（机械制造及其自动化专业论文）井下工具油浸试验装置温度控制系统分析.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 4 i l li i i i i l l l l 1 1 1 1i l l li i l l l l l li t l l t l l1 1 1 1 y 17 4 0 8 4 9 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文井下工具油浸试验装置温度控制系统分 析是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：二乞盔坐旺月上旦日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名： 指导导师签名：矜移毛一 旦链三月翌日 2 2 2 1 年_ ；月2 o e t 一 m |。，t一； 。 r-，|ot，参 摘要 为了对井下工具整体或其密封件进行高温试验；检验工具能否合格；对封隔器等 工具的质量进行评价；研究井下工具实际的应用工况，本文设计出了井下工具油浸试 验的温度控制系统。 对温控系统的原理和结构进行了研究和设计；对试验罐热容量计算；分析了管道 保温层保温材料的保温性能并探讨了其对温度平衡系统的影响；对油加热管道的温度 场进行了理论分析并建立了油加热管道的物理和数学模型；基于p l cs 7 2 0 0 对温控系 统进行p i d 控制。 利用组态王软件对设计的温度控制系统进行了模拟实验，验证了控制系统。精度 满足试验要求，且响应时间短，整个系统在长时间运行后温度稳定在正负0 5 ，波动 误差在允许范围内。该温控试验系统应用于油田领域，能在实验室条件下模拟实际采 油工艺工程中井下工具的高温环境，为国内外油田新产品研发提供了有力的保障手段， 解决了工具检测的实际问题。 关键词：温度控制p i dp l c 温度场 a b s t r a c t i no r d e rt oc a r r yo nh i g ht e m p e r a t u r et e s t i n go fd o w n h o l et o o l sa saw h o l eo ri t ss e a l s ； w h e t h e ri n s p e c t i o nt o o l sc a nb eq u a l i f i e d ；t oe v a l u a t et h eq u a l i t yo fp a c k e rt o o l s ；t or e s e a r c h p r a c t i c a la p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so ft h ed o w n h o l et o o l s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mo fd o w n h o l et o o l s t or e s e a r c ha n dd e s i g nt h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ；t o c a l c u l a t eh e a tc a p a c i t yo ft h et e s tt a n k ；t oa n a l y z ei n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo f p i p ei n s u l a t i o n m a t e r i a la n dt oe x p l o r ei t se f f e c to nt e m p e r a t u r eb a l a n c es y s t e m ；t oc o n d u c tt h e o r e t i c a l a n a l y s i so fo i lh e a tp i p et e m p e r a t u r ef i e l da n de s t a b l i s ht h eo i lh e a t i n gp i p e sp h y s i c a la n d m a t h e m a t i c a lm o d e l ；t oc o n d u c tt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mp i dc o n t r o lb a s e do np l c s 7 2 0 0 t om a k es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mt h a tm a k e su s eo f k i n g v i e ws o f t w a r e ，a n dt op r o v ec o n t r o ls y s t e m p r e c i s i o nm e e t st h et e s tr e q u i r e m e n t ，a n d t h er e s p o n s et i m ei ss h o r t , t h et e m p e r a t u r eo ft h ew h o l es y s t e ma f t e rt h el o n gr u ns t a b i l i z e d a tp l u so rm i n u s0 5 v o l a t i l ee r r o rw i t h i nt h ea l l o w a b l e r a n g e t h et e m p e r a t u r e c o n t r o l l e dt e s ts y s t e mi su s e di n o i lf i e l d ，i tc a ns i m u l a t ed o w n h o l e t o o l sh i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n to fa c t u a lo i l p r o d u c t i o np r o c e s se n g i n e e r i n gu n d e r l a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，p r o v i d ep o w e r f u ls u p p o r tm e a n sf o rd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lo i l f i e l dd e v e l o p m e n to fn e w p r o d u c t s ，a n ds o l v ep r a c t i c a lp r o b l e m si nt e s t i n gt h et 0 0 1 k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l p i dp l c t e m p e r a t u r ef i e l d i l 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪 论1 1 1 研究目的和研究意义1 1 2 国内外研究现状1 1 3 论文主要工作2 第二章温控系统设计3 2 1 温控系统总体方案3 2 2 管道模型的建立4 2 3 本章小结1 2 第三章管道保温材料保温性能分析1 3 3 1 保温材料选择1 3 3 2 数学模型的建立1 3 3 3 确定极限半径：1 4 3 4 保温层对温度控制的影响分析与计算1 5 3 5 未加保温层的管道半径对热流损失的影响1 6 3 6 保温性能受材料导热系数的影响1 7 3 7 对流换热系数对热流能损失的影响1 7 第四章电控系统设计1 9 4 1 硬件系统设计1 9 4 2 编程软件的设计开发：2 3 4 3 控制算法2 5 4 4 方案设计3 0 4 5 程序流程图31 4 6 梯形图3 3 4 7 组态画面的建立3 9 4 8 本章小结4 7 第五章温控系统模拟实验4 8 5 1 启动组态王4 8 5 2 参数监控和设定4 9 5 3 报警信息提示一5 0 5 4 报表系统查询51 5 5 趋势曲线监控5 2 5 6 本章小结5 4 第六章结论与展望。5 5 6 1l ；论5 5 6 2 展望5 5 致谢5 6 参考文献5 7 i i i 第一章绪论 1 1 研究目的和研究意义 测量井下工具油浸试验中罐体和夹套的温度，可以实时监测和控制井下工具油浸 试验中罐体和夹套的温度；模拟井下工作实际的温度条件；实现井下工具油浸试验温 度控制和监视的智能化管理【l 】。井下工具油浸试验装置是以柴油和气体( 氮气) 为试压 介质的试验室所用的试验装置，它可以对井下工具整体或其密封件( 盘根、胶筒、聚 四氟乙烯等) 进行高温耐压试验，是检验工具能否合格的重要试验系统，也是对封隔 器质量评价的有效的检验手段。为油田严把产品质量关，有效控制了不合格品流入油 田市场。通过数据和曲线两种方式实现对历史数据的回放、实时数据采集及数据处理， 便于及时、有效的对试验检测过程中出现的异常数据进行分析，从而对试验与承检产 品做出科学、准确的评价。温控系统是专门针对热平衡试验中参试设备的工作温度来 进行设计的，其工作性能好坏将会直接影响整个热平衡试验的成败，因此它的设计要 求都比一般系统要高很多。热平衡试验温控系统的研制，可以为热平衡试验的热设计 提供依据。它也可以检验初步热设计结果，验证热控件的热特性。同时测试环境对设 备工作的影响，因此研制具有一定智能化特性的而且相对独立的温控系统是很有必要 的。 1 2 国内外研究现状 当前全球的温度控制的自动化水平比较高，一般都会装有检测设备和微机控制系 统而且有先进的控制算法。微机控制系统一般都已经采用集散系统和分布式系统的形 式。温度控制大约经历了三个发展阶段。一：仪表阶段。测量、记录、调节仪表组装 在一个盒里。这种系统的结构相对简单，只能对精度低的单回路系统进行控制。二： 单元组合式仪表。随着汽车、飞机、船等大型工业的发展，引领着温控系统向着综合 自动化集中控制的方式发展，它将仪表按功能划分成多个具有一定功能的单元，各单 元之间通过设定的信号进行合作，这就提高了控制的精度。所谓单元组合式仪表就是 把各单元积像积木式装起来，构成多种不同复杂程度的控制系统。以上温度控制是用 仪表对温度进行检测、调节、控制。不容易对复杂系统的高精度的控制。三：电脑控 制。由于计算机的发展、微处理器和微型计算机在工业控制领域中的应用，温度微机 控制系统代替了其它的控制系统，消除了精度低、不可靠性的缺点。计算机有先进的 处理器和大的硬盘存储空间，再加上先进的控制算法的使用更提高了控制精度。计算 机控制温度的系统控制方法一般有p i d 控制控制为比例、积分、微分控制方法。温度 控制系统把温度传感器传来的温度信号与之前定的值对比，将差值输入。控制器会通 过计算给出适当的结果。这种方法很简单。这种方法有缺点，数学模型难以建立，整 定数值比较麻烦。模糊控制根据人的平时工作中积累的经验，不需要建立模型。通过 对偏差及其变化率划分为不同组的数值，形成公式。通过计算机处理，算出合适的数 值输入到控制系统然后去执行相应的操作。以上两种控制方法单独使用都其缺点，有 一定的局限性先可将其结合起来，就是一种新的控制方法。实现的结果就是在普通的 p i d 温度控制系统中加一些模糊控制语言。根据实际工作条件的需求，可以通过微机监 视，当超调量大的时候自动调节其参数值，使其达到温度系统快速响应稳定控制的目 的。 1 3 论文主要工作 本文对油浸试验装置的温度系统设计与分析。完成的主要工作如下： 1 、对油浸试验装置温控系统的原理和结构进行了设计。 2 、以宏观的流体力学和传热学为理论基础，对油浸试验装置中的试验罐热容量计 算，管道保温层的设计保温材料的选择与保温性能的分析。油加热管道的温度场进行 了理论分析，建立了油加热试验管道的物理和数学模型。 3 、电控制系统设计，硬件的选择与连接，p i d 在p l c 中的应用及p i d 参数的整定。 程序流程图的绘制，梯形图的编写。 4 、组态画面的设计，创建项目，主画面，趋势曲线画面，数据表报警窗口，参数 控制画面的建立。 5 、对系统进行模拟实验，参数的监控的设定。分析当前及历史趋势曲线。 2 第二章温控系统设计 2 1 温控系统总体方案 如图2 1 采用一套温控系统可设置不同温度分别对4 台试验井进行温度控制。实现 对试验罐的循环加温，保温和温度控制。由油加热机组( 加热器、循环加热泵、温度 传感器) 、和加热管汇等组成。通过不同试验罐的入口手动截止阀切换来实现对不同试 验罐的循环加热。整个系统是边循环边加热的过程。温度控制实现闭环控制，位于试 验罐上的进出口传感器会实时检测罐体的温度，信号经过传感器的放大和a ，d 转换后 输入到p l c ，完成罐体温度信号的采集工作，罐体夹套的温度会随着导热油温度的升 高而升高，两个传感器的示值也逐渐接近，当到达罐体试验设定的温度时，改变循环 泵的转速，减小热流量，使热量供给量与消耗量平衡，进而保证了试验罐内的温度恒 定。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 i t 、iv l ，瓦| 。一砑二 _ 卜_ 1 7 。 i!， ， 、r ：_ 1 ， h j 【工 ，7 、j l 、0 一 i _ 。 、 n i 1 ， ， 一 一 手：儡泵 1r 、 - 王 一m ，一 p 1 ，、j4一_ 广、 。j 1 。一 g 廿槽i j r d l ，“ 再器、 l 温控系统原理图 温控系统按照模块化设计，泵阀系统和控制系统完全分离，管路设计遵循横平竖 直原则，合理可靠。所有需要调节的阀门均安装在可以方便操作的位置，方便调节及 拆卸维修。结构简易，连接安全可靠，设备均可灵活拆卸。如图2 2 热油循环过程 图2 2 热油循环过程示意图 2 2 管道模型的建立 2 2 1 管道物理模型 自然界的热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射所有的热量传递都是以 这三种方式进行的。一个实际的热量传递过程可以是这三种方式之一或它们的组合。 1 、傅里叶定律用热流密度q 表示时如下： 口：旦：一j i 竺 ( 2 1 0 ) 口= = 一尼 k z 1 u ， 4 么苏 其中巾为通过截面a 的导热量称为热流量，单位为w 负号表示热量传递的方向与 温度升高的方向相反。式中的比例系数k 称为材料的热传导率，又称热传导热系数， 单位是w ( m k ) ，其数值大小反映材料的导热能力，材料热导率越大导热能力越强。 导热系数与材料及温度等因素有关，金属导热性能最好，热导率也就最大，液体次之， 气体最小。 傅里叶定律可以进一步表示为： g 一尼v 丁一 七c 等x ，+ 娑o y ，+ 誓七， da z ， 将上式展开可得热流密度在x ，y ，z at，atat g ，一七瓦；g y 一七百；g ：2 瓦o x 。 o xoz 2 、牛顿冷却定律： ( 2 1 1 ) 方向的投影大小分别为： ( 2 1 2 ) 一个高温物体在外界温度恒定的系统中自然冷却时，冷却的速率与它的温度和外 界的温度差v t 成正比。在此基础上，总结出了计算对流换热的基本公式，称为牛顿 冷却公式： q = hat 或矽= ahat ( 2 1 3 ) 其中v t 是流体和物体表面的温差，规定永远为正值。h 是物体表面的传热系数， 4 也称为对流换热系数，单位为w ( m 2 k ) 。影响表面传热系数的因素很多，包括流体的 物理性质( 黏度，密度比热容等) ，流体的形态，流动的成因( 自然对流或者强制对流) ， 物体的表面形状，热容量，尺寸，换热时流体有无相变等。牛顿冷却定律只是一个实 验定律，它的成立条件是近似的，就是不要和外界环境温度相差太大。 3 、热阻 当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻值，称为导热热阻。 护：a t( 2 1 4 ) q 热阻单位是列w 。热阻越小，表明热传递过程中阻力越小，热传递速度越快。热 阻能够对复杂热传递过程的分析带来很大的方便。热阻是阻止热量传递能力的综合参 量。在传热学的工程应用中，为了满足生产工艺的要求，有时通过减小热阻以加强传 热；而有时则通过增大热阻以控制热量的传递。 4 、比热容： 单位质量的某种物质改变单位温度时所吸收或释放的内能称为该种物质的比热 容，用c 表示，简称比热。比热容得计算公式如下表示： c ：芝( 2 1 5 ) m a t 其中q 是热量，单位是j ，m 是质量。热容的单位是j ( k g ) 。虽然公式c = q m a t 可用来计算物质的比热，但不能认为物质的比热与q 成正比，与m 与和t 成反比。 因为比热是物质的一种特性，它不随外界条件的变化而变化，只与物质的种类和物质 的状态有关，可以用来鉴别物质，大部分物质的比热容不同，但有少部分除外，例如 煤油和冰的比热容是相同的。同种物质在同种状态下比热是相同的。比热跟物体的质 量、温度变化量和吸热或放热的多少无关。但物质在状态变化时比热将随之变化。比 热容反映了物质吸热、放热的本领，常见的物质中，水的比热容最大。 k 图2 4 新建管道启动时物理模型 假设流体的温度是沿着管道的圆周方向成对称分布，假设油加热管道在启动进油 过程中周围的环境是稳态的，则新建管道进油时的数学模型为： 。 熹+ u 兰：尘( t - t i ) + u 一= 8 ta z p c c o 西， j = a t g r 0 t 1 。1 a t l 铆2r 静 a 晏：忍( ，一，o ) o rr = r o ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 兰 上= 口( f 1 一) ( 2 1 9 ) o rr = r o + 8 其中t 是流体的温度、t l 是保温层材料的温度，它们会随时间和距离发生相应的变 化；t o 为周围温度；t m 是保温管道入口流体温度；r 加热管到的外径；v 是流体的流速； h 为流体与管内壁对流换热系数；伍为油加热管道外壁与周围环境的对流换热系数；九l 为保温层材料的导热系数；p 是流体的密度，c 是流体的比热容。由于油加热管道沿轴 线方向的导热可以忽略，只研究管道的一个横截面，这样管道传热就可以简化为二维 导热问题【5 】。 2 2 2 管道加热时数学模型 如 1 3 珀 图2 5 油加热管道示意图 黏性流体的流动形态： 由于实际流体是有黏性的，所以当相邻的质点有相对的滑移时，会产生改变流体 流动形态的切方向上的阻力。层流和湍流是黏性流体流动的两种不同的形态。如果管 内的流体都沿轴向运动并且从管中心一层一层的向管壁延伸，流体相邻的质点之间无 横向的运动，而且不会相互混杂，这就是层流。相反如果管道内流体的相邻质点之间 发生猛烈的横向运动，还互相碰撞掺杂，流动很乱没有规则，流体之间质点沿横向也 6 有不规则的流动，这就是湍流。黏性流体的流动时哪种状态取决于，流体的速度、密 度、力黏度、通道的尺寸，黏度p ，密度p 和管径d ，会影响上临界速度u c l 和下临界 速度u 。2 。当流体的速度大于u 。1 的时候，管道内流体流动的形态呈现湍流；相反当管 道内流体的流动速小于u 。2 的时候，管道内流体的流动就是层流；当速度在u 。1 和u c 2 之间，管道内流体的流动就是过渡流。流态可用一个由上述各参量组合而成的无量纲 准则数：雷诺数来判定，为了确定流体与管内壁的对流换热系数a ，必须判断流体状态， 计算r e 数。假定在长x ( m ) 的管道上取d ) 【长度的微元流体，管壁传给d ) 【段流体的 g r 为q w ( 2 e r r o d x ) ，微元流体通过控制溶剂时引起的热量变化为：( p n u 。) c m ( d t 。i d x ) 则 g = c p 脚( 乙+ 竺导万x ) 一c p m ，= c p m t m + a ：t m 万x ( 2 2 0 ) “石“工 d x 段流体传给管道的热量q ，为： 瓯= 芈 ( 2 2 1 ) h 万a o g 。警 2 刀以 q = g 和警概2 坐2 # 办。7 d o 叠 2 刀以 ： 1 2 二幺 l i l 丑 !上丘 办刀a o 2 砍 1 i l 丘 吲南+ 矗h 矗誓+ 乙 铲荔瓦+ 试卜o 耽i 乜 保温层的传热量为： 7 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) q 2 警2 芏船i 一孤 i 万皿卫上上 2 7 魄2 7 巩h o ：c d 2 嗉机+ 芦脏d 出e 协 i 上上 2 刀如万q ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) h l 丑 1 + 鱼 ( 1 + 砖。去鲁机+ 石l 2 石l + 面d e ( 2 2 9 ) + 上+ 上+ 上 2 矾眨2 矾万d 2 2 矾乃皿 1 1 1 垒l n 丑 彳：+ 上。b ：+ 上，c ：c 。南 ( 2 。3 0 ) 乃厂2 以慨 一 一d t m + 旦：旦“+ 尘 ( 2 3 1 ) 一d x + 丽t m2 丽+ ( a + b ) c 工d r 2 3 1 式子2 3 1 为加热功率，管道内流体温度和周围温度场之间的关系。如果给定加热功率 p ，可求得流体沿管道长度方向的温度变化。设管内导热油的比热容为c 。，密度为p ， 热传导系数h ，管道直径和厚度分别为d o 和6 9 ，保温层厚度6 b ，管道导热系数为， 保温层的导热系数。流体传给钢管内壁的热量q w ，管道内壁与导热油的传热系数 为h ，保温层与周围空气的换热系数为h 0 ，导热油传给管壁的热量为q 。，导热油在d x 段管长内功率为d o 。管道内壁和外壁温度分别为t 3 和t 2 ，保温层外壁温度为t 1 ，周围 空气温度为t o ，d x 段导热油的平均温度为t m 【6 】【7 1 。 2 2 3 热容量计算 循环系统的热容量按夹套式油浸罐恒温罐、油浸罐罐体、循环管道、循环装置油 箱的总容积和折算系数来估算的。考虑到四个罐体在实际试验过程中不是同时进行， 每次试验只是对单个罐进行加热，因此，在热容量估算过程中，只对最大罐体进行估 算，下面对3 号试验罐进行估算。 管内温度控制方程简化为： o t1a ，o t 、 胪材磊2 ：i ( 肪一j(2320)r 砑，加、 7 k 厶， 8 卢o ，a 刍t = o ；，：耻后罢：q ( r t o ) 其中轴向流速u 由下式确定： 及= 2 【1 - ( ) 2 】 式中：“。为截面平均流速 定义无量纲过余温度： o ：生- 玉 瓦一r o 图2 6 管内对流换热的坐标系 f 2 i = ，( _ f 6 一j o ) + o o _ 8 t ：o ( 乃一死) ：o 冬 o xgax 定义无量纲坐标：n = r r 代入方程，整理得： d t 。， - y a x ：1 d ( 聆d o ) ( 一1 一u ) ：五 瓦- t o 船d n d n 一2 “。7 其中：x _ - 见= 半 得到关于无量纲温度o 的控制方程：1d ( 行_ d o ) ( = 1 一u ) ：0 ，2a n a nz 甜。 相应的边界条件为： n ：o 塑：0 ： a n 删，等一b n 9 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 a ) ( 2 4 0 b ) ，r i2 r c u t d r t 。= 1 一 l2 甜办 乞 引入0 的定义后，化为： 2 j o 岛d n = 1 o 优” 以上各式构成o 的完整的数学描述。 为了进行数值求解，引入变量，使o = 五 于是，化为： 三旦( 丝) + 尘：0 n一( ) + q = 玎d n 、d n 。 2 u 。 旦：2 ( 1 一刀) ( 4 7 a ) 玎：o ，华：咖：1 ，掣：埘。 a na n ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) 五= 1 j 一 ( 2 4 6 ) 4 io n ( 1 一n ) d n - 0 用迭代方法进行上式的求解。求得了五和后， 口：q 婴：冬 ( 2 4 7 ) 。五一l 1 一o 。 一 m ，：( 2 r ) a ：2 b i i 2 0 w ( 2 4 8 ) “ k 1 一五 l 、夹套容积 3 号罐的规格参数为：罐体高度3 5 米，加热高度为3 2 米，中心筒内径：0 1 6 0r n m ， 外径：0 2 5 0r n r r l ，夹套的内径0 2 5 0 r n r n ，外径0 4 5 0 r n m ，则夹套容积为3 5 1 l 。 2 、热容量估算 ( 要达到2 0 0 ，就得把3 号罐体及夹套内导热油加热到2 0 0 。c ) q 1 ( 夹套导热油) = 3 5 1 0 8 6 o 6 8 ( 2 0 0 1 5 ) = 7 9 k w q 2 ( 罐体材质) = 7 1 8 ( 2 0 0 。c 1 5 c ) 0 1 1 8 = 3 3 k w q 3 ( 巾2 5 0 内介质水) ：折合电功率4 8 k w q = q i + q 2 + q 3 = 7 9 k w + 3 3 k w + 4 8 k w = 1 6 0 k w 按升温速率1 5 。c 分钟计算，及考虑散热损失及保温情况：选取系数为1 3 5 。 1 0 ( 2 9 9 1 5 ) 1 5 = 1 2 4 分钟= 2 小时 4 0 1 3 5 = 5 4 k w ( 必须在保温状态良好的情况下) 2 2 4 油加热机组设计 根据以上热容量的计算应该选用的是功率为6 0 k w 的加热器进行加热比较稳妥。 油加热器是以导热油为传热介质的高温型供热设备，其引出端子防护为密封式，结构 主要技术指标如下： l 、用电指标 采用三相四线制工频5 0 赫兹交流电源，主回路电压3 8 0 v ，控制回路电压2 2 0 v 。 整机功率：7 1 k w ，加热功率：6 0 k w ，油泵电机：1 1 k w 。 ， 丑硅嚣叵= 机电僵， 图2 7 油加热器结构图 2 、热工指标、 最大供热量：2 0 1 0 4 k j h ； 热效率：2 9 0 ； 使用温度：9 6 0 ； 控温精度：1 。 3 、循环系统指标： 油泵规格：r y 8 0 5 0 _ - 2 0 0 a ，扬程4 0 m ，流量4 5 m 3 1 1 ； 出油管路：d n 8 0 m m ； 回油管路：d n 8 0 m m ； 应用介质：f d 导热油( 或其它使用温度不小于4 0 0 。c 的导热油) 。 4 、适用指标： 海拔高度：2 0 0 0 m ； 环境温度：一3 0 4 5 ； 相对湿度：9 0 ； 适用于无剧烈震动、无爆炸危险、无破坏绝缘、无腐蚀气体的环境。 5 、机体指标： 加热控制：本机属高性能，小型电升温载体供热设备，它可为用热量不超过2 0 1 0 4 k j h 的用热设备，提供2 0 0 以内任意工艺温度。 采用p i d 调节，控温精度可达l 。安全可靠：本机具有较高的安全性能，由于某种 原因釜内温度超高，或系统内油位过低、都将发出声光报警，并自动关闭加热系统。 当故障解除后自行解除报警。节能：本机将加热总功率6 0 k w 分解成2 4 k w 和3 6 k w 两部分，利用其中2 4 k w 作为底功加热、另外3 6 k w 实行p i d 调节加热及保温控制。 必要时可以单独关掉底功功率，此时能更好的达到节能及改善用电氛围的效果。为了 安装、使用、维修方便本机的主机与电控部分分开。 导热油采用合成式耐高温导热油，耐热温度：3 5 5 。c ，使用温度：3 2 0 以上。试 验用导热油1 0 0 0 l 。 热管与恒温罐( 进出口) 的接口形式为：法兰连接，管路通径d n 5 0 ，外径5 7 。 传感器( 两个) 与恒温罐的接口形式为：m 2 7 x 2 内螺纹。保温管汇用于连接恒温箱， 热温泵、油浸罐的恒温罐进出口【引。 2 3 本章小结 对油浸试验装置温控系统的原理和结构进行了设计。 以宏观的流体力学和传热学为理论基础，对油浸试验装置中的试验罐热容量计算。 油加热管道的温度场进行了理论分析建立了油加热试验管道的物理和数学模型。 第三章管道保温材料保温性能分析 随着当前全球范围内能源的紧张化，为了减少加热设备和油加热管道的热损失， 将热能的利用率提高，近些年研究开发了很多新型的保温材料，但是很少涉及保温材 料保温管道的性能研究。因此对管道保温材料保温性能分析很有必要。 3 1 保温材料选择 保温层的材料采用无缝钢管外包裹高温保温材料硅酸铝岩棉。由于岩棉和矿渣棉 的生产工艺、技术性能和使用条件相近，且统称为矿物棉。岩棉是将玄武岩或辉绿岩 等矿石与少量矿渣及白云石混合后，在冲天炉或电炉中熔化，再采取离心法或用压缩 空气喷吹制成的。岩棉的化学成份表征岩棉抗侵蚀能力的酸度系数是指岩棉中s i o ：， a l ：0 3 、和c a o ，m 。g o 之和的比值。酸度系数愈大，岩棉的抗浸蚀能力愈强，岩棉的酸 度系数一般不小于1 5 。岩棉的化学成分为：s i o z ( 4 0 - - , 5 0 ) ，a 1 2 0 3 ( 9 - - - 1 8 ) ， f e 2 0 3 ( 1 9 ) ，c a o ( 1 8 2 8 ) ，m g o ( 5 1 8 ) ，其它( 1 5 ) 。不同岩 棉制品的导热系数一般在0 0 3 5 - 0 0 5 2 w ( m ) ，最高使用温度为6 5 0 。试验所需 要的温度是室温到2 0 0 ，价格也合理。根据g b l1 8 3 5 1 9 8 9 绝热用岩棉、矿渣棉及 其制品的规定，散棉的导热系数s 0 0 4 4w ( m ) 。岩棉毡、垫及管壳、筒等在常 温下的导热系数一般在o 0 4 7 - - - 0 0 5 2 w ( m ) 1 9 1 10 1 。 3 2 数学模型的建立 图3 1 为管道保温材料的结构示意图，r ，为管道内径，r 2 为管道外径，r 。为保温 层的外径；k w ，k i 分别为管道和保温材料的热传导效率。h f ，t f ，t 锄，h 。分别热流体 与管壁的对流传热系数、管道内流体温度、周围空气的温度及空气与保温层之间的传 热系数。热流体由管壁传递到管壁外壁以及保温材料经保温层外壁传递到周围空气的 热流量，可写成 = 么r 办r ( 0 0 ) = 厶k ( e 一乙) ( 3 1 ) 流过保温层和管壁的热流量中，通过圆筒壁的导热公式得到 ：黑：黑 ( 3 2 )1 垫! 堡z ! 虽2坐( 墨! 堡2 一 2 f o l k w 2 万三毛 由( 3 1 ) 式和( 3 2 ) 式得 = _ _ _ i _ 等 冀- _ - _ ( 3 3 ) 。上+ 堕! 垫! 堡，! + 堕( 垦! 墨z ! + l “ a f hf 2 r r l k , ,2 r c l k 。 a 口m h a m 式中， a 户2 万r l l ，a 锄：2 刀，r 3 l 3 3 确定极限半径 理论上存在的极限半径，只和保温材料的热传导率k i 以及管道保温层与周围空气 环境换热系数h 锄有关系，管子半径与保温层厚度之和当热流损失达到极大值的时候。 图3 1 管道保温结构图 t m ，h 锄 q 2 者；q2 镤；g2 掣；q = 丽1 则式( 3 3 ) 可写为： ：二f - _ 土坠一 ( 3 4 ) q + q + g + g 在特殊规定的环境下，在规定的管道里流动的流体温度与速度是定值时，假设管 道的保温材料与周围环境的对流传热系数h 锄是固定常数，由( 3 4 ) 式可知，q 。和q ： 是固定的常数，随保温材料保温层半径r 3 的逐渐增大，热流量损失中只随着q ，和q 。 变化而变化。 设q = g + g = 掣+ 瓦1 ( 3 5 ) 这里对式( 3 5 ) 中r 3 求一阶导数，得下式子 塑：l 一 一 ( 3 6 )一= i nj d r 32 死r 3 l k l2 死r ；l h ， 令式( 3 6 ) 等于0 ，得 1 4 恐= 之 对式( 3 5 ) 中的r 3 求二阶导数并将( 3 7 ) 代入得 ( 3 7 ) 窖：一击+磊：一生o，2 d r jx r 3 2 l k , 4 7 r r ；l h 。4 7 r k 3 , l j 根据二阶导数小于零有极大值定理，即q 在恐= 善处有极大值，所以可得临界半径 r c 。 r c _ 即去 3 4 保温层对温度控制的影响分析与计算 0 0 4 图3 2 a 4 k 吨 图3 2 b 1 5 ( 3 8 ) 萎麓nl弓羞一囊=111lo瞻 铷 k 夸 图3 2 c 3 5 未加保温层的管道半径对热流损失的影响 这里的未加保温层的管道半径指的是净管道的外径。如图3 3 当管道保温材料的传 热系数和管道保温材料的外壁与周围空气之间的对流换热系数为定值时，采用其他都 相同只有净管道半径不相同的两种管道时，保温管道热流能量的损失与绝热层厚度之 间的关系。如图加粗的实线是净管半径大于或者等于极限半径时，管道热流损失随保 温层厚度变化的曲线；细的虚线则是净管道半径小于极限半径的时候，保温管道热流 能损失随保温层厚度增加而变化的曲线。如图所示当净管道半径大于或者等于极限半 径时，保温层厚度的增加时保温管道热流能量的损失会随着减小。然而净管半径小于 极限半径的时候，会有一区间是净管的半径与管道保温层厚度的和还小于极限半径， 保温管道热流能的损失增加时，保温层厚度也会随着增加，当保温层厚度与净管半径 之和等于极限半径时热流能损失会出现峰值；当保温层厚度和裸管半径之和大于极限 半径时，保温管道的热流能损失跟保温材料厚度成反比。这里有一点：在保温管道的 净管道半径小于极限半径的时候，存在当量厚度值( 管道保温层的厚度与净管半径的 和大于极限半径且热流能损失与不加保温材料时的热流能损失相同的保温层厚度) ，当 保温材料厚度大于其当量厚度，保温层才会达到保温的效果降低热流能的损失，不然 保温材料不能起到保温的作用还会加大热流能消耗】【1 2 】。 1 6 图3 3 净管道半径对热流能损失的影响 3 6 保温性能受材料导热系数的影响 一 如图3 3 所示为当换热系数达到h a m = 1 0 0 的时候，对r 2 = 3 的净管道装上不相同导 热系数的保温材料，热流能的损失随着保温材料层厚度的变化曲线。由式( 3 8 ) 能得 到导热系数不同材料的相应的半径，只有k i _ o 3 5 的极限半径( = 3 5 ) 大于净管道半 径( r 2 = 3 ) ，别的管道保温材料的极限半径都小于净管道的半径。在图3 4 中，当k k = o 3 5 时曲线变化与图3 3 中虚线变化趋势大概一致；别的曲线与图3 3 中实线的变化趋势一 致。从图3 4 还可以看出，保温管道热流能损失随着与保温材料传热系数成正比，尤其 在净管道半径大于极限半径的时候，在把保温材料装上后，保温管道热流能的损失减 小的很快，但是当减小到某一厚度的时候时，即使加大保温层的厚度值，也不会显著 的减少管道的热流损失，而且这厚度跟保温材料的导热系数成正比【1 3 1 。 图3 4 保温材料导热系数对输送管道热流损失的影响 3 7 对流换热系数对热流能损失的影响 如图3 5 所示为保温管道材料的传热系数k i = 0 1 2 ，r 2 = 1 1 0 时热流能损失随保温层 1 7 迦，奄互ilo乞一盆ko哦_筝一_蜀o 惫2_一盘乏oo砩豢二甍o 材料厚度变化的曲线。可以看出对流传热系数对净管道热流能损失有很大的影响，尤 其在对流强的情况下，损失热流能的现象很严重，但如果加上某一厚度的保温材料， 会显著的减少热流能损失【1 4 】。 图3 5 对流传热系数对热流损失的影响 第四章电控系统设计 4 1 硬件系统设计 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 是在继电器控制的基础上产生的一种新 型工业控制装置。是将微型计算机技术、自动控制技术和通信技术融为一体，应用到 工业控制领域的高可靠性控制器。在p l c 问世之前各种继电器组成的电气控制线路占 据大量的空间，噪音大，消耗大量电能，维修困难。尤其在生产工艺发生变化时，会 带来巨大的工作量。1 9 6 8 年，美国通用汽车公司( g m ) 为了满足市场需求，适应汽 车生产工艺不断更新的需要，提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出 新一代控制器应具备十大条件。1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 研制出了世界上 第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上，取得了显著的经济效益。 p l c 发展极为迅速。1 9 7 1 年日本从美国引进这项新的技术开始生产可编程控制器。1 9 7 3 德国西门子公司研制出了欧洲第一台p l c 。目前世界上著名的电气厂商都生产p l c 系 列产品。从p l c 的产生到现在，尽管时间不长，但由于编程简单、可靠性高、使用方 便、维修容易、价格适中等优点，得到了迅猛的发展，在冶金、机械、石油、化工、 纺织、轻工、建筑、运输、电力等部门得到了广泛的应用。可编程控制器从诞生到现 在经历了四次更新换代【l 引。 表4 1 各代p l c 功能对比 从组成结构上看p l c 一般分为整体式和模块式及分散式三种。整体式p l c 一般由 c p u 板、i o 板、显示面板、内存和电源组成。模块式p l c 一般由c p u 模块、i 0 模 块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。分散式就是将控制器的c p u 、电源、存 储器放在控制室，而将i 0 模板分散放置在各个工作站，由通信接口进行通信本文实 物采用的是模块式的p l c ，几乎所有的p l c 都是属于总线式的开发结构，其结构组成 如图4 1 0 所示。 继 图4 1 0p l c 的组成 1 、c p u (