李群松

摘 要：結(jié)合CAT技術(shù)，研制了一套對換熱器在不同工況下的傳熱系數(shù)的測定試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)采用流態(tài)化球顆粒對換熱器進(jìn)行強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗防垢測試，并利用計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)作為控制反饋各個(gè)工藝參數(shù)，如：進(jìn)出口流量、球顆粒濃度、液面高度、結(jié)晶物排放時(shí)間等等，使得換熱器始終保持在良好的工作狀態(tài)下運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)可行，具有極大的研究及工程應(yīng)用價(jià)值。

中圖分類號(hào)：TK229 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（a）-0017-02

換熱器的強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注，研究表明，傳熱面流態(tài)化球顆粒在換熱管內(nèi)存在高速滾動(dòng)和相對換熱管壁面的滑動(dòng)，該種合成運(yùn)動(dòng)能對邊界層進(jìn)行直接攪混強(qiáng)化了傳熱，同時(shí)也對換熱管進(jìn)行了有效的清洗[1-4]。

文章針對結(jié)晶蒸發(fā)設(shè)備，設(shè)計(jì)了一試驗(yàn)臺(tái)。綜合采用了CAT技術(shù)及流態(tài)化球顆粒自動(dòng)清洗及強(qiáng)化傳熱技術(shù)，使其可以按既可以按要求自動(dòng)控制其工藝過程，如：進(jìn)料及出料、結(jié)晶物排出時(shí)間等等，又能自動(dòng)控制換熱管清洗的時(shí)間，使得設(shè)備始終保持在良好的工況下運(yùn)行。通過該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對流傳熱系數(shù)的測定，目前，國內(nèi)外還未見此類報(bào)道。

1 基本原理

試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。母液從進(jìn)口管1進(jìn)入蒸發(fā)器，均勻的進(jìn)入換熱管2，加熱蒸汽從管3進(jìn)入殼程，冷凝水從管4出口，底部5為電加熱室，二次蒸汽由羅茨風(fēng)機(jī)引出。操作時(shí)應(yīng)保證管板上始終有3～5 mm的液面高度，羅茨風(fēng)機(jī)液封面必須保證，有最低液面要求（見圖1最低液面指示線7）。底部結(jié)晶物高度達(dá)到指定高度時(shí)自動(dòng)排放。當(dāng)傳熱系數(shù)將至某一值時(shí)自動(dòng)開啟粒子流閥門，球顆粒從頂部進(jìn)口管6均勻的進(jìn)入換熱管，球顆粒在換熱管中作高速滾動(dòng)，并沿著換熱管壁面作小速度滑動(dòng)。

在該裝置中需要控制的參數(shù)：（1）蒸汽進(jìn)口溫度。（2）冷凝水出口溫度。（3）羅茨風(fēng)機(jī)液封高度（最高與最低）。（4）結(jié)晶體高度。（5）結(jié)晶體排放時(shí)間。（6）傳熱系數(shù)k。（7）球顆粒開啟閥門控制。（8）球顆粒回收控制。各個(gè)參數(shù)的控制通過不同類型的傳感器進(jìn)行。各傳感器將數(shù)據(jù)采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)信號(hào)。

2 參數(shù)控制與處理（測控系統(tǒng)）

2.1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAT的任務(wù)就是運(yùn)用智能檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)來測試和調(diào)控傳熱系統(tǒng)的性能。在此過程中，計(jì)算機(jī)的任務(wù)是：調(diào)節(jié)和控制傳熱參數(shù)，如各進(jìn)出口溫度、壓力、流量等;采集試驗(yàn)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理;試驗(yàn)結(jié)果顯示、打印、繪圖，從而實(shí)現(xiàn)傳熱系統(tǒng)測試過程的全過程自動(dòng)化。它具有程序自動(dòng)控制和人工控制兩種信號(hào)輸入方式，采用這種模式的傳熱CAT系統(tǒng)，能夠通過交互作用對系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)性能優(yōu)越，測試精度高。

2.2 傳感器

傳熱CAT系統(tǒng)涉及了溫度、流量、壓力和液面的檢測，要求各傳感器具有防腐和隔爆功能。

2.3 控制執(zhí)行器

循環(huán)結(jié)晶槽結(jié)晶沉降料位控制采用電動(dòng)球型開關(guān)閥BQ41F。出于節(jié)能考慮，循環(huán)結(jié)晶槽液面控制擯棄了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥控制回流的控制手段，采用了變頻控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了西門子公司MicroMaster430變頻器。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）負(fù)責(zé)從傳感器自動(dòng)采集電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析和處理。并輸出控制信號(hào)給執(zhí)行結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺(tái)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。傳熱CAT系統(tǒng)采用了NI公司的PCI6220數(shù)據(jù)采集卡，通過PCI總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。

2.5 抗干擾措施

為了保證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，良好的接地系統(tǒng)是必不可少的，不僅供電系統(tǒng)要有良好的接地，更重要的是要為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)埋設(shè)專門的接地點(diǎn)，敷設(shè)專門的接地線。本測試系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地。

2.6 傳熱系數(shù)的反饋與控制

傳熱系數(shù)K的測定是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，我們不能直接在儀表上得到它，需要進(jìn)行一系列的計(jì)算，準(zhǔn)確的得出與各個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)式，利用LabVIEW在計(jì)算機(jī)上數(shù)顯出傳熱系數(shù)的大小。并且還要通過它反饋控制其他的參數(shù)，如閥門的開啟、液位的控制等到。

傳熱系數(shù)K的計(jì)算基本方程式為：

其中 K為總傳熱系數(shù)，W/（m2.K）;

S為傳熱面積為設(shè)備常數(shù)，按規(guī)定須以傳熱管外徑面積計(jì)算，m2;

Q為傳熱的熱功率，W。其值采用冷卻水通過傳熱管得到的熱功率的實(shí)測值，計(jì)算式為由于冷卻水的進(jìn)出口溫度相差不大，一般只有3℃左右，有時(shí)甚至只有1℃，成為傳熱系數(shù)K測量精度的控制因素。為此建議直接測量兩者的溫差。

式中的V為冷卻水的體積流量，;

為冷卻水的密度，kg/m3;

為冷卻水的比熱，J/（kg.K）;

為傳熱管內(nèi)冷卻水的進(jìn)出口溫度，℃;

為傳熱溫差，℃。由于冷卻水的進(jìn)出口溫度相差不大，因此，對數(shù)平均溫度可以用算數(shù)平均溫度代替，并且誤差很小。因此，有：

為加熱蒸汽的溫度，℃。

因此，與直接測量參數(shù)相關(guān)的傳熱系數(shù)計(jì)算式為：

雖然系數(shù)在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中為常數(shù)，但是對不同物料的實(shí)驗(yàn)卻不是常數(shù)，因此，要求數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有兩個(gè)參數(shù)可以人工修改。

3 強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗試驗(yàn)

3.1 測試平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

利用該裝置進(jìn)行一系列試驗(yàn)，得到無顆粒摻入流體及有顆粒（體積比例為2%）摻入的強(qiáng)化傳熱對比圖。顯然，采用流態(tài)化球顆粒強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗效果非常明顯，其強(qiáng)化傳熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的其他管內(nèi)插入件。（見圖2）

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

簡化試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用FLUENT及其組合軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬得到圖3、圖4。

數(shù)值模擬結(jié)果與測試系統(tǒng)的測試結(jié)果比較吻合，說明裝置的設(shè)計(jì)是合理、有效的。

4 結(jié)論

（1）流態(tài)化固體顆粒流對傳熱面強(qiáng)化傳熱效果明顯。

（2）利用該試驗(yàn)裝置能較準(zhǔn)確的測定傳熱面的傳熱系數(shù)，測試數(shù)據(jù)是有效的，為相關(guān)研究提供了很好的試驗(yàn)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 溫娟，丁京偉，齊承英，等.壁面擾流影響邊界層湍流擬序結(jié)構(gòu)及強(qiáng)化傳熱機(jī)理的研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38（3）.

[2] 彭德其，支校衡，俞秀民.管口沖推塑料螺旋線自轉(zhuǎn)清洗防垢及其傳熱強(qiáng)化[J].礦機(jī)械，2005（9）：29-31.

[3] Deqi PENG，XiaoHeng ZHI， XiuMin YU，et al.Research on vertical water-cooled condensers of fluidized-bed of internal circulation with bubble cap plate[J].The 3rd International Symposium On Heat Transfer Enhancement And Energy Conservation，2004：880-884.

[4] 俞天蘭，彭德其，俞秀民，等.汽輪機(jī)冷凝器自轉(zhuǎn)塑料紐帶自動(dòng)在線連續(xù)除垢防垢技術(shù)研究[J].現(xiàn)代化工，2002（6）：44-46.

摘 要：結(jié)合CAT技術(shù)，研制了一套對換熱器在不同工況下的傳熱系數(shù)的測定試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)采用流態(tài)化球顆粒對換熱器進(jìn)行強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗防垢測試，并利用計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)作為控制反饋各個(gè)工藝參數(shù)，如：進(jìn)出口流量、球顆粒濃度、液面高度、結(jié)晶物排放時(shí)間等等，使得換熱器始終保持在良好的工作狀態(tài)下運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)可行，具有極大的研究及工程應(yīng)用價(jià)值。

中圖分類號(hào)：TK229 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（a）-0017-02

換熱器的強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注，研究表明，傳熱面流態(tài)化球顆粒在換熱管內(nèi)存在高速滾動(dòng)和相對換熱管壁面的滑動(dòng)，該種合成運(yùn)動(dòng)能對邊界層進(jìn)行直接攪混強(qiáng)化了傳熱，同時(shí)也對換熱管進(jìn)行了有效的清洗[1-4]。

文章針對結(jié)晶蒸發(fā)設(shè)備，設(shè)計(jì)了一試驗(yàn)臺(tái)。綜合采用了CAT技術(shù)及流態(tài)化球顆粒自動(dòng)清洗及強(qiáng)化傳熱技術(shù)，使其可以按既可以按要求自動(dòng)控制其工藝過程，如：進(jìn)料及出料、結(jié)晶物排出時(shí)間等等，又能自動(dòng)控制換熱管清洗的時(shí)間，使得設(shè)備始終保持在良好的工況下運(yùn)行。通過該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對流傳熱系數(shù)的測定，目前，國內(nèi)外還未見此類報(bào)道。

1 基本原理

試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。母液從進(jìn)口管1進(jìn)入蒸發(fā)器，均勻的進(jìn)入換熱管2，加熱蒸汽從管3進(jìn)入殼程，冷凝水從管4出口，底部5為電加熱室，二次蒸汽由羅茨風(fēng)機(jī)引出。操作時(shí)應(yīng)保證管板上始終有3～5 mm的液面高度，羅茨風(fēng)機(jī)液封面必須保證，有最低液面要求（見圖1最低液面指示線7）。底部結(jié)晶物高度達(dá)到指定高度時(shí)自動(dòng)排放。當(dāng)傳熱系數(shù)將至某一值時(shí)自動(dòng)開啟粒子流閥門，球顆粒從頂部進(jìn)口管6均勻的進(jìn)入換熱管，球顆粒在換熱管中作高速滾動(dòng)，并沿著換熱管壁面作小速度滑動(dòng)。

在該裝置中需要控制的參數(shù)：（1）蒸汽進(jìn)口溫度。（2）冷凝水出口溫度。（3）羅茨風(fēng)機(jī)液封高度（最高與最低）。（4）結(jié)晶體高度。（5）結(jié)晶體排放時(shí)間。（6）傳熱系數(shù)k。（7）球顆粒開啟閥門控制。（8）球顆?；厥湛刂?。各個(gè)參數(shù)的控制通過不同類型的傳感器進(jìn)行。各傳感器將數(shù)據(jù)采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)信號(hào)。

2 參數(shù)控制與處理（測控系統(tǒng)）

2.1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAT的任務(wù)就是運(yùn)用智能檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)來測試和調(diào)控傳熱系統(tǒng)的性能。在此過程中，計(jì)算機(jī)的任務(wù)是：調(diào)節(jié)和控制傳熱參數(shù)，如各進(jìn)出口溫度、壓力、流量等;采集試驗(yàn)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理;試驗(yàn)結(jié)果顯示、打印、繪圖，從而實(shí)現(xiàn)傳熱系統(tǒng)測試過程的全過程自動(dòng)化。它具有程序自動(dòng)控制和人工控制兩種信號(hào)輸入方式，采用這種模式的傳熱CAT系統(tǒng)，能夠通過交互作用對系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)性能優(yōu)越，測試精度高。

2.2 傳感器

傳熱CAT系統(tǒng)涉及了溫度、流量、壓力和液面的檢測，要求各傳感器具有防腐和隔爆功能。

2.3 控制執(zhí)行器

循環(huán)結(jié)晶槽結(jié)晶沉降料位控制采用電動(dòng)球型開關(guān)閥BQ41F。出于節(jié)能考慮，循環(huán)結(jié)晶槽液面控制擯棄了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥控制回流的控制手段，采用了變頻控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了西門子公司MicroMaster430變頻器。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）負(fù)責(zé)從傳感器自動(dòng)采集電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析和處理。并輸出控制信號(hào)給執(zhí)行結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺(tái)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。傳熱CAT系統(tǒng)采用了NI公司的PCI6220數(shù)據(jù)采集卡，通過PCI總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。

2.5 抗干擾措施

為了保證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，良好的接地系統(tǒng)是必不可少的，不僅供電系統(tǒng)要有良好的接地，更重要的是要為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)埋設(shè)專門的接地點(diǎn)，敷設(shè)專門的接地線。本測試系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地。

2.6 傳熱系數(shù)的反饋與控制

傳熱系數(shù)K的測定是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，我們不能直接在儀表上得到它，需要進(jìn)行一系列的計(jì)算，準(zhǔn)確的得出與各個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)式，利用LabVIEW在計(jì)算機(jī)上數(shù)顯出傳熱系數(shù)的大小。并且還要通過它反饋控制其他的參數(shù)，如閥門的開啟、液位的控制等到。

傳熱系數(shù)K的計(jì)算基本方程式為：

其中 K為總傳熱系數(shù)，W/（m2.K）;

S為傳熱面積為設(shè)備常數(shù)，按規(guī)定須以傳熱管外徑面積計(jì)算，m2;

Q為傳熱的熱功率，W。其值采用冷卻水通過傳熱管得到的熱功率的實(shí)測值，計(jì)算式為由于冷卻水的進(jìn)出口溫度相差不大，一般只有3℃左右，有時(shí)甚至只有1℃，成為傳熱系數(shù)K測量精度的控制因素。為此建議直接測量兩者的溫差。

式中的V為冷卻水的體積流量，;

為冷卻水的密度，kg/m3;

為冷卻水的比熱，J/（kg.K）;

為傳熱管內(nèi)冷卻水的進(jìn)出口溫度，℃;

為傳熱溫差，℃。由于冷卻水的進(jìn)出口溫度相差不大，因此，對數(shù)平均溫度可以用算數(shù)平均溫度代替，并且誤差很小。因此，有：

為加熱蒸汽的溫度，℃。

因此，與直接測量參數(shù)相關(guān)的傳熱系數(shù)計(jì)算式為：

雖然系數(shù)在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中為常數(shù)，但是對不同物料的實(shí)驗(yàn)卻不是常數(shù)，因此，要求數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有兩個(gè)參數(shù)可以人工修改。

3 強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗試驗(yàn)

3.1 測試平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

利用該裝置進(jìn)行一系列試驗(yàn)，得到無顆粒摻入流體及有顆粒（體積比例為2%）摻入的強(qiáng)化傳熱對比圖。顯然，采用流態(tài)化球顆粒強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗效果非常明顯，其強(qiáng)化傳熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的其他管內(nèi)插入件。（見圖2）

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

簡化試驗(yàn)?zāi)Ｐ停肍LUENT及其組合軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬得到圖3、圖4。

數(shù)值模擬結(jié)果與測試系統(tǒng)的測試結(jié)果比較吻合，說明裝置的設(shè)計(jì)是合理、有效的。

4 結(jié)論

（1）流態(tài)化固體顆粒流對傳熱面強(qiáng)化傳熱效果明顯。

（2）利用該試驗(yàn)裝置能較準(zhǔn)確的測定傳熱面的傳熱系數(shù)，測試數(shù)據(jù)是有效的，為相關(guān)研究提供了很好的試驗(yàn)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 溫娟，丁京偉，齊承英，等.壁面擾流影響邊界層湍流擬序結(jié)構(gòu)及強(qiáng)化傳熱機(jī)理的研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38（3）.

[2] 彭德其，支校衡，俞秀民.管口沖推塑料螺旋線自轉(zhuǎn)清洗防垢及其傳熱強(qiáng)化[J].礦機(jī)械，2005（9）：29-31.

[3] Deqi PENG，XiaoHeng ZHI， XiuMin YU，et al.Research on vertical water-cooled condensers of fluidized-bed of internal circulation with bubble cap plate[J].The 3rd International Symposium On Heat Transfer Enhancement And Energy Conservation，2004：880-884.

[4] 俞天蘭，彭德其，俞秀民，等.汽輪機(jī)冷凝器自轉(zhuǎn)塑料紐帶自動(dòng)在線連續(xù)除垢防垢技術(shù)研究[J].現(xiàn)代化工，2002（6）：44-46.

摘 要：結(jié)合CAT技術(shù)，研制了一套對換熱器在不同工況下的傳熱系數(shù)的測定試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)采用流態(tài)化球顆粒對換熱器進(jìn)行強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗防垢測試，并利用計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)作為控制反饋各個(gè)工藝參數(shù)，如：進(jìn)出口流量、球顆粒濃度、液面高度、結(jié)晶物排放時(shí)間等等，使得換熱器始終保持在良好的工作狀態(tài)下運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)可行，具有極大的研究及工程應(yīng)用價(jià)值。

中圖分類號(hào)：TK229 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（a）-0017-02

換熱器的強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注，研究表明，傳熱面流態(tài)化球顆粒在換熱管內(nèi)存在高速滾動(dòng)和相對換熱管壁面的滑動(dòng)，該種合成運(yùn)動(dòng)能對邊界層進(jìn)行直接攪混強(qiáng)化了傳熱，同時(shí)也對換熱管進(jìn)行了有效的清洗[1-4]。

文章針對結(jié)晶蒸發(fā)設(shè)備，設(shè)計(jì)了一試驗(yàn)臺(tái)。綜合采用了CAT技術(shù)及流態(tài)化球顆粒自動(dòng)清洗及強(qiáng)化傳熱技術(shù)，使其可以按既可以按要求自動(dòng)控制其工藝過程，如：進(jìn)料及出料、結(jié)晶物排出時(shí)間等等，又能自動(dòng)控制換熱管清洗的時(shí)間，使得設(shè)備始終保持在良好的工況下運(yùn)行。通過該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對流傳熱系數(shù)的測定，目前，國內(nèi)外還未見此類報(bào)道。

1 基本原理

試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。母液從進(jìn)口管1進(jìn)入蒸發(fā)器，均勻的進(jìn)入換熱管2，加熱蒸汽從管3進(jìn)入殼程，冷凝水從管4出口，底部5為電加熱室，二次蒸汽由羅茨風(fēng)機(jī)引出。操作時(shí)應(yīng)保證管板上始終有3～5 mm的液面高度，羅茨風(fēng)機(jī)液封面必須保證，有最低液面要求（見圖1最低液面指示線7）。底部結(jié)晶物高度達(dá)到指定高度時(shí)自動(dòng)排放。當(dāng)傳熱系數(shù)將至某一值時(shí)自動(dòng)開啟粒子流閥門，球顆粒從頂部進(jìn)口管6均勻的進(jìn)入換熱管，球顆粒在換熱管中作高速滾動(dòng)，并沿著換熱管壁面作小速度滑動(dòng)。

在該裝置中需要控制的參數(shù)：（1）蒸汽進(jìn)口溫度。（2）冷凝水出口溫度。（3）羅茨風(fēng)機(jī)液封高度（最高與最低）。（4）結(jié)晶體高度。（5）結(jié)晶體排放時(shí)間。（6）傳熱系數(shù)k。（7）球顆粒開啟閥門控制。（8）球顆?；厥湛刂?。各個(gè)參數(shù)的控制通過不同類型的傳感器進(jìn)行。各傳感器將數(shù)據(jù)采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)信號(hào)。

2 參數(shù)控制與處理（測控系統(tǒng)）

2.1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAT的任務(wù)就是運(yùn)用智能檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)來測試和調(diào)控傳熱系統(tǒng)的性能。在此過程中，計(jì)算機(jī)的任務(wù)是：調(diào)節(jié)和控制傳熱參數(shù)，如各進(jìn)出口溫度、壓力、流量等;采集試驗(yàn)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理;試驗(yàn)結(jié)果顯示、打印、繪圖，從而實(shí)現(xiàn)傳熱系統(tǒng)測試過程的全過程自動(dòng)化。它具有程序自動(dòng)控制和人工控制兩種信號(hào)輸入方式，采用這種模式的傳熱CAT系統(tǒng)，能夠通過交互作用對系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)性能優(yōu)越，測試精度高。

2.2 傳感器

傳熱CAT系統(tǒng)涉及了溫度、流量、壓力和液面的檢測，要求各傳感器具有防腐和隔爆功能。

2.3 控制執(zhí)行器

循環(huán)結(jié)晶槽結(jié)晶沉降料位控制采用電動(dòng)球型開關(guān)閥BQ41F。出于節(jié)能考慮，循環(huán)結(jié)晶槽液面控制擯棄了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥控制回流的控制手段，采用了變頻控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了西門子公司MicroMaster430變頻器。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）負(fù)責(zé)從傳感器自動(dòng)采集電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析和處理。并輸出控制信號(hào)給執(zhí)行結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺(tái)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。傳熱CAT系統(tǒng)采用了NI公司的PCI6220數(shù)據(jù)采集卡，通過PCI總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。

2.5 抗干擾措施

為了保證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，良好的接地系統(tǒng)是必不可少的，不僅供電系統(tǒng)要有良好的接地，更重要的是要為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)埋設(shè)專門的接地點(diǎn)，敷設(shè)專門的接地線。本測試系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地。

2.6 傳熱系數(shù)的反饋與控制

傳熱系數(shù)K的測定是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，我們不能直接在儀表上得到它，需要進(jìn)行一系列的計(jì)算，準(zhǔn)確的得出與各個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)式，利用LabVIEW在計(jì)算機(jī)上數(shù)顯出傳熱系數(shù)的大小。并且還要通過它反饋控制其他的參數(shù)，如閥門的開啟、液位的控制等到。

傳熱系數(shù)K的計(jì)算基本方程式為：

其中 K為總傳熱系數(shù)，W/（m2.K）;

S為傳熱面積為設(shè)備常數(shù)，按規(guī)定須以傳熱管外徑面積計(jì)算，m2;

Q為傳熱的熱功率，W。其值采用冷卻水通過傳熱管得到的熱功率的實(shí)測值，計(jì)算式為由于冷卻水的進(jìn)出口溫度相差不大，一般只有3℃左右，有時(shí)甚至只有1℃，成為傳熱系數(shù)K測量精度的控制因素。為此建議直接測量兩者的溫差。

式中的V為冷卻水的體積流量，;

為冷卻水的密度，kg/m3;

為冷卻水的比熱，J/（kg.K）;

為傳熱管內(nèi)冷卻水的進(jìn)出口溫度，℃;

為傳熱溫差，℃。由于冷卻水的進(jìn)出口溫度相差不大，因此，對數(shù)平均溫度可以用算數(shù)平均溫度代替，并且誤差很小。因此，有：

為加熱蒸汽的溫度，℃。

因此，與直接測量參數(shù)相關(guān)的傳熱系數(shù)計(jì)算式為：

雖然系數(shù)在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中為常數(shù)，但是對不同物料的實(shí)驗(yàn)卻不是常數(shù)，因此，要求數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有兩個(gè)參數(shù)可以人工修改。

3 強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗試驗(yàn)

3.1 測試平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

利用該裝置進(jìn)行一系列試驗(yàn)，得到無顆粒摻入流體及有顆粒（體積比例為2%）摻入的強(qiáng)化傳熱對比圖。顯然，采用流態(tài)化球顆粒強(qiáng)化傳熱及自動(dòng)清洗效果非常明顯，其強(qiáng)化傳熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)的其他管內(nèi)插入件。（見圖2）

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

簡化試驗(yàn)?zāi)Ｐ停肍LUENT及其組合軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬得到圖3、圖4。

數(shù)值模擬結(jié)果與測試系統(tǒng)的測試結(jié)果比較吻合，說明裝置的設(shè)計(jì)是合理、有效的。

4 結(jié)論

（1）流態(tài)化固體顆粒流對傳熱面強(qiáng)化傳熱效果明顯。

（2）利用該試驗(yàn)裝置能較準(zhǔn)確的測定傳熱面的傳熱系數(shù)，測試數(shù)據(jù)是有效的，為相關(guān)研究提供了很好的試驗(yàn)平臺(tái)。

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