换热器实验教学平台的改进与性能分析,该文是有关实验教学论文范文检索跟实验教学和换热器和性能分析相关专升本论文范文.
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随着科学和生产技术的发展,换热器的种类越来越多,目前市场上常用的换热器有套管式换热器、管壳式换热器、板式换热器、热管换热器等.每类换热器因其制造、安装等工艺的不同,使得换热器的使用场所和要求不同.换热器实验是传热学的基础实验,培养大学生对流体在传热学方面的动态认识,强化学生对换热器传热机理的掌握[1-3].在理论课程学习的基础上,学生通过对试验台组成设备和仪表的性能、工作原理和工作过程的了解,更深入掌握换热器传热系数的计算方法[4-6].
而目前已有换热器试验台只有板式换热器、不能同时测试不同类型换热器、不同工况下的换热性能,且试验台搭建约10 年了,远远满足不了教学的要求,需要在现有实验系统上进行改进.
为了进一步加强大学生对各类换热器的主要技术性能的测试与计算,扩展学生的知识面,更深入地了解与认识不同类型换热器性能,使理论教学紧密和实践相结合,优化实验台建设是亟待解决的问题.多类型换热器实验台的搭建,是培养有用人才不可缺少的教学工具.
1 现有试验台的介绍
已有试验台采用的是BR 0.15 换热器,是一套小型的适用于学校教学而专门设计制造的试验装置,学生通过该装置的试验,对板式换热器主要技术性能的测试计算,包括传热性能和阻力性能.记录相关的技术数据,进行计算,并绘制流体———传热系数、流速———阻力降之间的变化曲线图[7-8].从而寻找BR0.15 型换热板片的最佳传热系数、最佳的阻力降和最佳的板间流速之间的关系,以给板式换热器设计工程技术人员提供换热器设计的技术依据和改进板片不合理设计提供技术依据[9-10],同时为学生提供独立思考的工作能力和动手能力创造实践的条件.
已有实验台的搭建是根据国家标准（GB16409）,完整的换热器热工实验台由冷源、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.具体试验装置由冷水槽（物料槽）、冷水（物料）输送泵、热水槽、热水输送泵、试件（BR0.15 板式换热器）、套管式电加热装置、相互连接管件、手动蝶阀、流量调节阀、电器仪表控制箱、温度计、涡轮流量传感器、精密压力表等零部件组成,具体见表1,试验装置系统图见图1.
实验控制系统采用MCGS 软件平台,MCGS 组态软件由“MCGS 组态环境”和“MCGS 运行环境”两个系统组成.两大部分相互独立,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,用户可以在其中进行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,具体见图2.
2 试验台的改进
原有试验台于2007 年搭建,距今将近十年,原有板式换热器种类太过单一,已不能满足实验教学的要求,为了提高教学在已有的试验台基础上,多增设了套管式换热器和钎焊式板式换热器.原有的板式换热系统不变,冷源及系统保持不变,新增换热器管路与其管路并联放置.改进后的试验台可以同时实现对不同类型换热器、不同工况下的换热性能进行实验,具体见图3 和图4.
套管式换热器是工业生产和民用设备中使用较多的换热器之一,其结构简单,适用于高温、高压流体,特别是小容量流体的传热.另外,只要做成内管可以抽出的套管,就可清除污垢,所以它也使用于易生污垢的流体.然而其缺点是流动阻力大；金属消耗量多；管间接头较多,易发生泄露；而且体积大,占地面积大,故多用于传热面积不大的换热器.套管式换热器是将不同直径的两根管子套成的同心套管作为元件、然后把多个元件加以连接而成的一种换热器,工作时两种流体以纯顺流或纯逆流方式流动[11-13].
钎焊式板式换热器是一种非密封式板式换热器,采用特殊焊接技术,将各板片相互嵌套焊接起来,摆脱了普通板式换热器橡胶垫有限耐温、耐压的束缚.钎焊式板式换热器具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、操作维修方便等优点,并具有处理小温差的能力,与普通换热器相比,其换热效率是普通板换的2-3 倍.钎焊板式换热器作为一高效节能产品,是加热、冷却领域中最新型的设备之一,已广泛应用于各个工业领域[14-15].
新增的管路采用的是套管式换热器和钎焊板式换热器,且对增加换热器的进出口温度及压力进行了监测,将新增管路系统并入MCGS 软件平台,进行实时数据的监控.原有的板式换热器、冷源系统及其他附属设备保持不变.
3 两种板式换热性能案例分析
改进后的试验台本主要用于分析不同换热器的换热性能,虽然钎焊式板式换热器是板式换热器的一种,但是其换热性能与普通板式换热性能有较大差异.因此,通过具体的实验数据,分析两种板式换热器的换热特性.
3.1 实验过程介绍
因两种换热器在试验台是并联形式,所以分别对进行实验,每个实验通过冷水侧水流量的改变,均做4 个工况.四种工况下冷侧流量逐渐加大,流速也越来越大.实验中测试参数有：冷热流体的体积流量；冷热流体的进出库温度；冷热流体进出口压力和压力降等参数,参数的测试与原来实验基本一致.
实验开始前检查设备管线和测量仪表的完好性；按照电控箱电控原理图要求接通电源线,打开电源总开关,开启设备,检查系统完好性；设置热水加热温度,热水循环后,开启电加热器开关和流量计开关,使热水加热温度处于一个稳定的范围；然后打开冷水泵,让冷水处于循环状态,将冷水侧流量从小到大调节4 个工况；每调节一次冷水侧流量,记录冷热流体进出口的温度、压力和流量.
3.2 实验数据计算及分析
由图5 可知,普通板式换热器换热系数随冷侧流速的增加而增强,同时冷、热侧的阻力也相应地增大.而钎焊板式换热器的换热性能,冷侧压力降随速度的变化而降低,热侧的几乎保持不变,具体见图6.
两种换热器虽然都是板式,但是由于工艺做法的不同,换热能力差异较大,钎焊板式换热器换热面积远小于普通板式换热器的,但两者的换热量产不多,且钎焊板式的热量损失较小.因此,钎焊板式换热器换热性能较好.
4 结语
在实验过程中加入不同的换热器产品,让学生了解到更多换热器性能,是当前教学的迫切需要.利用MCGS 工控组态软件制作了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,也提高了教学质量.换热器实验台的综合改造与优化是现代化信息技术的发展的要求.不同类型换热器的性能实验数据的分析,不仅要求学生具备热能工程领域的专业知识,而且还有助于学生了解更多的基本知识.
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