换热器比值控制课程设计(编辑修改稿)

换热器比值控制课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

    （ 112） 时间和空间的边界表达式为：                      1 1 2 21 1 1 12 2 2 2, 0 , , 00 , , 1 ,0 , , 1 ,iooiT l T l T l T lT t T t T t T tT t T t T t T t （ 113） 上述两个方程式（ 111）和（ 112）及其边界条件（ 113）就是描述列管式换热器行为的动态方程。 要对这样的动态方程进行精确的解析求解是很困难的。 通常为了便于计算机实时控制和现代控制理论的应用，可以采用时间、空间离散化的方法，将上述连续偏微分方程转换成 相应的离散状态空间模型。 为了能说明传热对象的动态特性的基本规律，也可近似应用一些经验公式来描述。 对于换热器的动态特性，可以用下面的近似关系式来表示。 (l)热流体入口温度 1iT ，冷流体入口温度 2iT 对热流体出口温度 1oT 的影响，即 11ioTT ，21ioTT 的通道特性。 如用传递函数来描述，可为 :   1KGs Ts  （ 114） 式中： K— 各通道的静态放大倍数。 /T W G WG、 — 分别为换热器的容量和冷流体的流量。 s — 拉普拉斯运算子符号。 中北大学课程设计说明书 8 (2)热流体流量 1G 、冷流 体流量 2G 对热流体出口温度 1oT 的影响，即 1 1 2 1ooG T G T、 通道特性。 如用传递函数来描述，可为 :      21211 sKG s eT s T s   （ 115） 式中 :K— 各通道的静态放大倍数； 1 1 2 21 //2W G W GT  （ 116） 1 1 2 22 //8W G W GT  （ 117） 1 2 1 2W W G G、 、 、 — 分别为热流体和冷流体的储存量和流量。 由式（ 115）看出，过程通道 的动态特性均可近似为带有纯滞后的二阶惯性环种近似关系可以这样理解，要从热流体把热量传递到冷流体，必须先由热流体传给间壁，然后再由间壁传给冷流体，这样就成为二阶惯性环节。 此外，还考虑了由于停留时间所引起的纯滞后。 式（ 115）为一个近似的经验表达式，因为二阶环节的两个时间常数不不仅取决于两侧流留时间，而且与列管的厚度、材质、结垢等情况有关，但是，这个式子一定程度上描述了换热器动态特性的内在性质。 在热器出口温度控制系统中，热流体流量 2G 不发生变化，冷流体和热流体表示冷水和热水。 换热器热流体进出口温度差在 40C 附近，冷 流体进出口温差在 30℃左右。 假设热流体温度由 80℃降低到 40℃，则根据以下数据 : 水的比热  12 1 / .c c kcal kg C 水的密度取 3/kg m ， 40℃时水的密度为 3/kg m。 换热器冷却面积 23Fm 壳体长度 =1500L mm。 热流体流量 31 /G m h=2。 冷流体流量 32 /G m h=7。 根据式经验公式（ 115）可求得换热器动态特性的基本规律，由式（ 19）求出增益 K 为 : 122。 K T s T s   故换热器温度控制的数学模型为 : 中北大学课程设计说明书 9   1 1 . 8 52 25 3 7 5 7 . 1 7 1 sG s ess   （ 118） 由上式可以看出系统的滞后时间常数为 ，换热器出口温度控制系统是惯性和时间滞后均较大的系统。 控制方案的选择 换热器的控制方法 换热器是传热设备中较为简单的一种，也是最常见的一种。 通常它两侧的介质 (工艺介质和载热体 )在换热过程中均无相变。 换热器换热的目的是保证工艺介质加热 (或冷却 )到一定温度。 为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传递的热量进行调节。 调节热量有以下几种方式。 1) 控制载热体流量 这个方案的控制流程如图 1 所示。 其控制原理可通过热量平衡方程和传热速率方程来分析。 图 3 换热器控制流程图 由于冷流体的传热符合热量平衡方程式，又符合传热速率方程式，通过对换热器静态特性分析部分的内容，因此有下列关系  2 2 2 2oiG c T T K F T   （ 119） 整理后得 2222oiKF TTTGc （ 120） 当从上式可看出，在传热面积 F 、冷流体进口流量 2G 、温度 2iT 和比热容 2c 一定的情况下，影响冷流体出口温度 2oT 的因素主要为传热系数 K 及平均温差 T。 控制载流中北大学课程设计说明书 10 体流量实质上是改变 T。 若由于某种原因使 2oT 降低，控制器 TC 将使控制阀门增大，载热体流 量 1G 增加，传递的热量增加，这就必然导致冷热流体平均温差 T 升高，从而使工艺介质 的出口温度 2oT 增加。 载热体流量 1G 增加，一方面使温差 T 增加，另一方面传热系统数 K 也会增加，但在通常情况下传热系统数 K 变化不大，所以经常忽略。 因此这种方案实质上是通过改变 T 来控制工艺介质的出口温度的。 改变载热体流量是应用最为普遍的控制方案，多适用于载热体流量 1G 的变化对温度影响较灵敏的场合。 当载热体流量已经变得很大， 11ioTT 较小时，进入饱和区控制就很迟迍，此时不宜采用此方案。 2) 控制载热体旁路流量 当载热体本身也是一种工艺物料，其流量不允许变化时，可采用此控制方 11ioTT 案。 它的控制原理也是利用改变温差 T 的手段来达到温度控制的目的。 这里采用三通控制阀来改变进入换热器的载热体流量与旁路流量的比例，这样既可以改变进入换热器的载热体流量，又能保证载热体总流量不受影响。 3) 工艺介质的旁路控制 当工艺介质的流量允许变化，而且换热器的传热面有富余时，可将工艺介质的一部分经换热器，其余部分由旁路直接流到出口处，然后将两者混合起来控制温度。 该控制方案中被控变量是冷流体和热流体混合后的温 度，热流体温度大于设定温度，冷流体温度小于设定温度，通过控制冷热流体流量的配比，使混合 后的温度等于设定温度。 从控制原理上来看，这种方案实际上是一个混合过程。 所以反应及时，过程的滞后并不直接显示出来，适用于停留时间较长的换热器。 但需注意的是换热器必须有较大余量的传热面积，且载热体一直处于最大流量，因此在通过换热器的被加热 介质流量较小时就不太经济。 考虑经济性，旁路的流量通常占总流量的 10%～ 30%。 4) 控制传热面积 从传热速率方程 q KF T 来看，使传热系数 K 和传热平均温差 T 基本保持不变，调节传热面积 F。