综合实验台实验指导书

过程装备与控制工程多功能综合实验台实验指导书V3.0北京化工大学机电工程学院前言化工设备与机械专业是工科高校的一个传统专业，曾培养出了许多优秀的专业技术人才，为国家的经济建设，特别是石油化学工业的建设和发展作出了突出贡献。随着改革开放的深入、工业结构的调整、新知识、新技术不断涌现，需要对传统的化工设备与机械专业进行改革，为此，从1999级起，全国“化工设备与机械”专业改为“过程装备与控制工程”专业，并增设了有关控制方面的课程，其目的是向21世纪培养知识面广、创新能力强、综合素质高的大学生。为达到这一目的，专业实验的内容也必须进行相应改革。为适应“过程装备与控制工程”专业对本科生的培养要求，专业实验的改革应遵循拓宽学生知识面、提高学生动手能力和创新能力的原则。为此我们在北京化工大学和北京市教委支持下，在原化工设备与机械专业实验的基础上，结合新专业的特点，研制开发了过程设备与控制多功能综合实验台。这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，还为包括换热器的结构设计、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。实验台在硬件和软件方面涉及到了变频控制技术；压力、温度、流量、转速及转矩的测试技术；微机数据采集技术；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综合实验装置。本实验指导书是针对过程设备与控制多功能综合实验台所开设的十几个本科教学实验编写的。在编写过程中姚琳、魏冬雪、张伟等同学先后参加了部分计算和编程工作，在此表示感谢。由于编者水平有限，编写时间仓促，书中难免存在不少缺点和错误，热忱希望广大教师和同学在使用中批评指正。编者2010年3月实2目录1过程设备与控制多功能综合实验台简介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实验二离心泵汽蚀性能测定实验实验三调节阀流量特性实验实验四换热器换热性能实验实验五流体传热系数测定实验实验六换热器管程和壳程压力降测定实验实验七换热器壳体应力测定实验实验八离心泵压力控制实验实验九离心泵流量控制实验实验十换热器串级温度控制实验3计算示例3.1离心泵扬程、轴功率及效率的计算示例3.2换热器壳体应力的实验测定和理论计算3.3热量Qt和热损失ΔQ的计算示例3.4总传热系数K的计算示例3.5换热器管程、壳程压力降计算4计算机数字直接控制DDC控制算法说明4.1模糊算法模块程序说明4.2数字PID控制算法程序说明31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。4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。11——控制台；12——YI-33静态应变仪。5图2过程设备与控制多功能综合实验台操作面板图11-1——管程出口温度显示T2；11-2——冷水泵流量显示qv1；11-3——流量自动/手动调节按钮，弹起时为手动，按下后为自动；11-4——冷水泵出口压力显示P2；11-5——压力自动/手动调节按钮，弹起时为手动，按下后为自动；11-6——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）；11-7——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；11-8——压力调节旋钮（调节冷水泵的转速）；11-9——流量调节旋钮（调节电动调节阀的开度）；11-10——冷水泵关闭按钮；11-11——冷水泵启动按钮；11-12——循环泵开关按钮，顺时针转为开启，逆时针转为关闭；11-13——热水泵开关按钮，顺时针转为开启，逆时针转为关闭；11-14——总控制开关，顺时针转为开启，逆时针转为关闭。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。12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-qv）曲线；轴功率—流量（N-qv）曲线及泵效率—流量（η-qv）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：22()2outinoutinoutinppccHZZgg（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；2310/invincqA2=/4ininAd,m2outc——离心泵出口压力测量点处管内水的水的流速，m/s；310/outvoutcqA2=/4outoutAd,m2inZ——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，=10003/mkg；g——重力加速度，9.812/sm。在本实验装置中，0outinZZ，泵进口压力测量点处管内径din=32mm，泵出口压力测量点处管内径dout=25mm。2．功率测定（1）轴功率N9554nMNkW（1-2）式中：M——转矩，N﹒mn——泵转速，r/min.（2）有效功率Ne1000veHqgNkW（1-3）式中：qv——流量，sm/33．效率η%100NNe（1-4）4.比例定律qvnqvn（1-5）2()HnHn（1-6）3()NnNn（1-7）式中：n—离心泵的额定转速n′—离心泵的实测转速qv、H、N—离心泵在额定转速下的流量、扬程和功率qv′、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31．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“11-7”旋向“工频”，选择工频运转方式，然后按下水泵启动按钮“11-11”，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0.5L/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“11-10”，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qv′(L/s)泵进口压力Pin(MPa)泵出口压力Pout(MPa)转矩M(N·m)转速n(r.p.m.)1234567项目次数4表1-2实验计算结果流量qv′(L/s)扬程H′(m)轴功率N′(kW)有效功率eN(kW)效率η（%）1234567表1-3离心泵在额定转速下的实验结果流量qv(L/s)扬程H(m)轴功率N(kW)效率η（%）1234567七、实验报告要求1．简述实验原理、实验步骤，计算各工况下的实验结果。2．绘制H-qv、N-qv、η-qv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5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（NPSHr-qv）；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-qv）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-qv）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NPSHa，绘制离心泵必需的汽蚀余量性能-流量曲线（NPSHr-qv）。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pk。若pk小于液体温度下的饱和蒸汽压pv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6泡在叶轮壁面附近溃灭