专利名称：过程设备与控制多功能综合实验台的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种教学实验装置，具体为一种过程设备与控制多功能综 合实验台。
技术背景化工设备与机械专业是工科高校的一个传统专业，从1999年起，全国"化 工设备与机械"专业改为"过程装备与控制工程"专业，专业实验是本专业 一项十分重要的教学内容。原"化工设备与机械"专业的专业实验主要是设 备和机器的性能测试实验，这些实验内容过于单一，已不能满足"过程装备 与控制工程"专业的实验要求。目前，本专业在进行不同实验时要在不同的 实验装置上完成，这种分散的实验装置不仅功能单一，而且所占用的实验室 面积大、设备投资高，每种设备的利用率低。 实用新型内容为了克服上述缺陷，本发明提供了一种过程设备与控制多功能综合实验 台。该实验台将设备实验、过程实验和控制实验有机地结合为一体。本实验 设备可以完成离心泵性能测定实验、换热器壳体应力测定实验、换热器换热 性能实验等多种控制实验。具有实验功能多、综合性能强、实验方案多、学 生参与性强及可换组件多、与科研的互动性强等特点。为了达到上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。主要包括有离心 泵l、换热器5、加热炉13、水池14和控制台15;其中，离心泵l的进水口 通过阀门F12与水池14相连通；离心泵1的出水口通过第四阀门F4与换热 器5的管程入口相连，离心泵1的出水口还通过第七阀门F7与换热器5的壳 程入口相连；换热器5的壳程出口通过第八阀门F8、第十一阀门Fll和第六 阀门F6与水池14相连，换热器5的壳程出口还通过第十阀门F10、热水泵9 与加热炉13相连；换热器5的管程出口通过第五阀门F5、第十一阀门Fll、 第六阀门F6和水池14相连，换热器5的管程出口还通过第一阀门Fl与加热 炉13相连；换热器5的管程进口还通过第二阀门F2与加热炉13相连通，换 热器5的壳程进口通过第九阀门F9与加热炉13相连。在离心泵1的进出水口都设置有压力传感器2，在离心泵1的出水口还设 置有流量传感器3。在换热器5的管程进口、壳程进口设置有第一压力、温度 温度传感器4,换热器5的管程出口、壳程出口都设置有第二压力、温度传感 器6。在热水泵9的出水口设置有流量传感器8。其中，以上所述的各传感器 均通过数据线与控制台15相连，将各参数传输至控制台15显示。所述的离心泵1为具有变频调速功能的离心泵。控制台是一个双联机柜，里边配备有工控机、显示器、稳压电源、电气 控制系统、交流变频调速器、信号调理模块、A/D和D/A转换卡、智能工业 调节器、转速数字显示表。压力传感器、流量传感器、液位传感器通过数据 线与控制台相连，传感器把得到的信号传给工控机，不仅可以通过仪表实施 显示，而且可以根据给定的控制方式达到控制某个参数的目的。本实用新型可进行以下八种实验1)离心泵性能测定实验；2)换热器 壳体应力(包括热应力和压力引起的应力)测定实验；3)换热器换热性能实验； 4)流体传热系数测定实验；5)换热器管程和壳程压力降测定实验；6)离心 泵恒压力控制实验；7)离心泵恒流量控制实验；8)换热器出口温度串级控 制实验在完成各种实验中，阀门的切换如下-1) 在进行离心泵性能测定实验时，打开阀门F4、 F5、 F6、 Fll、 F12，其 它阀门全部关闭。2) 换热器壳体应力测定实验，包括只有冷流体走壳程的实验和热流体走 管程、冷流体走壳程的实验。在进行只有冷流体走壳程的实验时，打开阀门 F6、 F7、 F8、 Fll、 F12,其它阀门全部关闭。在进行热流体走管程、冷流体走壳程的实验时，打开阀门Fl、 F2、 F3、 F6、 F7、 F8、 Fll、 F12，其它阀门全部关闭。 3) 在进行换热器换热性能实验时，打开阀门F1、 F2、 F6、 F7、 F8、 Fll、 F12,其它阀门全部关闭。4) 在进行流体传热系数测定实验时，打开阀门Fl、 F2、 F6、 F7、 F8、 Fll、 F12，其它阀门全部关闭。5) 换热器管程和壳程压力降测定实验，在进行换热器管程压力降测定实 验时，打开阀门F12、 F4、 F5、 F6、 Fll，其它阀门全部关闭。在进行换热器 壳程压力降测定实验时，打开阀门F12、 F7、 F8、 F6、 Fll，其他阀门全部关 闭。6) 在进行离心泵恒压力控制实验时，打开阀门F4、 F5、 F6、 Fll、 F12， 其它阀门全部关闭。为了保证离心泵的出口压力恒定，离心泵出口的压力传 感器将离心泵出口压力转换成电压信号，经放大器放大后输出至工业调节器， 工业调节器降压力信号与压力给定值比较后，按PI调节规律输出4-20mA信 号，驱动变频调速器控制电机的转速，达到恒定离心泵出口压力的目的。7) 离心泵恒流量控制实验时，打开阀门F4、 F5、 F6、 Fll、 F12，其它阀 门全部关闭。为了保证离心泵的出口流量恒定，离心泵出口流量传感器经流 向信号转换成脉冲信号，其脉冲频率经频率/电压转换器转换成电压信号后输 出至流量调节器。流量调节器将流量信号与流量给定值比较后，按PID调节 规律输出4-20mA信号，驱动电动调节阀改变调节阀的开度，达到恒定离心泵 出口流量的目的。8) 在进行换热器出口恒温度控制实验时，打开阀门Fl、 F2、 F6、 F7、 F8、 Fll、 F12，其它阀门全部关闭。为了保证换热器管程出口温度恒定，安装在 管程出口的温度传感器将出口转换成电信号后输出至温度调节器，温度调节 器将温度信号与温度给定信号比较后，根据其差值的大小按PI调节规律向流 量调节器输出流量给定值，同时安装在壳程进口的流量传感器将进入换热器 壳程的冷水流量信号输出至流量调节器，流量调节器将来自温度调节器的流 量给定值和来自流量传感器的冷水流量值比较后，根据其偏差按比例调节规
律驱动电动调节阀改变电动调节阀7的开度，进而控制进入换热器壳程的冷 水流量，达到恒定换热器管程出口温度的目的。本实用新型不仅可满足本科生作多种实验，而且实验台上的泵、换热器、 阀门、检测元件等可以自由拆换，操作维修比较方便。
图l本实用新型的的结构图图2为控制台操作面板功能图图中1、离心泵；2、压力传感器；3、流量传感器；4、第一压力、温 度传感器；5、换热器；6、第二压力、温度传感器；7、电动调节阀；8、流 量传感器；9、热水泵；10、高位水槽；12、循环泵；13、加热炉；14、水 池；15、控制台；具体实施方式
下面结合图l、图2详细说明本实施例。本实施例中离心泵1的进水口通过阀门F12与水池14相连通，离心泵1 的出水口通过第四阀门F4与换热器5的管程入口相连，离心泵1的出水口还 通过第七阀门F7与换热器5的壳程入口相连。换热器5的壳程出口通过第八 阀门F8、第六阀门F6、第十一阀门Fll与水池14相连，换热器5的壳程出 口还通过第十阀门FIO、流量传感器8、热水泵9与加热炉13相连，本实施例 中还设置有髙位槽10，当加热炉内的温度过高时，加热炉内的水会溢出至高 位槽10内，起到降低加热炉内压力的作用。换热器5的管程出口通过流量温 度传感器6、第五阀门F5、第十一阀门Fll、第六阀门F6和水池14相连，换 热器5的管程出口还通过流量温度传感器6、第一阀门Fl与加热炉13相连； 换热器5的管程进口通过第二阀门F2与加热炉相连通，换热器5的壳程进口 通过第九阀门F9与加热炉13相连。其中，压力传感器2，流量传感器3、 8， 压力温度传感器4、 6通过数据线与控制台15相连。在离心泵1的进出水口都设置有压力传感器2，在离心泵1的出水口还设 置有流量传感器3。在换热器5的管程进口、壳程进口设置有第一压力、温度 温度传感器4，换热器5的管程出口、壳程出口都设置有第二压力、温度传感 器6。在热水泵9的出水口设置有流量传感器8。本实施例中离心泵1与变频器相连，通过转换开关，可以实现变频启动 和直接启动两种启动方式。本实施例还包括有控制台，换热器5的管程出口温度传感器、离心泵1 的出口压力传感器和出口流量传感器将各自的转换信号传输至控制台显示。 同时，离心泵的开关、加热炉中的循环泵和热水泵的开关、离心泵的运转方 式(变频调速运转方式和直接运转方式)的选择、电动调节阀的开度调节均 可以在控制台上操作。控制台的控制面板操作功能图，如图2所示，其中ll-l——管程出口温度显示；11-2——冷水泵流量显示；11-3——流量自动/手动调节按钮，弹起时为手动，按下后为自动(在手动模式下，是通过调节流量调节旋钮ll-8来改变主水泵出水口流量；自动模式下，是通过改变流量显示仪表参数，反馈给上位机，就是本实验装置里的工控机，上位机来驱动电动调节阀IO改变主水泵出水口流量)； 11-4——离心泵出口压力显示；11-5——压力自动/手动调节按钮，弹起时为手动，按下后为自动；(在 手动模式下，是通过调节压力调节旋钮11-7，改变主水泵的交流供电频率， 来改变主水泵出水口压力；自动模式下，是通过改变压力显示仪表参数，反馈给上位机，就是本实验装置里的工控机，上位机来驱动电动变频器改变主水泵出水口压力)；11-6——控制方式选择按钮DCS/DDC (DCS全称是分布式控制系统，DDC 全称是计算机数字直接控制系统。DCS可以实现现场控制，可以直接在仪表 上设定控制参数来调节控制方式和控制质量，主要是PID控制；DDC是通过 计算机实现控制方式的，可以对DCS进行扩展，从而实现模糊控制等控制方
式)；11-7——水泵运行选择开关，向左为变频调速运转方式，向右为直接运转方式，中间为空档； 11-8——压力调节旋钮(当离心泵为变频启动时，调节离心泵的转速)； 11-9—一流量调节旋钮(调节电动调节阀的开度，从而改变管道流量)； 11-10——冷水泵开按钮； 11-11——冷水泵关按钮；11-12——循环泵开关按钮，顺时针转为开，逆时针转为关； 11-13——热水泵开关按钮，顺时针转为开，逆时针转为关； 11-14——总控制开关，顺时针转为开，逆时针转为关。 本实施例可以做八种实验，
以下结合附图，对换热器管程和壳程压力降测 定实验进行阐述在进行换热器管程压力降测定实验，该实验是按以下步骤进行的1) 打开换热器管程入口处的第四阀门F4、管程出口处的第五阀门F5、第 六阀门F6、第H^—阀门Fll和第十二阀门F12，其他阀门关闭，使冷流 体走管程。2) 启动变频器，旋转压力调节按钮ll-8使离心泵出口压力P2^.7MPa;3) 调节出口流量调节阀Fll，依次改变冷流体流量从1.8L/s到3.0L/s;4) 记录不同流量下的换热器管程进出口的压力值，进而得到在不同流量 下管程的压力损失。在进行换热器壳程压力降测定实验，该实验是按以下步骤进行的1) 打开冷流体壳程入口处的第七阀门F7、冷流体壳程出口处的第八阀门 F8、第六阀门F6、流量调节阀Fll和阀门F12，其他阀门关闭，使冷流体 走壳程；2) 启动变频器，旋转压力调节按钮11-8使离心泵出口压力P2:0.7MPa;3) 调节出口流量调节阀Fll，改变冷流体流量从0.4 L/s到2.4L/s; 4)记录不同流量下的换热器管程进出口的压力值，进而得到在不同流量下管程的压力损失。
权利要求1、 过程设备与控制多功能综合实验台，其特征在于主要包括有通过管道相 互连通的离心泵(1)、换热器(5)、加热炉(13)、水池(14)和控制台(15); 其中，离心泵(1)的进水口通过阀门(F12)与水池(14)相连通；离心泵(1)的出水口通过第四阀门(F4)与换热器(5)的管程入口相连，离心泵(1)的出水口还通过第七阀门(F7)与换热器(5)的壳程入口相连；换热 器(5)的壳程出口依次通过第八阀门(F8)、第十一阀门(F11)和第六阀门(F6)与水池(14)相连，换热器(5)的壳程出口还通过第十阀门(FIO)、 热水泵(9)与加热炉(13)相连；换热器(5)的管程出口依次通过第五阀门(F5)、第十一阀门(Fll)、第六阀门(F6)和水池(14)相连，换热器(5) 的管程出口还通过第一阀门(Fl)与加热炉(13)相连；换热器(5)的管程 进口还通过第二阀门(F2)与加热炉(13)相连通，换热器(5)的壳程进口 通过第九阀门(F9)与加热炉(13)相连。
2、 根据权利要求l所述的过程设备与控制多功能综合实验台，其特征在于-在离心泵(1)的进出水口都设置有压力传感器(2)，在离心泵(1)的出水 口还设置有流量传感器(3);在换热器(5)的管程进口、壳程进口设置有第 一压力、温度温度传感器(4)，换热器(5)的管程出口、壳程出口都设置有 第二压力、温度传感器(6);在热水泵(9)的出水口设置有流量传感器(8); 其中，以上所述的各传感器均通过数据线与控制台(15)相连。
3、 根据权利要求l所述的过程设备与控制多功能综合实验台，其特征在于 所述的离心泵(1)为具有变频调速功能的离心泵。
4、 根据权利要求2所述的过程设备与控制多功能综合实验台，其特征在于 所述的控制台(15)是一个里边配备有工控机和显示器、各个传感器把得到 的信号传给工控机并通过仪表实施显示、也可根据给定的控制方式来控制某 个参数的双联机柜。
专利摘要本实用新型是一种教学实验装置，具体为一种过程设备与控制多功能综合实验台。本实验台的离心泵(1)出水口分别与换热器(5)的管程入口和壳程入口相连。换热器(5)的管程进、出口与加热炉(13)相连，使热流体走管程。换热器(5)的壳程出口与水池(14)相连，实现了冷流体走壳程。在离心泵(1)的进出水口都设置有压力传感器(2)，在离心泵(1)的出水口还设置有流量传感器(3)，在换热器(5)的壳程进、出口、管程进、出口都设置有温度传感器和压力传感器。控制台(15)是一个双联机柜，里面有工控机和显示器等，工控机可根据给定的控制方式来控制某个参数。本实用新型不仅可满足本科生作多种实验，而且操作维修比较方便。
文档编号G09B25/00GK201037967SQ20072014894
公开日2008年3月19日 申请日期2007年4月27日 优先权日2007年4月27日
发明者戴凌汉, 金广林, 钱才富 申请人:北京化工大学