过程装备与控制工程 专业实验指导书 郑州大学化工实验中心 过程装备与控制工程实验室 2007年10月
过程装备与控制工程 专业实验指导书 郑州大学化工实验中心 过程装备与控制工程实验室 2007年10月
前言 化工过程机械专业是一个传统的工科专业，为国家的经济建设培养了许多优秀的专业 技术人才，为我国的石油化学工业的建设与发展作出了突出贡献。随着经济建设的发展及 工业结构的调整，对传统专业也进行调整与改革，从1998级起，全国化工过程机械”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，以培养面向21世纪 的知识面广、创新能力强、综合素质高的大学生。 为实现“过程装备与控制工程专业的本科教学目的，培养“厚基础、宽专业、高素 质、高能力创新人才，对专业课程体系进行了构建，对专业实验进行了改造与建设，提 升了专业实验装备技术水平，构建了以“过程设备及控制系统”为专业特色的综合实验系 统，以全面培养学生的工程素养，提高学生科技创新能力。 过程装备与控制工程专业的实验装置，有两套多功能综合实验装置（内外压容器基本 实验综合装置，换热器多功能综合实验装置)与单台实验装置若干。 内外压容器基本实验综合实验项目有： (1)内压薄壁容器应力测定实验： (2)外压薄壁容器稳定性实验： (3)离心泵恒转速性能测定实验： (4)恒流量控制实验 (5)恒压力控制实验： (6)液位对象特征测定实验。 换热器多功能综合实验项目： (1)换热器壳体应力测定实验： (2)换热器管程和壳程压力降测定实验： (3)换热器换热性能实验： (4)流体传热系数测定实验 (5)离心泵恒转速性能测定实验： (6)恒压力控制实验： (7)恒流量控制实验 (8)换热器出口温度串级控制实验
前 言 化工过程机械专业是一个传统的工科专业，为国家的经济建设培养了许多优秀的专业 技术人才，为我国的石油化学工业的建设与发展作出了突出贡献。随着经济建设的发展及 工业结构的调整，对传统专业也进行调整与改革，从1998级起，全国“化工过程机械”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，以培养面向21世纪 的知识面广、创新能力强、综合素质高的大学生。 为实现“过程装备与控制工程”专业的本科教学目的，培养“厚基础、宽专业、高素 质、高能力”创新人才，对专业课程体系进行了构建，对专业实验进行了改造与建设，提 升了专业实验装备技术水平，构建了以“过程设备及控制系统”为专业特色的综合实验系 统，以全面培养学生的工程素养，提高学生科技创新能力。 过程装备与控制工程专业的实验装置，有两套多功能综合实验装置（内外压容器基本 实验综合装置，换热器多功能综合实验装置）与单台实验装置若干。 内外压容器基本实验综合实验项目有： （1）内压薄壁容器应力测定实验； （2）外压薄壁容器稳定性实验； （3）离心泵恒转速性能测定实验； （4）恒流量控制实验； （5）恒压力控制实验； （6）液位对象特征测定实验。 换热器多功能综合实验项目： （1）换热器壳体应力测定实验； （2）换热器管程和壳程压力降测定实验； （3）换热器换热性能实验； （4）流体传热系数测定实验； （5）离心泵恒转速性能测定实验； （6）恒压力控制实验； （7）恒流量控制实验； （8）换热器出口温度串级控制实验。 1
通过本课程的实践教学环节，使学生加深对专业课程有关内容的理解与掌握，掌握专 业实验方法和一些的基本测试技术，提高学生的动手能力和工程实践能力，培养学生观察 问题、分析问题与解决问题的能力，从而全面提高和培养学生的科技创新与实践创新能力， 同时也培养学生的团结协作能力。 本课程的学习要求为：要求学生实验前预习，明确实验目的、实验原理、实验步骤与 方法，了解实验所使用的装置与仪器。在实验过程中，积极听实验指导教师的讲解，并主 动思考，实验操作积极主动，细细致认真，实验记录完整。实验后及时提交实验报告。对 实验报告的要求，根据每个实验的内容特点及有关要求来完成，做到认真规范，内容详实。 实验报告要求： 一，采用统一格式的封面： 二，实验报告按要求顺序装订： 三，每项实验报告内容，一般应包括一些内容： 1实验目的： 2.实验原理： 3.实验装置（要求绘出实验装置示意图，并对各部分进行说明）： 4.实验方法与步骤、实验数据（实验各种测定数据记录值，建议以表格的形式）： 5数据处理与分析（进行有关分析与计算，包括理论值与实验值的误差分析）： 6结果分析、讨论及建议。 参与本次实验讲义修订工作的主要教师有：刘利平、李洪亮、王定标、张循良、陈俊 英等，此外还有一些专业教师对本实验课程提出了一些建议，在此表示感谢。本书编写过 程中参阅的资料有：宋树波等主编《过程装备与控制工程专业实验》、贾高顺《化工机械 专业实验》、北京化工大学编写的《过程装备与控制工程专业多功能综合实验指导书》及 各种仪器说明书等。 编写时间仓促及编者水平有限，难免有不足和欠妥之处，恳请读者提出宝贵意见。 编者 2007年10月
通过本课程的实践教学环节，使学生加深对专业课程有关内容的理解与掌握，掌握专 业实验方法和一些的基本测试技术，提高学生的动手能力和工程实践能力，培养学生观察 问题、分析问题与解决问题的能力，从而全面提高和培养学生的科技创新与实践创新能力， 同时也培养学生的团结协作能力。 本课程的学习要求为：要求学生实验前预习，明确实验目的、实验原理、实验步骤与 方法，了解实验所使用的装置与仪器。在实验过程中，积极听实验指导教师的讲解，并主 动思考，实验操作积极主动，细细致认真，实验记录完整。实验后及时提交实验报告。对 实验报告的要求，根据每个实验的内容特点及有关要求来完成，做到认真规范，内容详实。 实验报告要求： 一，采用统一格式的封面； 二，实验报告按要求顺序装订； 三，每项实验报告内容，一般应包括一些内容： 1.实验目的； 2.实验原理； 3.实验装置（要求绘出实验装置示意图，并对各部分进行说明）； 4.实验方法与步骤、实验数据（实验各种测定数据记录值，建议以表格的形式）； 5.数据处理与分析（进行有关分析与计算，包括理论值与实验值的误差分析）； 6.结果分析、讨论及建议。 参与本次实验讲义修订工作的主要教师有：刘利平、李洪亮、王定标、张循良、陈俊 英等，此外还有一些专业教师对本实验课程提出了一些建议，在此表示感谢。本书编写过 程中参阅的资料有：宋树波等主编《过程装备与控制工程专业实验》、贾高顺《化工机械 专业实验》、北京化工大学编写的《过程装备与控制工程专业多功能综合实验指导书》及 各种仪器说明书等。 编写时间仓促及编者水平有限，难免有不足和欠妥之处，恳请读者提出宝贵意见。 编 者 2007年10月 2
目录 实验一内压薄壁容器应力测定 .4 实验二振动与隔振实验， 实验三超声波探伤 .14 实验四空气压缩机性能测定实验 22 实验五外压薄壁容器稳定性实验… 31 实验六恒压力控制实验 .34 实验七液位对象特征测定实验 .38 实验八换热器管程和壳程压力降测定实验..… .46 实验九换热器换热性能实验 …4………………小…………… .48 实验十流体传热系数测定实验79 3
目 录 实验一 内压薄壁容器应力测定…………………………………………………4 实验二 振动与隔振实验…………………………………………………………9 实验三 超声波探伤………………………………………………………………14 实验四 空气压缩机性能测定实验………………………………………………22 实验五 外压薄壁容器稳定性实验………………………………………………31 实验六 恒压力控制实验…………………………………………………………34 实验七 液位对象特征测定实验…………………………………………………38 实验八 换热器管程和壳程压力降测定实验……………………………………46 实验九 换热器换热性能实验……………………………………………………48 实验十 流体传热系数测定实验…………………………………………………79 3
实验一内压薄壁容器应力测定 一、实验目的 1.了解薄壁容器在内压的作用下，容器壳体、封头的应力分布情况： 2.验证薄壁容器应力计算的理论公式： 3.掌握应力电测法的实验操作技能，包括应变片粘贴、灵敏系数和横向效应系数的 测定，了解电阻应变仪等仪器的工作原理、使用方法，内压薄壁容器应力测量。 二、实验内容 对各种典型的顶盖、筒体及其不连续处的应力进行测试。顶盖可以是椭圆形、半球 形、锥形、平板等，可选其中的一、两种进行测定。 三、实验原理及方法 本实验是测定内压薄壁容器外壁上的应力，并与理论计算值进行比较，分析产生误 差的原因，然后对实验结果进行讨论。 1.实验前的准备 (1)了解测试对象的技术参数，包括几何尺寸、材料性能及机械性能指标。 (2)测点选择在容器外壁上给定的区域内选择测量点。 (3)布片方案由于本实验要测量的容器外表面均处于平面应力状态，而且两主应 力方向己知，故每测量点的布片数为两片，其方向分别为径向和周向。 (4)应变片桥接方式因容器是受单一载荷作用，而且是在室内进行测试，故采用同 一温度补偿片的半桥测量方式，并由预调平衡箱实现多点测量。 2.现场实验工作 (1)测点表面的打磨、划线和清洗脱脂处理： (2)应变片的粘结，应变片与连接线的焊接与固定 (3)应变片与应变仪的连接： (4)静态电阻应变仪、预调平衡箱的调整与操作： (5)容器加载测量，记录数据。 3.数据处理及应力计算 (1)原始测量数据整理 首先进行原始数据的整理，并进行系统修正误差计算。如进行灵敏系数K值的计算， 应变片横向效应的修正计算，连接导线电阻的修正计算，电阻应变片不符合标准值的修正 计算。上述这些计算，根据实际情况选用。 (2)应力计算公式 根据修正计算后的主应变，可计算出设备的主应力，应力计算公式为： -(+ (1-1) 4
一、实验目的 实验一 内压薄壁容器应力测定 1. 了解薄壁容器在内压的作用下，容器壳体、封头的应力分布情况； 2. 验证薄壁容器应力计算的理论公式； 3. 掌握应力电测法的实验操作技能，包括应变片粘贴、灵敏系数和横向效应系数的 测定，了解电阻应变仪等仪器的工作原理、使用方法，内压薄壁容器应力测量。 二、实验内容 对各种典型的顶盖、筒体及其不连续处的应力进行测试。顶盖可以是椭圆形、半球 形、锥形、平板等，可选其中的一、两种进行测定。 三、实验原理及方法 本实验是测定内压薄壁容器外壁上的应力，并与理论计算值进行比较，分析产生误 差的原因，然后对实验结果进行讨论。 1. 实验前的准备 （1）了解测试对象的技术参数，包括几何尺寸、材料性能及机械性能指标。 （2） 测点选择 在容器外壁上给定的区域内选择测量点。 （3） 布片方案 由于本实验要测量的容器外表面均处于平面应力状态，而且两主应 力方向已知，故每测量点的布片数为两片，其方向分别为径向和周向。 （4）应变片桥接方式 因容器是受单一载荷作用，而且是在室内进行测试，故采用同 一温度补偿片的半桥测量方式，并由预调平衡箱实现多点测量。 2. 现场实验工作 （1）测点表面的打磨、划线和清洗脱脂处理； （2）应变片的粘结，应变片与连接线的焊接与固定； （3）应变片与应变仪的连接； （4）静态电阻应变仪、预调平衡箱的调整与操作； （5）容器加载测量，记录数据。 3. 数据处理及应力计算 （1）原始测量数据整理 首先进行原始数据的整理，并进行系统修正误差计算。如进行灵敏系数K值的计算， 应变片横向效应的修正计算，连接导线电阻的修正计算，电阻应变片不符合标准值的修正 计算。上述这些计算，根据实际情况选用。 （2） 应力计算公式 根据修正计算后的主应变，可计算出设备的主应力，应力计算公式为： E 12 4 （1-1）