13.3 换热器仿真工艺流程和仿真操作简介
本单元设计采用典型的间壁式换热器——管壳式换热器。如图13-1所示,来自外界的冷物流(92℃)由泵(P101A/B)送至换热器(E101)的壳程,与流经管程的热物流换热,使温度上升至142℃。冷物流的流量由流量控制器(FIC101)控制,正常流量为19 200 kg/h。来自另一设备的热物流(225℃)经泵(P102A/B)送至换热器(E101),与壳程的冷物流进行传热。热物流的出口温度由温度控制器(TIC102)控制(177℃)。图13-2为传热3D虚拟仿真实验的现场图和DCS图。
图13-1 传热3D虚拟仿真实验的PID图
图13-2 传热3D虚拟仿真实验的现场图和DCS图
图13-3和图13-4分别为传热3D虚拟仿真实验的工厂装置图、装置控制及仪表界面。
本实验的主要目的是让学生掌握传热设备的开停车方法及正常运行过程中所需要控制的相关参数等。在这一单元中,采用指导模式和自主操作模式两种学习方式。指导模式是学生在软件提示下进行设备的开停车步骤和正常运行操作。学生也可以选择自主操作模式,自主操作设备的开车、正常运行和停车步骤。该模块系统会根据学生自主操作的正确性和熟练程度对学生的操作进行评分,以检验学生对这部分知识的掌握程度。
在实验中,通过多种技术手段将传热单元操作开停车和正常运行的过程与流程参数以曲线图、柱状图等形式展现给学生,学生可以直观、生动地了解操作过程中发生的流动、传热和传质等过程变化,因而提高实验教学项目对学生的吸引力。该模块系统对学生操作自动评分,学生可重复操作以求获得更高的分数,从而激发其学习积极性和主动性。
图13-3 传热3D虚拟仿真实验工厂装置图
图13-4 传热3D虚拟仿真实验装置控制及仪表界面
本实验的学习目的是让学生了解传热操作中各种异常操作现象、产生的原因及处理方法,增加学生的实践经验,提高学生应对紧急突发情况的处理能力。在传热操作中,一些异常操作现象(如阀坏、泵坏、管堵和结垢等)会使换热器故障甚至使操作无法进行,情况严重时甚至会造成事故发生,这些状况是实际生产过程中要避免发生的。在实际的实践教学中,从安全等多方面因素考虑,很难让学生直观了解相关的知识。在本模块中,通过虚拟仿真的方法,采用多媒体、三维建模的手段,模拟了这些在实际生产过程中不允许或者不希望出现的现象,对这些现象的产生原因和解决方案进行介绍,以拓展学生的认知范围。
在本模块的教学中,还应着力加强对学生安全意识的培养。在异常情况的介绍中,除了介绍其导致的隐患或事故外,还应对工业生产常发生事故进行介绍。如果学生在自主操作过程中没能及时消除隐患,虚拟仿真界面上会出现因演示异常情况导致的事故,以加深学生的印象,提高学生的安全意识。
在本实验中,针对换热器的主要部件(如列管结构、封头、折流挡板和膨胀节等)、储罐、原料输送设备等,通过三维建模将流体在塔内的流动状况、设备的剖面、拆装和各角度视图进行充分展示(图13-5至图13-7),使设备及流程更形象和直观,便于学生学习和理解,以提高学习效果。
图13-5 换热器操作演示
图13-6 换热器内部构件介绍
图13-7 换热器结构拆卸与组装操作演示
在本实验中,还对传热过程中使用的仪表、阀门、管件、换热器、设备泵及储罐进行拓展介绍,有专门的页面将泵、阀门和仪表的相关内容进行展示(图13-8至图13-13)。学生在学习传热相关知识的同时,也掌握动量传递、热量传递、质量传递的相关知识,建立起“三传”之间的相互联系,为实现对整个流程的综合设计打下基础。
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图13-8 离心泵结构讲解
图13-9 闸阀详细结构讲解
下面以截止阀为例来展示设备原理、特点及适用场合、主要种类、二维演示和三维演示,如图13-14至图13-18所示。
图13-10 仪表结构讲解
图13-11 流量计结构讲解
图13-12 板式换热器结构讲解
图13-13 截止阀详细结构讲解
图13-14 截止阀设备原理
图13-15 截止阀特点及适用场合
图13-16 截止阀主要种类
图13-17 截止阀二维演示
图13-18 截止阀三维演示
通过本实验的学习,学生对传热过程及相关的传质、传热和流体流动相关过程形成初步认识和了解,方便学生将理论知识与实际设备在知识体系中进行对接,熟悉传热过程的基本原理、主要物料走向、主要设备及流程特点等。