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板式换热器实验系统监控工程的设计与实现

点击:1710 日期:[ 2014-04-26 21:54:08 ]
                          板式换热器实验系统监控工程的设计与实现                                  蔡健蔡    炜王海    臧建彬                                (同济大学,上海201804)     摘要:针对板式换热器教学实验设计一套实验系统。该系统由装有MCGS的计算机实现与KLM-4000系列模块和传感器之间的串口通讯,实时监测各项参数,人机界面友好,操作简单,取得了较好的效果。     关键词:板式换热器实   验系统   MCGS   传感器     自动化     1·引言     换热器是现代工业必备的基础部件之一,广泛应用于冶金、机械、电力、石油、化工、制药、造纸、轻纺、饮料食品、余热回收、集中供暖等行业和领域。随着自动化测控技术的大规模发展,现场监控系统在换热设备上得到了广泛的应用。传统的换热器实验教学设备已经无法很好的体现先进技术的应用。实验中心联合热能教研室与板式换热器制造商开发了新的板式换热器热工性能实验系统,利用MCGS(Monitor and Control Generated System)工控组态软件制作基本的人机交互界面,具有现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、动画显示、趋势曲线和报表输出等功能,创造了一个可视化的教学环境,有利于提高教学质量。     2·实验系统组成     根据国家标准,完整的换热器热工实验台主要由冷源、热源、被测定换热器、冷热流体循环系统以及测定仪表等构成。其主要测量项目包括冷热流体的进出口温度测量、冷热流体的体积流量测量以及冷热流体进出口压力测量。     2.1实验对象与实验条件     选用BR0.15型单边流人字形波纹板片作为实验对象,技术参数如表1所示,实验条件如表2所示。     2.2温度测量     温度测量采用北京昆仑海岸公司的JWB/Pt100型铂电阻,0~100℃,0.25级。测量元件的感温点应位于管道中心。测量元件的安装点与被测板式换热器进出口法兰面的距离应不大于150mm。测温点的上下游各300mm内及换热器与测温点之间管线,应保温良好。                         2.3流量测量     流量测量采用上海自仪九厂仪表有限公司生产的LWGY-25A/FI-TBS型涡轮流量传感器,0.5级。流量计应安装在水平直管段,上游直管段长度应不小于20倍管径,下游直管长度不小于15倍管径。     2.4压力测量     压力测量采用YB-150A型压力表,0.25级。静压测量孔应位于距离任何扰动区域(弯头或阀门等)下游至少5倍管径,上游至少2倍管径处。     2.5数据采集与通讯     根据实验,实验系统为两级分布式结构。第1级为计算机,由MCGS软件开发现场监控和数据采集系统组成,通过RS232和模块串口通讯。第2级由一体化模块和各传感器组成,实时采集所需温度、流量数据。     一体化模块选用北京昆仑海岸制造的KLM-4000系列模块。KLM-4000系列是集采集、通讯为一体的模拟量采集模块,8路4~20mA直流电流信号输入,通讯可选RS232或RS485/422接口。     2.6系统软件平台     计算机操作系统选用微软32位Windows XP操作系统,软件平台采用MCGS。运行于Windows系统的MCGS具有良好的人机界面,可快速构造和生成上位机监控系统,实现对实验系统的监控和参数设置,为用户提供解决实际问题的完整方案和开发平台。MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”2个系统组成。2大部分相互独立,却又紧密相关。组态环境为系统提供的一套完整的工具软件,用户可以在其中设计和构造自己所需的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程,以用户指定的方式运行,同时进行各种处理,完成用户组态设计的各种目标和功能。     2.7系统其它组件     系统除需各测量仪表外,还须有循环泵、变频器、套管式加热器、PXR-9温度控制仪、304不锈钢蝶阀及球阀、304不锈钢冷水箱及热水箱、循环冷水风冷机组、电控箱等,以保实验系统正常稳定运行。     3·实验系统监控工程的设计与实现     在MCGS中,用户应用系统简称为工程,在MCGS组态环境中生成的文件称为工程文件。在本实验系统监控工程中涉及到动画制作、控制流程的编写、模拟设备的连接、报警输出、报表曲线显示与打印等多项组态操作。最终完成的工程包括以下几个部分。     3.1实验系统工艺图     实验监控系统包括整个换热器实验工作流程图,可直观的、动态的显示实验系统各测点的参数变化。如图1所示。                用MCGS提供的图形工具,在一个画面上像搭积木一样建成一幅图画,利用动画链接产生动画效果。     3.2传感器图     动态显示出各个运行参数,可用柱状图显示。     3.3趋势图     包括实时趋势和历史趋势图,并可随时打印。     3.4报警记录     记录着系统运行过程中各类报警事件,报警时各参数的状态值以及报警处理,并可设定报警处理优先值。分为实时报警和历史报警。     3.5报表     分实时报表和历史报表,前者记录所有运行参数的当前值,后者保存系统运行后各参数的数值。可随时查找和打印,并可设置数据记录间隔,实时生效。     4·实验方法与数据处理     4.1实验步骤     实验时可参照以下步骤进行实验:(1)打开总电源;(2)开启各路仪表、采集模块电源;(3)开启冷热水循环泵,变频控制水流量;(4)开启PXR-9温度控制仪,设定热水加热温度,开启电加热器;(5)开启电脑,打开MCGS,进入组态画面,开始自动采集记录。     4.2主要数据处理方法与条件     选取热平衡状态下的实验数据进行处理。实验数据的处理分为两部分。第一部分为求换热器的总传热系数K。对于第三类边界条件下的传热问题,总传热系数可以用一个类似于牛顿冷却定律的表达式来定义:           Q=K×A×Δt       (1)     式中:Q为传热量;K为传热系数;A为传热面积;Δt为传热温差。     第二部分为求得对流换热系数α,这是一个非常重要的环节。根据相似原理,稳态无相变紊流强制对流换热的准则方程式可用以下公式表示。               (2)     式中:C、m、n为常数,Nu为努谢尔特数,Re为雷诺数。Pr为普朗特数。Re计算可得,Pr可查表获得,而Nu中则包含有实验所要得到的对流换热系数α。根据公式(2),实验便转化为求常数C、m以及n了。通常这3个常数可通过等雷诺数法或威尔逊图解法求得。     等雷诺数法要求换热面两侧流体的雷诺数相等且换热面两侧流体通道几何结构相同。在实验中只要保持同工质的冷热流的流速相等即可。由此实验中需要记录的是两侧板间流速为0.1~1.0m/s范围内等速变化时的测量数据,且流速变化间隔不得大于0.1m/s。威尔逊分离法则要求实验中污垢热阻不变或者可忽略不计且同一组实验中必须保持一侧流体的换热状况稳定不变。由此则实验中固定一侧板间流速,可以是热侧或者冷侧,且固定点至少为一个,另一侧板间流速在0.1~1.0m/s范围内变化,变化间隔不大于0.1m/s。一台换热器的好坏除了传热性能的好坏之外,还有一个重要的方面就是阻力性能的好坏。阻力特性测定,一方面可以比较不同换热器之间的阻力大小,以寻求改进措施;另一方面则可以根据阻力特性来匹配合适的泵,避免能耗过大。实验中分别记录对应流速下的压力数值,据此计算出欧拉准则方程,以判定被测对象的阻力性能。     5·结束语     该实验系统充分模拟了实际应用中工业现场控制,人机界面友好。可动画显示实验对象各传感器采集信号、实时趋势曲线、历史趋势曲线以及报警报表等。可直观了解各参数变化情况,操作直观。 参考文献 1·朱聘冠.换热器原理及计算[M].清华大学出版社,1987:190~191. 2·北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS组态软件培训教程[DB/OL]..2005. 3 ·GB16409-1996.板式换热器[S]. 4·连之伟等.热质交换原理与设备[M].中国建筑工业出版社,2001:145~146. 5·章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学[M].第三版.中国建筑工业出版社,1997:125~133. 6·刘研.板式换热器的实验研究及性能评价[D].吉林大学.2002. 7·杨世铭,陶文铨.传热学[M].第三版.高等教学出版社,1998:346~347.作者简介:蔡健,男,在读工程硕士,主要从事暖通燃气方面的研究。
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