综合实验台实验指导书V3.2

作者：kuku010 | 发布时间：2021-01-20 06:46:27 收藏本文下载本文

1 1 过程设备与控制多功能综合实验台简介过程设备与控制多功能综合实验台由动力系统（电机和多级泵）、换热系统、加热系统、数据采集系统、测试系统以及控制系统等组成。是一套实用性很强的实验装置，它不仅能够满足本科生教学实验的要求，还能为换热器的结构设计、性能检测、微机自动控制等多方面的科研工作提供硬件及软件平台。实验台在硬件和软件方面涉及到了变频控制技术；压力、流量、温度、转速及转矩的测试技术；微机数据采集技术和过程控制技术；以及微机通讯技术等，是比较典型的集过程、设备及控制于一体的多学科交叉实验装置。

过程设备与控制多功能综合实验台的特点包括：

（1）实验功能多、综合性能强本实验台有机地结合了传统的化机实验（如离心泵性能测定实验、应力测定实验）、工艺性能实验（如换热实验、流体传热膜系数测定实验、压力降测试实验）和各种参数控制实验（如压力、温度、流量控制等），真正做到了一机多用。另外，实验台各组件均为实物构件，学生通过实验也取得了对其中的设备、机泵、各种传感器及其它检测与控制仪器、仪表的感性认识。

（2）实验方案多、学生参与性强由于控制参数多、管路布置巧妙，学生可以自己选择或设计实验方案，大大提高了学生参与性和实验内容的多样性。

（3）可拆换组件多，与科研的互动性强实验台上的泵、换热器、阀门及各种控制、检测元件可以自由拆换，因此，在实验台上可以进行多项科研工作。研究结果反过来又可以用于本科教学。

（4）对学生开放实验，进行计算机数字直接控制（DDC）编程和实验。

过程设备与控制多功能综合实验台结构如图 1 所示，过程设备与控制多功能综合实验台操作面板如图 2 所示，过程设备与控制多功能综合实验台实验流程图如图 3 所示。

图 1 过程设备与控制多功能综合实验台结构图 1——热流体管程入口阀；2——热流体管程出口阀； 3——热流体回流阀；4——冷流体管程入口阀；5——冷流体管程出口阀； 6——管程流量调节阀；7——冷流体壳程入口阀；8——冷流体壳程出口阀；9——热流体壳程出口阀；10——热流体壳程入口阀。

图 2 过程设备与控制多功能综合实验台操作面板图 m1——管程出口温度显示； m2——冷水泵流量显示； m3——流量自动/手动调节按钮，弹起时为手动，按下后为自动； m4——冷水泵出口压力显示； m5——压力自动/手动调节按钮，弹起时为手动，按下后为自动； m6——控制方式选择按钮，弹起时为分布式控制（DCS），按下后为计算机直接数字控制（DDC）； m7——水泵运行方式开关，向上为工频运转方式，向右为变频调速运转方式，中间为空档； m8——压力调节旋钮（调节冷水泵的转速）； m9——流量调节旋钮（调节电动调节阀的开度）； m10——冷水泵关闭按钮； m11——冷水泵启动按钮； m12——循环泵开关按钮，顺时针转为开启，逆时针转为关闭； m13——热水泵开关按钮，顺时针转为开启，逆时针转为关闭； m14——总控制开关，顺时针转为开启，逆时针转为关闭。

4 图 3 过程设备与控制多功能综合实验台实验流程示意图 P0—调节阀两端差压；P1—冷水泵进口压力；P2—冷水泵出口压力；P3—换热器管程出口压力；P4—换热器壳程进口压力；P5—换热器壳程出口压力； P6—换热器管程进口压力；PS—压力开关；T0—冷水泵进口温度；T1—换热器壳程进口温度；T2—换热器管程出口温度；T3—换热器管程进口温度； T4—换热器壳程出口温度；F1—冷水泵流量；F2—热水泵流量；V14—电动调节阀。

2 过程设备与控制实验指导书实验一离心泵性能测定实验一、实验目的 1．测定离心泵在恒定转速下的性能，绘制离心泵的扬程—流量（H-q v）曲线；轴功率—流量（N-q v）曲线及泵效率—流量（η-q v）曲线； 2.掌握离心泵性能的测量原理及操作方法，巩固离心泵的有关知识。

二、实验内容在离心泵恒速运转时，由大到小(或由小到大)调节离心泵出口阀，依次改变泵流量，测量各工况下离心泵的进口压力、出口压力、流量、转矩、转速等参数，分别计算离心泵的扬程、功率和效率并绘制离心泵的性能曲线。

三、实验装置过程设备与控制多功能综合试验台，实验装置流程如图 1-1 所示。

图 1-1 离心泵性能测定实验流程图 P1—水泵进口压力，P2—水泵出口压力，F1—水泵流量，M—转矩，n—转速。

四、实验原理 1．扬程 H 的测定根据柏努利方程，泵的扬程 H 可由下式计算：

2 2()2out in out inout inp p c cH Z Zg g     （1-1）式中：H——离心泵扬程，m 水柱； inp——离心泵进口压力（为负值），Pa； outp——离心泵出口压力，Pa； inc——离心泵进口压力测量点处管内水的流速，m/s；

31 0 /i n v i nc q A  2= /4in inA d   , m 2 outc——离心泵出口压力测量点处管内水的水的流速，m/s； 31 0 /o u t v o u tc q A  2= /4out outA d   , m 2 inZ——离心泵进口压力测量点距泵轴中心线的垂直距离，m； outZ——离心泵出口压力测量点距泵轴中心线的垂直距离，m； ——水的密度， =1000 3/m kg ； g——重力加速度，9.812/s m。

在本实验装置中，0out inZ Z  ，泵进口压力测量点处管内径 d in =32mm，泵出口压力测量点处管内径 d out =25mm。

2．功率测定（1）轴功率 N 9 5 5 4n MN kW（1-2）式中：

M——转矩，N﹒m n——泵转速，r/min.（2）有效功率 N e 1000veHq gN kW（1-3）式中：qv——流量，s m /3 3．效率 η % 1 0 0  NN e（1-4）4.比例定律 q v nq v n （1-5）2()H nH n （1-6）3()N nN n （1-7）式中：n—离心泵的额定转速 n′—离心泵的实测转速 q v、H、N—离心泵在额定转速下的流量、扬程和功率 q v ′、H′、N′—离心泵在非额定转速下的流量、扬程和功率。

五、实验步骤 1．打开阀门 V05、V11、V12，关闭其他所有阀门； 2.灌泵：打开自来水阀门 V02，旋开冷水泵排气阀放净空气，待放完泵内空气后关闭，保证离心泵中充满水，再关闭自来水阀门 V02； 3.开启工控机，进入过程设备与控制综合实验程序，选择离心泵性能测定实验进入实验界面，单击“清空数据”按钮清空数据库； 4.启动冷水泵：将水泵运行方式开关 “m7” 旋向 “工频”，选择工频运转方式，然后按下水泵启动按钮“m11”，冷水泵开始运转； 5.调节冷水泵出口流量调节阀 V13，改变冷水泵流量qv，依次从 0.5 L/s 到2.5L/s,每间隔 0.4L/s 记录一次数据，记录数据时要单击“记录”按钮。

6.关闭冷水泵：打开阀门 V13，按下水泵关闭按钮“m10”，冷水泵停止运转。

六、数据记录和整理记录泵流量vq、泵进口压力inp、泵出口压力outp、泵转矩 M 和泵转速 n，分别将实验数据和计算结果填入数据表 1-1 和表 1-2 中。实验用离心泵的额定转速为2900r.p.m.，若实测转速与额定转速不符，应按比例换算公式 1-5、1-6、1-7 将非额定转速下的流量、扬程及功率换算成在额定转速下的流量、扬程及功率填入表 1-3，并依此数据绘制离心泵的性能曲线。

表 1-1 实验测量结果流量 q v ′(L/s)泵进口压力 P in(MPa)泵出口压力 P out(MPa)转矩 M(N·m)转速 n(r.p.m.)1 2 3 4 5 6 7 项目次数

表 1-2 实验计算结果流量 q v ′(L/s)扬程 H′(m)轴功率 N′(kW)有效功率eN(kW)效率η（%）1 2 3 4 5 6 7 表 1-3 离心泵在额定转速下的实验结果流量 q v(L/s)扬程 H(m)轴功率 N(kW)效率η（%）1 2 3 4 5 6 7 七、实验报告要求 1．简述实验目的、实验原理、实验步骤，计算各工况下的实验结果； 2．绘制 H-q v、N-q v、η-q v 曲线； 3．回答思考题。

思考题 1．离心泵的性能曲线有何作用？ 2．离心泵启动前为什么要引水灌泵？项目次数项目次数

实验二离心泵汽蚀性能测定实验一、实验目的 1．测定离心泵的汽蚀性能，绘制离心泵汽蚀性能曲线（NPSH r-q v）； 2．掌握离心泵汽蚀性能的测量原理及操作使用方法，巩固离心泵的有关知识。

二、实验内容离心泵恒速运转时，分别在离心泵进水阀处于不同开度时，由小到大连续调节离心泵出口阀门开度，使泵流量由小到大连续增加，直到离心泵出现汽蚀，绘制此过程中在泵进水阀处于不同开度时泵的扬程—流量（H-q v）实时曲线，测量离心泵在不同流量下的进口压力、流量及泵进口温度等参数。根据离心泵扬程—流量（H-q v）实时曲线上的汽蚀点处的流量值，计算离心泵的有效汽蚀余量 NPSH a，绘制离心泵必需的汽蚀余量性能-流量曲线（NPSH r-q v）。

测量参数：离心泵进口水温，离心泵进口压力，离心泵出口压力，离心泵出口流量。

三、实验装置过程设备与控制多功能综合试验台，实验装置流程如图 2-1 所示。

图 2-1 离心泵汽蚀实验装置流程图 V01—离心泵进口闸阀，V13—离心泵出口调节阀，T0—离心泵进口温度传感器，P1—离心泵进口压力传感器，P2—离心泵出口压力传感器，F1—涡轮流量传感器四、实验原理 1.汽蚀现象机理：离心泵运转时，由于叶轮的高速转动提升了液体的流速，使得泵进口处的液体压力逐渐下降，到叶轮进口附近时液体的压力下降到最低点 p k。若 p k 小于液体温度下的饱和蒸汽压 p v 时，液体就会汽化，同时溶解在液体中的气体也随之逸出，形成许多气泡。当气泡随液体流到叶轮流道内高压区域时，气泡就会凝结溃灭形成空穴。空穴周围的液体质点瞬间内以极高的速度冲向空穴，造成液体互相撞击，使该处的局部压力骤然剧增，阻碍了液体的正常流动。如果气

泡在叶轮壁面附近溃灭，则液体就会象无数颗弹头一样连续地打击金属表面，其撞击频率高达上千赫兹。金属表面会因冲击疲劳而剥裂。若气泡内夹杂某些活性气体，就会借助气泡凝结放出的热量对金属造成电化学腐蚀。上述两种对金属的破坏现象称为汽蚀。

2.汽蚀性能参数：

⑴有效汽蚀余量 NPSH a ：指吸入液面上的压力水头在克服泵进口管路的流动阻力并把水提升到泵轴线高度后所剩余的超过液体汽化压力 p v 的能量，即：

22s s vap c pN P S Hg g g     m（2-1）式中 p s—液流在泵入口的压力，Pa； p v—液流在泵入口温度下的气化压力，Pa； c s—液流在泵入口处的速度，m/s。

有效汽蚀余量 NPSH a 的大小与泵的安装高度、吸入管路阻力损失、液体的性质和温度等有关，与泵本身的结构尺寸等无关，故称为泵吸入装置的有效汽蚀余量。

⑵泵必需的汽蚀余量 NPSH r ：泵内压强最低点位于叶轮流道内紧靠叶片进口边缘处，低于泵吸入口的压强。二者之间的总压降就称为必需的汽蚀余量。NPSH r值取决于泵吸入室和叶轮进口处的几何形状，与吸入管路无关。泵的 NPSH r 值越小，该泵防汽蚀的性能越好，泵愈不易发生汽蚀。NPSH r 通常由泵制造厂通过试验测出。

⑶临界汽蚀余量 NPSH c ：当泵的有效汽蚀余量 NPSH a 降低到使泵内压强最低点的液体压强等于该温度下的汽化压强时，液体开始汽化。此时的 NPSH a 就是使泵不发生汽蚀的临界值，称为临界汽蚀余量，即 a r cNPS H NPS H NPS H  (2-2)当 NPSH a ＞NPSH r 时，泵内不发生汽蚀，而当 NPSH a ≤NPSH r 时，泵内将发生汽蚀。通过汽蚀实验确定的就是这个汽蚀余量的临界值。

五、实验步骤 1.打开球阀 V05、V11，顺时针转动闸阀 V01 手轮使其完全关闭，再逆时针旋转 2 圈；逆时针转动流量调节旋钮“m9”到底，使调节阀 V14 关闭，关闭其它阀门； 2.灌泵：打开自来水阀门 V02，旋开冷水泵排气阀放净空气，待放完泵内空气后关闭，保证离心泵中充满水，再关闭自来水阀门 V02； 3.开启工控机，进入过程设备与控制综合实验程序，选择离心泵汽蚀性能测定

实验进入实验界面，单击“清空数据”按钮清空数据库； 4.将操作台面板上的水泵运行方式开关 “m7” 旋向 “工频”，选择工频运转方式，然后按下水泵启动按钮“m11”，启动冷水泵； 5.将流量控制按钮“m9”顺时针旋至最大，再单击“记录”按钮，观察离心泵扬程—流量（H-q v）实时曲线，直到（H-q v）曲线发生陡降，陡降点即为临界汽蚀点，点击“停止”按钮停止记录； 6.逆时针转动流量调节按钮“m9”到底，将电动调节阀 V14 关闭，顺时针转动闸阀 V01 手轮半圈，然后重复实验步骤 5，直至不发生汽蚀时为止； 7.关闭冷水泵：按下水泵关闭按钮“m10”，关闭冷水泵。

六、数据记录和整理 1．在离心泵进水阀 V01 处于不同开度时，将离心泵在不同流量下的进口压力、流量及泵进口温度等测量参数填入表 2-1； 2.计算在离心泵进水阀 V01 处于不同开度时泵必需的汽蚀余量 NPSH r，由于在临界汽蚀点处，有效汽蚀余量 NPSH a，泵必需的汽蚀余量 NPSH r 和临界汽蚀余量 NPSH c 三者相等，故可用式 2-1 计算泵必需的汽蚀余量 NPSH r，其中泵入口流速 c s 由泵流量除以泵进口管截面积得到，泵进口管路为 DN32。计算结果填入表2-2；七、实验报告要求 1．简述实验目的、实验原理、实验步骤，计算各工况下的实验结果； 2.依据表 2-2 的数据，在方格纸上绘制离心泵汽蚀性能曲线（NPSH r-q v）图； 3.回答思考题。

思考题 1.为什么在离心泵临界汽蚀点处，有效汽蚀余量 NPSH a 和泵必需的汽蚀余量NPSH r 相等； 2.从汽蚀性能曲线（NPSH r-q v）图上看，离心泵运转时的流量在曲线左边不会出现汽蚀，而在曲线右边会出现汽蚀，为什么？

表 2-1 离心泵汽蚀性能实验记录数据泵进口阀门状态测量参数实验数据泵进水阀 V01 开度 1 泵流量 q v [L/s] 泵进口压力 p s [MPa] 泵进口温度 T 0 [℃] 泵进水阀 V01 开度 2 泵流量 q v [L/s] 泵进口压力 p s [MPa] 泵进口温度 T 0 [℃] 泵进水阀 V01 开度 3 泵流量 q v [L/s] 泵进口压力 p s [MPa] 泵进口温度 T 0 [℃] 泵进水阀 V01 开度 4 泵流量 q v [L/s] 泵进口压力 p s [MPa] 泵进口温度 T 0 [℃] 泵进水阀 V01 开度 5 泵流量 q v [L/s] 泵进口压力 p s [MPa] 泵进口温度 T 0 [℃] 泵进水阀 V01 开度 6 泵流量 q v [L/s] 泵进口压力 p s [MPa] 泵进口温度 T 0 [℃] 表 2-2 离心泵汽蚀性能实验结果数据次数项目 1 2 3 4 5 6 泵流量 q v [L/s] 泵必须的汽蚀余量 NPSH r [ m]

实验三调节阀流量特性实验一、实验目的 1．掌握电动调节阀流量特性的测量方法； 2．测量电动调节阀的流量特性，分析调节阀的理想流量特性和串联工作流量特性的区别以及调节阀流量特性对控制过程的影响。

二、实验设备过程设备与控制多功能综合实验台，实验流程如图 3-1。

三、实验内容 1.调节阀理想流量特性曲线的测取。从小至大改变调节阀的相对开度时，通过调节水泵转速，使得调节阀前后压差保持恒定，测量调节阀在不同的相对开度下流经调节阀的相对流量值。绘制调节阀理想流量特性曲线。

2.调节阀在串联管路中的工作流量特性曲线的测取。在管路系统总压不变的情况下，测量调节阀在不同的相对开度下流经调节阀的相对流量值。通过设定不同的管路系统总压力，可测量出在不同 s 值下的调节阀的工作流量特性曲线族。

图3-1.调节阀流量特性实验流程图 P0—调节阀两端差压；P2—冷水泵出口压力； P6—换热器管程进口 d 点压力； F1—冷水泵流量； V14—电动调节阀；PS—超压力保护开关。

四、实验原理调节阀的流量特性是指流过阀门的介质相对流量与阀门的相对开度之间的关系，表示为：

（3-1）式中：

——相对流量； q v——阀在某一开度时的流量； maxqv lfqv L   max/ qv qvqv 图 3-2 调节阀的理想流量特性曲线

——阀在全开时的流量；——阀的相对开度 l——阀在某一开度时阀芯的行程； L——阀全开时阀芯的行程。

1．调节阀的理想特性在调节阀前后压差不变的情况下，调节阀的流量曲线称为调节阀的理想流量特性。根据调节阀阀芯形状不同，调节阀有快开型、直线型、抛物线型和等百分比型等四种理想流量曲线。本实验使用的调节阀为等百分比流量特性，如图3-2 中的曲线 4，其相对开度与相对流量之间的关系如式 3-2：

（3-2）调节阀理想特性曲线的测试实验就是在保持调节阀前后压差恒定的情况下，测量调节阀相对开度与相对流量之间的关系。

2．调节阀在串联管道中的工作特性：

调节阀在串联管道中的连接如图 3-3 所示。在实际生产过程中由于调节阀前后管路阻力造成的压力降，使调节阀的前后压差产生变化的，此时调节阀的流量特性称为工作特性。

当调节阀在串联管路中时，系统的总压差等于管路的压力降与调节阀前后压差之和，如式 3-3：

（3-3）式中：

—系统总压差；—管路压力降；—调节阀前后压差。

串联管路中管路压力降与通过流量的平方成正比，若系统总压差不变，当调节阀开度增加时，管路压力降将随着流量的增大而增加，调节阀前后压差则随之减小，其压差变化曲线如图 3-4 所示。

用调节阀在理想状态下（即管路的压力降为零）且调节阀在全开时的最大流量为参比值，用 s 表示调节阀全开时调节阀前后压差与系统总压之比，如式 3-4：

（3-4）maxqv/ l L1(1)maxLqvRqvqv qv / l L max/ qv qvqv 1 Vp p p   1p Vp p Vpsp图 3-3 调节阀在串联管道中的连接图 3-4 调节阀在串联管路中压差变化曲线

当管路压力降等于零时，系统总压差全部落在调节阀上，此时 S=1，调节阀的流量特性为理想流量特性。

当管路压力降大于零时，系统总压分别落在管路和调节阀上，此时 S<1，调节阀的流量特性为工作流量特性。

实验中的是指换热器管程出口处 d 点经阀门 V11 到 e 点，再到调节阀 V14出口 f 点的压差；指调节阀 V14 两端 e、f 之间的压差。如图 3-1 所示。

五、实验步骤 1．调节阀的理想流量特性实验步骤 ⑴打开 V05、V11、V15，关闭其他阀门，使冷流体走管程； ⑵灌泵：打开自来水阀门 V02，旋开冷水泵排气阀放净空气，待放完泵内空气后关闭，保证离心泵中充满水，再关闭自来水阀门 V02； ⑶按下操作台面板上的“控制方式”按扭，选择 DDC 控制方式； ⑷启动冷水泵：将水泵运行方式开关“m7”旋向“变频运行”，选择变频运转方式，然后按下冷水泵启动按钮“m11”； ⑸开启工控机，进入过程设备与控制综合实验程序，选择调节阀流量特性实验进入实验界面； ⑹向右移动“阀门开度”移动条至 100%，使调节阀 V14 全开；再向右移动“压力调节”移动条至 100%，使离心泵全速运转。

注意：调整“压力调节”移动条应轻缓，避免差压变送器过载导致超压保护开关PS 动作，造成停泵。

⑺记下此时调节阀压差值作为“基准值”；单击“开始”按扭； ⑻单击“理想特性”按扭，数据稳定后，单击“初值采集”按扭；单击“记录”按扭； ⑼向左移动“压力调节”移动条约 10%，向左移动“阀门开度”移动条，使调节阀V14 开度减小 10%； ⑽移动“压力调节”移动条，使调节阀 V14 两端压差等于步骤⑸中的基准值； ⑾数据稳定后，单击“记录”按扭，记录调节阀此开度时的流量值；重复步骤⑻～⑽，直至调节阀 V14 开度为零，将数据填入表 3-1。

不要退出程序，继续做电动调节阀的工作流量特性实实验； 2．电动调节阀的工作流量特性实验步骤调节阀的工作流量特性实验是在不同的 S 值下分别进行，s 可取 0.8、0.6、0.4，s 值的大小靠通过改变调节阀前后压差得到，计算如式 3-4。

实验步骤如下：

⑴ 单击“开始”按扭；单击“工作特性”按扭； Vp p  1 Vp p p   p Vp Vp Vp Vp 

⑵ 移动“阀门开度”移动条，使调节阀 V14 开度为 100%； ⑶ 移动“压力调节”移动条, ⑷ 根据 s 值手动减小阀门 V11 的开度，使调节阀压差 pv s p    [kPa]，⑸重复步骤⑵、⑶直至使系统总压差  p “基准值”；，p v s p     [kPa]； ⑹向左移动“压力调节”移动条约 10%，, 移动“阀门开度”移动条，使调节阀门V14 开度减小 10%； ⑺移动“压力调节”移动条，使系统总压差  p 维持“基准值”不变；系统稳定后，单击“记录”按扭； ⑻系统稳定后，单击“记录”按扭； ⑼重复步骤⑹～⑻，直至阀门开度为零； ⑽将数据填入表 3-2 利用相同方法可生成不同 s 值的电动调节阀的工作流量特性实验曲线。

4．结束实验：打开阀门 V07，关闭差压传感器阀，按下水泵关闭按钮“m10”，关闭冷水泵。退出实验程序界面。弹出“m6”开关。

六、数据记录和整理 1.计算调节阀理想流量特性实验数据中的相对流量值，填入表 3-1，在方格纸上绘制调节阀理想流量特性； 2.将不同 s 值的实验数据填入表 3-2 并计算出相对流量值，用方格纸在同一坐标系上绘制出调节阀在串联管路中的工作流量特性曲线族。

七、实验报告要求 1．写出实验目的、实验内容、实验步骤； 2．绘制调节阀的理想流量特性曲线和调节阀串联工作流量特性曲线族； 3．根据调节阀的理想流量特性曲线，判断阀体是快开型、直线型、抛物线型和等百分比型的； 4．根据调节阀的工作流量特性曲线，分析管路参数对调节阀调节性能的影响； 5．回答思考题。

思考题 1．调节阀的理想流量特性取决于什么？ 2．在串联管道中，调节阀前后压差与哪些因素有关，为什么？ 3．调节阀理想流量特性曲线与工作流量特性曲线的差异是什么原因造成的？ 4．s 的大小对调节系统会产生什么影响？

表 3-1 调节阀的理想流量特性数据处理记录表最大流量 qv max = [L/s] 相对开度 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 实测流量相对流量表 3-2 电动调节阀的工作流量特性数据处理记录表最大流量 qv max = [L/s] 相对开度 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 实测流量相对流量表 3-2 电动调节阀的工作流量特性数据处理记录表系统总压差 Δp= [KPa] S=Δpv/Δp=1 阀门开度 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 实测流量相对流量系统总压差 Δp= [KPa] S=Δpv/Δp=0.8 阀门开度 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 实测流量相对流量系统总压差 Δp= [KPa] S=Δpv/Δp=0.6 阀门开度 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 实测流量相对流量系统总压差 Δp= [KPa] S=Δpv/Δp=0.4 阀门开度 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 实测流量相对流量

实验四换热器换热性能实验一、实验目的 1．掌握传热驱动力的概念及其对传热速率的影响； 2．测试换热器的换热能力。

二、实验内容在换热器冷流体温度、流量和热流体流量恒定的工况下，依次改变热流体的温度，分别测量各工况下换热器的管程和壳程进、出口温度及管、壳程的流量，计算热流体放出的热量和冷流体获得的热量以及热损失。

三、实验装置过程设备与控制多功能实验台，实验流程如图 4-1。

图 4-1 换热器换热性能实验流程图四、实验原理换热器工作时，冷、热流体分别处在换热管管壁的两侧，热流体把热量通过管壁传给冷流体，形成热交换。若换热器没有保温，存在热损失量 Q  时，则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：)(2 1T T c m Qpt t t （4-1）式中 tQ——单位时间内热流体放出的热量，kW； tm——热流体的质量流率，kg/s； ptc——热流体的定压比热，kJ/kg·K，在实验温度范围内可视为常数； 1T、2T——热流体的进出口温度，K 或o C。

冷流体获得的热量为)(1 2t t c m Qps s s （4-2）式中：sQ——单位时间内冷流体获得的热量，kJ/s=kW； sm——冷流体的质量流率，kg/s； psc——冷流体的定压比热，kJ/kg·K，在实验温度范围内可视为常数； 1t、2t——冷流体的进出口温度，K 或o C。

损失的热量为：

s tQ Q Q   (4-3)冷、热流体间的温差是传热的驱动力，对于逆流传热，平均温差为：)/ l n(2 12 1t tt tt m    （4-4）式中 2 1 1t T t   、1 2 2t T t   。

本实验着重考察传热速率 Q 和传热驱动力mt  之间的关系。

五、实验步骤 ⑴开启燃油炉，设置温度上限 75℃，设置温度下限 70℃； ⑵开启工控机，进入“过程设备与控制综合实验” 程序，单击“实验选择”，进入实验选择界面，选择“换热器换热性能实验”进入实验界面，单击“清空数据”按钮清空数据库； ⑶打开阀门 V06、V10，V04、V09，关闭其它阀门，使冷流体走换热器壳程并经调节阀 V14 流回水箱，热流体走换热器管程，流程如图 3 所示； ⑷灌泵：打开自来水阀门 V02，旋开冷水泵排气阀放净空气，待放完泵内空气后关闭，保证离心泵中充满水，最后关闭自来水阀门 V02； ⑸启动冷水泵：将水泵运行方式开关 “m7” 旋向 “变频运转”，选择变频运转方式，然后按下冷水泵启动按钮“m11” 开启冷水泵。调节压力调节旋钮“m8”和流量调节旋钮“m9”，使冷水泵出口压力表“m4”保持在 0.4MPa，冷水泵出口流量表”m2“保持在 1.0L/s； ⑹顺时针转动开关“m13”开启热水泵，调节阀门 V09，使热流体流量稳定在0.3L/s；再逆时针转动开关“m13”关闭热水泵； ⑺当燃油炉内水温达到温度上限时，点按燃油炉上“Enter”键，关闭燃油炉； ⑻单击实验界面上的“实验”按钮，进入温差曲线界面； ⑼顺时针转动开关“m12”开启循环泵，经过约 3 分钟，再逆时针转动开关“m12”关闭循环泵，顺时针转动开关“m13”开启热水泵；单击实验界面上的“开始”按钮，绘制温差曲线，⑽ 当冷流体的进出口温度 t 1、t 2 及热流体的出口温度 T 2 稳定后（温差曲线趋于走平时），单击“记录”按钮记录实验数据。

⑾ 当换热器管程进口热水温度出现下降趋势时，关闭热水泵。当冷、热流体温差大于 10 o C 时，从步骤⑼开始继续做下一组数据，直至冷、热流体温差小于 10 o C时为止； ⑿停止实验，关闭冷水泵、热水泵和循环泵。

六、数据记录和整理保持热流体流量tV 及冷流体流量sV 不变，改变热流体的进口温度1T，测量冷流体的进出口温度1t、2t 及热流体的出口温度2T，根据公式（4-1）和（4-2）分别计算热流体放出的热量tQ 和冷流体获得的热量sQ，并由式（4-3）计算损失的热量，根据公式（4-4）计算平均温差mt ，将测量和计算出的结果填入数据表 4-1 中。

七、实验报告要求 1．简述实验目的、实验原理、实验步骤，计算各工况下的实验结果； 2．以平均温差mt  为横坐标，热流体放出的热量tQ 和热损失 Q  分别为纵坐标作图，对所得曲线进行分析。

3．回答思考题。

思考题 1.热量是如何损失的？怎样才能减少热量损失？ 2.在工程上，很多换热器都采用逆流工艺流程，为什么？表 4-1 实验测量和计算结果序号 1T（o C）2T（o C）1t（o C）2t（o C）tQ（kW）Q （kW）mt （o C）1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

实验五流体传热系数测定实验一、实验目的 1．测定换热器的总传热系数； 2．了解换热器性能参数对换热性能的影响。

二、实验装置过程设备与控制多功能实验台三、实验内容在换热器热流体温度、流量和冷流体温度恒定的工况下，依次改变冷流体的流量，分别测量各工况下换热器的管程和壳程进、出口温度及管、壳程的流量，计算换热器的换热系数 K。

四、实验原理换热器的传热速率 Q 可以表示为：

mt KA Q  （5-1）式中：

Q——单位时间传热量，W； K——总传热系数，W/m 2 ·K；  t m——平均温差，K 或o C。

A——传热面积，nl d Ao ，m 2 ；在本实验以及以后的实验中：d 0 =0.014m、n=29、l=0.792m 分别为换热管的外径、根数和换热长度。

对于逆流传热，平均温差为：)/ ln(2 12 1t tt tt m    （5-2）式中：

2 1 1t T t   、1 2 2t T t    1T、2T——热流体的进出口温度，K 或o C； 1t、2t——冷流体的进出口温度，K 或o C。

由式 5-1 可得：

mt AQK（5-3）Q 可由热流体放出的热量或冷流体获得的热量进行计算，即：)(2 1T T c m Qpt t t （5-4）或)(1 2t t c m Qps s s （5-5）

式（5-4）和式（5-5）中有关符号说明见换热器换热性能实验。

根据式（5-3）和式（5-4）或（5-5）就可以测定在实验条件下的总传热系数 K。K 的理论计算参考本实验附录。

由于测温点与换热器进出口处存在一定距离，所测得的温度值并不是换热器进、出口处流体的实际温度。因此要对测温点到换热器进、出口间的管路进行流体热量损失计算，求出换热器流体进口和出口的实际温度值。计算过程见 3.3 节。

图 5-1 流体传热系数测定实验流程图五、实验步骤 ⑴开启燃油炉，设置温度上限 75℃，设置温度下限 70℃； ⑵向右扳动控制台面板（图 3）上的总控开关“m14”，启动操作台； ⑶开启工控机，进入“过程设备与控制综合实验” 程序，单击“实验选择”，进入实验选择界面，选择“流体传热系数测定实验”，进入实验程序界面，单击“清空数据”按钮清空数据库； ⑷打开阀门 V06、V10，V04、V08，其它阀门均关闭，使冷流体走换热器壳程，并经流量调节阀 V14 流回水箱，热流体走换热器管程，流程见图 5-1。

⑸灌泵：打开自来水阀门 V02，旋开冷水泵排气阀放净空气，待放完泵内空气后关闭，保证离心泵中充满水，最后关闭自来水阀门 V02； ⑹逆时针旋转操作台面板上的“m9”旋钮，使调节阀 V14 开度最小； ⑺将操作台面板上水泵运行方式选择开关 “m7” 旋向 “变频运行”位置，选择变频运转方式。按下冷水泵启动按钮“m11”，转动压力调节旋钮“m8”使冷水泵出口压力表“m4”保持 0.4MPa； ⑻顺时针转动开关“m13”开启热水泵，调节阀门 V09，使热流体流量稳定在0.24L/s 不变，逆时针转动开关“m13”关闭热水泵；

⑼调节“m9”旋钮，改变调节阀 V14 开度，使冷流体流量稳定在 0.4L/s； ⑽单击“实验”按钮，进入温差曲线界面； ⑾待燃油炉内水温达到温度上限时，顺时针转动开关“m12”开循环泵，待热水基本均匀（约 3 分钟）后，逆时针转动开关“m12” 关闭循环泵，顺时针转动开关“m13”开启热水泵； ⑿单击实验界面上的“开始”按钮，绘制温差曲线，待换热器的进出口温度1t、2t 及热流体的出口温度2T 稳定后（温差曲线趋于走平时），单击“记录”按钮记录实验数据； ⒀待燃油炉重新启动后，逆时针转动开关“m13”关闭热水泵，调节“m9”旋钮，使冷流体流量增加 0.4 L/s，从步骤⑾开始继续做下一组数据，直至冷流体流量达到 1.2L/s 为止； ⒁结束实验，关闭热水泵、燃油炉，逆时针转动压力调节旋钮“m8”使冷水泵出口压力表“m4”回零。按下水泵关闭按钮“m10”，关闭冷水泵。

六、数据记录和整理保持热流体流量tV 不变，改变冷流体流量sV，测量冷、热流体的进出口温度1t、2t、1T、2T，根据式（5-2）计算平均温差  t m，根据式（5-4）计算热流体放出的热量tQ，根据式（5-5）计算冷流体获得的热量sQ，根据式（5-3）计算总传热系数 K。将测量和计算出的结果填入数据表 5-1 中。

表 5-1 实验测量和计算结果序号 sV（L/s）1T（o C）2T（o C）1t（o C）2t（o C）tV(L/s)mt （o C）K(W/m 2 ·K)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

七、实验报告要求 1．简述实验目的、实验原理、实验步骤，计算各工况下的实验结果； 2．根据所测参数，参照实验四附录计算总传热系数 K 并与实验结果进行比较。以流量为横坐标，总传热系数 K 为纵坐标，作 K V s  的理论与实验曲线，对所得曲线进行分析。

3．回答思考题。

思考题 1．总传热系数 K 和流体对流传热系数  及污垢热阻 R 有怎样的关系，为什么流体流量大小会影响总传热系数 K？ 2．有些换热器被设计成多管程或多壳程，试根据本实验结果说出其中的道理？ 3．通过换热器换热性能实验和流体传热系数测定实验，说明提高换热器中流体平均温差的优、缺点。

实验六换换热器管程和壳程压力降测定实验一、实验目的 1.测量换热器管程和壳程的流体压力损失； 2．分析压力损失和流速之间的关系。

二、实验装置过程设备与控制多功能实验台三、实验内容分别在冷流体走管程（或走壳程）时，依次改变流体流量，在不同流量下，测量换热器管程（或壳程）的进、出口压力，计算流经换热器管程（或壳程）的总压力损失。

四、实验原理流体流经换热器时会出现压力损失，它包括流体在换热器内部的压力损失和流体在换热器进出口处局部的压力损失。通过测量管程流体的进口压力1 tp、出口压力2 tp，便可得到流体流经换热器管程的总压力损失2 1 t t tp p p    ；通过测量壳程流体的进口力1 sp、出口压力2 sp，便可得到流体流经换热器壳程的总压力损失1 2 s s sp p p   。

换热器管程和壳程压力降的理论计算见 3.5 节。

图 6-1 换热器管程压力降实验流程图五、实验步骤 ⑴ 换热器管程压力降实验 ①打开阀门 V05、V11，关闭其他阀门，使冷流体走管程，流程见图 6-1； ②灌泵：打开自来水阀门 V02，旋开冷水泵排气阀放净空气，待放完泵内空气后关闭保证离心泵中充满水，最后关闭自来水阀门 V02； ③开启工控机，进入“过程设备与控制综合实验” 程序，单击“实验选择”按钮，进入实验选择界面，选择“换热器压力降测定实验”，进入实验程序界面，点击“管

程”按钮选择管程压力降实验，单击“清空数据”按钮清空数据库； ④逆时针转动操作台面板上的压力调节旋钮“m8”至零位，逆时针转动流量调节旋钮“m9”至零位，关闭流量调节阀； ⑤将操作台面板上的水泵运行方式选择开关 “m7” 旋向 “变频运行”位置，选择变频运转方式，然后按下冷水泵启动按钮“m11”启动冷水泵，再顺时针转动压力调节旋钮“m8”使冷水泵出口压力表“m4“保持在 0.7MPa； ⑥顺时针转动流量调节旋钮“m9”，依次从 1.0L/s 到 2.2L/s 改变冷流体流量；每间隔 0.2L/s，点击一次“记录”按钮记录数据； ⑦关闭冷水泵：逆时针转动压力调节旋钮“m8”使冷水泵出口压力表“m4“回零。按下水泵关闭按钮“m10”，关闭冷水泵。

⑧逆时针转动流量调节旋钮“m9” 至零位，关闭流量调节阀； ⑵ ⑵ 换热器壳程压力降实验 ①打开阀门 V06、V10，关闭其他阀门，使冷流体走壳程，流程见图 6-13； ②点击实验界面中“壳程”按钮选择壳程压力降实验，单击“清空数据”按钮清空数据库； ③再次启动冷水泵：将水泵运行方式开关 “m7” 旋向 “变频运行”，选择变频运转方式，然后按下冷水泵启动按钮“m11”，顺时针转动压力调节旋钮“m8”使冷水泵出口压力表“m4”保持在 0.7MPa； ④顺时针转动流量调节旋钮“m9”，依次从 0.4L/s 到 2.2L/s 改变冷流体流量；每间隔 0.2L/s，点击一次“记录”按钮记录数据； ⑤关闭冷水泵：逆时针转动压力调节旋钮“m8”使冷水泵出口压力表“m4”回零。按下水泵关闭按钮“m10”，关闭冷水泵。

⑥逆时针转动流量调节旋钮“m9” 至零位，关闭流量调节阀。

图 6-2 换热器壳程压力降实验流程图

六、数据记录和整理冷流体走换热器管程，改变流量tV，测量管程流体的进出口压力1 tp、2 tp，计算压力损失2 1 t t tp p p    ；切换管路，使冷流体改走换热器壳程，改变流量sV，测量壳程流体的进出口压力1 sp、2 sp，计算压力损失2 1 s s sp p p   。将测量和计算出的结果填入数据表 6-1 中。

表 6-1 实验测量和计算结果序号管程壳程 tV（L/s）1 tp（MPa）2 tp（MPa）tp （MPa）sV（L/s）1 sp（MPa）2 sp（MPa）sp （MPa）1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 七、实验要求 1．简述实验目的、实验原理、实验步骤，计算各工况下的实验结果； 2．根据所测流量tV 和sV，参照 3.5 节计算管程流体流经换热器的压力损失并与实验结果进行比较。以流量为横坐标，压力损失为纵坐标，作t tV P   的理论与实验曲线及s sV P   实验曲线，对所得曲线进行分析。

3．回答思考题。

思考题 1．如何降低换热器中的阻力损失？ 2．管程压力损失有多项组成，分析比较它们的相对大小。

实验七换热器壳体热应力测定实验一、实验目的 1．测定换热器在无温度载荷作用下换热器壳体上的应力； 2．测定换热器在压力和温度载荷联合作用下换热器壳体上的应力；二、实验装置 1．过程设备与控制多功能实验台 2．静态电阻应变仪三、实验内容当换热器壳程走冷流体、管程关闭时（无温差应力），依次改变壳程流体压力，测量换热器壳体在不同压力下的应变值；当换热器壳程走冷流体且压力恒定、管程走热流体（存在温差应力）时，依次改变管程温度，测量换热器壳体在不同管程温度下的应变值。计算换热器壳体的温差应力。

四、实验原理在应力测定中采用电阻应变仪来测定各点的应变值，然后根据广义胡克定律换算成相应的应力值。换热器壳体可认为是处于二向应力状态，在弹性范围内广义胡克定律表示如下：

周向应力：)(12zE  （7-1）轴向应力：)(12  z zE（7-2）式中 E 和  分别为设备材料的弹性模量和泊桑比； 和 z 分别为周向应变和轴向应变。电阻应变仪的基本原理就是将应变片电阻的微小变化，用电桥转换成为电压电流的变化。

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sp、管程压力tp）、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。

因温度载荷只引起轴向应力，当压力载荷和温度载荷联合作用时有：

p   （7-3）tzpz z    （7-4）式中 p——压力载荷在换热器壳体中引起的环向应力，MPa ； pz——压力载荷在换热器壳体中引起的轴向应力，MPa ； tz——温度载荷在换热器壳体中引起的轴向应力，MPa。

温度载荷或温差大小的计算应以管程和壳程流体进出换热器壳体的温度值为依据。但在实验中，从温度传感器到换热器出入口的过程中有热量损失，所以换热器入口和出口的温度与测得的数据并非一致，换热器入口和出口的温度可估算如下。

图 7-1 换热器壳程及管程流体参数 1.计算"1T 流体流经管路损失的热量等于流体经过管壁传出的热量，由于管内为水，管外为空气（设温度为 t 0），总传热系数 K 可近似等于水的传热系数，因此有：)()2("1 1 0"1 11 1 1T T c V tT TK S Qpt t t t t    由此得 pt t tt tt tt t pt t tc VK ST K St K S T c VT 221 11 1 10 1 1 1"1（7-5）其中：

1 1 t i tl d S  ，id——管内径，id =0.025m； 1 tl——从传感器到换热器热水入口的长度，1 tl =0.3m； 1 tK——从传感器到换热器热水入口管程总传热系数，14.033.0 8.01 1027.0     wtr eitt tP RdK  其它符号说明见 3.2 节。

2.计算"2T "2T 的计算与"1T 相似。

根据)()2(2"2 0"2 22 2 2T T c V tT TK S Qpt t t t t    得：

222 22 2 20 2 2 2"2t tpt t tt tt t pt t tK Sc VT K St K S T c VT （7-6）其中：

2 2 t i tl d S  ，id——管内径，id =0.025m； 2 tl——从换热器热水出口到传感器的长度，2 tl =0.3m； 2 tK——从换热器热水出口到传感器的管程总传热系数，14.033.0 8.02 2027.0     wtr eitt tP RdK 。

3.计算"2t 与"1T 和"2T 计算相似，"2t 计算如下：

由)()2(2"2 0"2 22 2 2t t c V tt tK S qps s s s s    得：

222 22 2 20 2 2 2"2s sps s ss ss s ps s sK Sc Vt K St K S t c Vt （7-7）其中：2 2 s i sl d S  ，id——管内径，id =0.025m； 2 sl——从换热器冷水出口到传感器的长度，2 sl =0.3m； 2 sK——从换热器冷水出口到传感器的管程总传热系数，14.033.0 8.02027.0     wtr eits sP RdK 。

（7-8）五、实验步骤 ⑴BZ2205C 静态电阻应变仪设置（详见使用说明书）：

①启动 BZ2205C 静态电阻应变仪； ②开启工控机，进入“过程设备与控制综合实验” 程序，单击 “实验选择”，进入实验选择界面，选择“换热器温差应力测定实验”图标，进入实验程序界面，选择“壳程受压”，单击“清空数据”按钮清空数据库； ③单击实验界面上的“平衡”按钮，对应变仪进行平衡； ④单击实验界面上的“测量”按钮，检查应变读数是否基本为零（若偏差较大时重复 3、4 步骤）。

⑵实验方案 1

换热器壳程走冷流体，管程关闭（无温差应力）。实验流程如图 7-2 所示。

①打开阀门 V06、V10，关闭管程进出口及其它阀门，使冷流体走换热器壳程，并经流量调节阀 V14 流回水箱； ②灌泵：打开自来水阀门 V02，旋开冷水泵排气阀放净空气，待放完泵内空气后关闭，保证离心泵中充满水，最后关闭自来水阀门 V02； ③将操作台面板上的水泵运行方式开关 “m7” 旋向 “工频”位置，选择工频运转方式，然后按下水泵启动按钮“m11” 启动冷水泵； ④待冷水泵运转 3 分钟后，转动操作台面板上的旋钮“m9”调节电动调节阀V14，改变壳程流体流量，使换热器壳程进口压力依次从 0.2 到 0.8MPa，每隔 0.1 MPa，单击实验界面上的“测量”按钮，测量并记录一次换热器进、出口压力和应变值； ⑤关闭冷水泵：打开阀门 V07，按下水泵关闭按钮“m10”，冷水泵停止运转 ⑥不退出实验程序，继续做温差应力实验。

图 7-2 换热器壳程走冷流体管程关闭实验流程 ⑶实验方案 2 换热器壳程走冷流体，管程走热流体（存在温差应力）。实验流程如图 7-3 所示。

①打开阀门 V06、V10，V04、V08，其它阀门均关闭，使冷流体走换热器壳程，并经流量调节阀 V14 流回水箱，热流体走换热器管程； ②开启燃油炉，设置温度上限 75℃，设置温度下限 70℃； ③选择“温差应力”，单击“清空数据”按钮，清...