选择及依据 5.2.1 测量方法选择 本实验装置差压测量采用智能型电容差压传感器。智能型电容差压传感器具有结构 结实，灵敏度高，精度高等诸多优点。 5.2.2 方法选择依据 本实验装置所测压差范围为 050mm 水柱，属于低压力测量，压阻式差压计等很难 做到微小差压的测量，且智能型电容差压传感器结构结实，灵敏度高，灵活性增大、功 能强大，可测量微小差压，可与变送器进行通信，完成远程调试。 5.3 仪表选择及依据 5.3.1 仪表选择 测量仪表选用 TS220-3051 智能电容式压力传感器，也可使用 U 型管压力计、单管压 力机或斜管压力计。 图 5-1 TS220-3051 智能电容式压力传感器 5.3.2 仪表选择依据 由于 U 型管压力计在安装时应尽量保持垂直在使用时不免会改变其垂直状态导致误 差。U 型管压力计在读数时应使视线与液面最低处平齐，以工作液弯页面顶部切线为准读 取液面高度，由于人眼观察不免出现误差，其次 U 行管压力计在使用时应注意其测量范 围上限。综上所述选用 TS220-3051 智能电容式压力传感器优于 U 形管压力计。 T