第1章绪论1.1 课题背景与意义换热设备污垢的形成过程是一个极其复杂的能量、质量和动量传递的物理化学过程，污垢的存在给广泛应用于各工业企业的换热设备造成极大的经济损失，因而污垢问题成为传热学界和工业界十分关注而又至今未能解决的难题之一。

1.1.1目的针对“应用技术主导型”普通工科高等教育的特点，从工程创新的理念出发，以工程思维模式为主，旨在培养突出“实践能力、创新意识和创业精神”特色的、适应当前经济社会发展需要的“工程应用型人才”。

通过在模拟的实战环境中系统锻炼，使学生的学习能力、思维能力、动手能力、工程创新能力和承受挫折能力都得到综合提高。

以增强就业竞争力和工作适应力。

以多功能动态实验装置为对象，成此换热设备污垢的实验装置所需检测参数的检测。

1.2污垢的研究换热设备污垢的形成过程是一个极其复杂的能量、质量和动量传递的物理化学过程，污垢的存在给广泛应用于各工业企业的换热设备造成极大的经济损失，因而污垢问题成为传热学界和工业界十分关注而又至今未能解决的难题之一。

1.2.1污垢的形成和现状近10年来，基于污垢形成机理认识的逐步深入，污垢的预测和模拟都取得了明显进展。

然而换热设备污垢形成的影响因素众多，是在动量、能量、质量传递以及生物活动同时存在的多相、多组分流动过程中进行的，其理论基础除传热传质学外，还涉及到化学动力学、流体力学、胶体化学、热力学与统计物理、微生物学、非线性科学以及表面科学等相关学科，是一个典型的多学科交叉的高度复杂问题，因而对其机理的清晰理解和准确把握仍是一项极为艰巨的任务。

在20世纪80年代中Epstein曾以矩阵形式对污垢形成过程的理论分析和实验研究作了形象的概括，指出了发展趋势；Pinhero则比较了当时已有的各预测模型，找出其共同点，为建立一个通用模型做了十分有意义的工作；而且，Melo也对这期间的进展做了出色的概括和评述。

虽然已取得的成就令人欣慰，但现离预期目标仍然相当遥远！进入20世纪90年代以后，寻求对污垢形成机理的理解，定量预测污垢增长率，为换热设备的设计者和运行人员提供一个可信而适用的预测模型的努力仍然历艰而弥坚，涌现出了不少有意义的成果。

污垢形成的五个阶段（起始，输运，附着，老化，剥蚀）中，输运、附着、剥蚀相对研究得比较深入。

单类污垢简单可分成以下几种类型：腐蚀污垢与混合污垢、析晶污垢、颗粒污垢、化学反应污垢、生物污垢、凝固污垢等。

20世纪70年代，特别是80年代后期以来的能源危机，伴随着资源利用效率和环境要求的不断提高，“污垢研究一直没能得到足够关注”的状况开始有所转变。

进入20世纪90年代以后，污垢研究在其他相关学科的发展特别是计算机应用技术飞速发展的推动下，借助国际合作研究的良好氛围，在预测、监测和对策三个发展方向上都蓬勃开展起来。

第2章污垢的监测2.1 监测方法按对沉积物的监测手段分有：热学法和非传热量的污垢监测法。

热学法中又可分为热阻表示法和温差表示法两种；非传热量的污垢监测法又有直接称重法、厚度测量法、压降测量法、放射性技术、时间推移电影法、显微照相法、电解法和化学法。

这些监测方法中，对换热设备而言，最直接而且与换热设备性能联系最密切的莫过于热学法。

这里简单介绍污垢监测的热学法中的污垢热阻法。

2.1.1监测原理表示换热面上污垢沉积量的特征参数有：单位面积上的污垢沉积质量mf，污垢层平均厚度δf 和污垢热阻Rf。

这三者之间的关系由下式表示：ffffffmRδλλρ1==(1)通常测量污垢热阻的原理如下：设传热过程是在热流密度q 为常数情况下进行的，图2.1（a ）为换热面两侧处于清洁状态下的温度分布，其总的传热热阻为：c w c c R R R U 21/1++= (2)图2.1（b ）为两侧有污垢时的温度分布，其总传热热阻为f f w f f f R R R R R U 2211/1++++= (3)如果假定换热面上污垢的积聚对壁面与流体的对流传热系数影响不大，则可认为f c f c R R R R 2211,==。

于是从式(3)减去式(2)得：cf f f U U R R 1121-=+ （4） 式(4)表明污垢热阻可以通过清洁状态和受污染状态下总传热系数的测量而间接测量出来。

实验研究或实际生产则常常要求测量局部污垢热阻，这可通过测量所要求部位的壁温表示。

为明晰起见，假定换热面只有一侧有污垢存在，则有：q T T R R R U b c s c w c c /)(/1,121-=++= （5） q T T R R R R U b f s f f w c f /)(/1,121-=+++= （6）若在结垢过程中，q 、Tb 均得持不变，且同样假定f c R R 22=，则两式相减有：q T T R c s f s f /)(,1,1-= (7)这样，换热面有垢一侧的污垢热阻可以通过测量清洁状态和污染状态下的壁温和热流而被间接测量出来。

式中：f m ——单位面积上污垢沉积质量f δ——污垢沉积厚度 f λ——污垢的导热系数f R ——污垢热阻c R 1——结垢前管外介质与管壁的对流换热热阻w R ——管壁的导热热阻c R 2——结垢前管壁与管内介质的对流换热热阻c U /1——结垢前总的传热热阻f U /1——结垢后总的传热热阻f R 1——结垢后管外介质与管壁外污垢的对流换热热阻1f R ——结垢后管壁外污垢的导热热阻2f R ——结垢后管壁内污垢的导热热阻f R 2——结垢后管壁内污垢与管内介质的对流换热热阻c s T ,1——结垢前外管壁温度 f s T ,1——仅管内结垢后外管壁温度 b T ——结垢前后管内表面温度q ——热流密度:单位面积的截面内单位时间通过的热量2.1.2 监测装置如图 2.2所示的实验装置是东北电力大学节能与测控研究中心杨善让教授课题组基于测量新技术—软测量技术开发的多功能实验装置。

图2.2多功能动态模拟实验装置外形图本实验装置的模拟换热器是由恒温水浴作为热源加热实验管段（约2m ），水浴温度由温控器、电加热管以及保温箱体构成。

水浴中平行放置两实验管，独自拥有补水箱和集水箱，构成两套独立的实验系统。

可以做平行样实验和对比实验。

为获取水处理药剂的效果、强化换热管的污垢特性、污垢状态下强化管的换热效果等等，管内流体一般为人工配制的易结垢的高硬度水或是含有固体微粒等致垢物质。

模拟换热器12 5834679101112220V基于前述的动态模拟试验，装置原理结构如图2.3所示（图中为一根管的水系统），该装置的主体设备是由两根可拆装的同材料、同尺寸管组成的管式换热器（以电加热器和温度调节器控制的恒温水浴为热源），并配有上位恒压水箱、下位循环水箱、循环水泵等。

试验中，这两根管可以都作为试验管，同时进行两种水质或不同工况的对比检测。

也可以将其中一根作为试验管，另一根做比较管，以比较不同水处理技术及设备的阻垢和缓蚀性能。

所有测量信号接入893智能数据采集前端，通过专用网络适配卡输入计算机，通过所开发的应用软件最终实现阻垢和缓蚀性能的在线监测与评价。

图2.3 实验装置流程图1-恒温槽体；2-试验管段；3-试验管入口压力；4-管段出口温度测点；5-管壁温度测点；6-管段出口温度测点；7-试验管出口压力；8-流量测量；9-集水箱；10-循环水泵；11-补水箱；12-电加热管2.2需要检测和控制的参数1.温度：包括实验管流体进口（20~40℃）、出口温度（20~80 ℃） ，实验管壁温（20~80 ℃）以及水浴温度（20~80 ℃）。

2.水位：补水箱上位安装，距地面2m ，其水位要求测量并控制循环水泵，以适应不同流速的需要，水位变动范围200mm~500mm 。

3.流量：实验管内流体流量需要测量，管径Φ25mm ，流量范围0.5~4m3/h 。

4.差压：由于结垢导致管内流动阻力增大，需要测量流动压降，范围为0~50mm 水柱。

冷却水入口出口第3章参数测量及选表3．1进出口温度测量实验管流体进口（20~40℃）、出口温度（20~80 ℃）3.1.1检测方法设计以及依据由上述实验装置可知，实验装置的进出口管直径较小，为Φ25mm，故不宜使用体积较大的温度计，否则会增加流动阻力影响流速。

而且，温度变化范围在20~80℃之间，水温变化较小，属于低温范围温度测量，所以需要选用精度较高的测温元件。

所选的测温元件的特点要求结构简单、方便、体积小、灵敏度高。

综上所述，可以选用热电偶温度计或热电阻温度计进行测量。

但是热电偶温度计是中高温区最常用的一种温度检测器，在使用热电偶时需对其进行冷端补偿，而且，热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时）。

而热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

根据热电阻的工作原理，金属导体的电阻值随温度的增加而增加，当阻值变化时，热电阻便显示出阻值所对应的温度值，从而测出进出口温度。

3.1.2仪表种类选用以及设计依据目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜，但铜热电阻电阻率低，因而体积大，精度也不如铂热电阻高。

铂热电阻精度高，测温范围广，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

所以本设计中选用了铠装Pt100热电阻测量进出口流体温度。

铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2--φ8mm，最小可达φmm。

与普通型热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。

（5）数学模型为：Rt=R0（1+At+Bt^2)，其中，A=0.0039083/℃;B=-0.005775/℃，R0=100Ώ；（6）数据处理：由于利用热电阻进行温度测量时，容易产生温度误差，所以，我们要对管壁不同处多次测量求取平均值，以确保接近真实温度。

（7）安装：固定螺纹或者固定法兰安装，插入深度以接触液氨液体50--100mm为宜，现场如果有易燃气、液，还要选择隔爆型的。

某生产厂家Pt100主要技术参数：温度测量范围：0～300℃～500℃～1200℃输出信号：4～20mA、0-10V、0-5V负载电阻：≤500Ω供电电源：24V DC功耗：≤1W基本误差：0.2％～0.5％图3 Pt100实物图3.1.3测量注意事项以及误差分析（1）由于热电阻通电后会产生自升温现象，从而带来误差，并且该误差无法消除，故规定最大电流〈6mA。

（2）热电阻安装时,其插入深度不小于热电阻保护管外径的8倍～10倍,尽可能使热电阻受热部分增长。

热电阻尽可能垂直安装,以防在高温下弯曲变形。

（3）热电阻在使用中为了减小辐射热和热传导所产生的误差,应尽量使保护套管表面和被测介质温度接近,减小热电阻保护套管的黑色系数。