换热器出口温度的串级控制

目录

1 换热器工作原理及结构特点 (1)

1.1问题背景 (1)

1.2被控对象的特性分析 (2)

1.3 目前换热器的控制方法 (7)

2 控制方案的选择 (9)

3 仪表的选型及参数的确定 (11)

3.1流量测量仪 (11)

3.2调节器 (12)

3.3 调节阀 (13)

4 控制系统的仿真 (14)

4.1各个环节传递函数及各个参数的确定 (14)

5 课程设计总结 (17)

6 主要参考文献 (18)

7 附图 (19)

1 换热器工作原理及结构特点

1.1问题背景

换热器是一种用来进行热量交换的工艺设备，在工业生产中应用极为广泛。它的作用是通过热流体加热冷流体，使工作介质达到生产工艺所规定的温度要求，以利于生产过程的顺利进行，同时避免生产过程中的浪费，以节约能源。

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。按照传热方式的不同，换热设备可分为三类：

1、混合式换热器：利用冷、热流体直接混合的作用进行热量的交换。这类交换器的结构简单、价格前便宜、常做成塔状。例如：冷水塔（凉水塔）、造粒塔、气流干燥装置、流化床等。

在这类换热器中，能量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。

2、蓄热式换热器

：

蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适用于气气热交换的场合。主要用于石油化工生产中的原料气转化和空气余热。

3、间壁式换热器：所谓间壁式换热器，是指两种不同温度的流体在固定的壁面（称为传热面）相隔的空间里流动，通过壁面的导热和壁表面的对流换热进行热量的传递。间壁式换热器的传热面大多采用导热性能良好的金属制造。在某些场合由于防腐的需要，也有用非金属（如石墨，聚四乙烯等）制造的。这是工业制造最为广泛应用的一类换热器。按照传热面的形状与结构特点它还可分为：

（1)管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。

（2）板面式换热器：如板式、螺旋板式，、板壳式等。

（3）扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。

其中，在间壁式换热器中，管壳式换热器易于制造、生产成本较低、选材范围广、传热表面的清洗比较方便、适应较强、处理量较大，具有高度工作可靠性，能够承受高压、高温。虽然在结构紧凑性，传热强度和单位传热面积的金属耗量方面它确实有着缺点，但是由于其优点，使之能在出现的新兴换热器的今天，依然充满生命力，居于统治地位。

换热系统中，生产过程需要对系统的一些参数进行控制，其中，换热器出口介质的温度是最为主要、最为常见的控制对象，也是关系工艺产品质量的重要因素之一。目前，对温度的控制大都采用传统的PID调节器。但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性

的特点，而且整个控制过程与环境条件及换热系统本身等因素密切相关，是一个典型的参数时变的非线性系统，所以，要寻求一个更好地控制办法以满足工业生产的需要。 1.2被控对象的特性分析

在本文中，以列管式逆流单程换热器进行分析，令1G 为热流体的流量，2G 为冷流体流量。

1i T 分别为热流体和冷流体的入口温度，分别为热流体和冷流体的出口温度，而12c c 、分别为热

流体和冷流体的比热容。

静态特性分析：

对象的静态特性就是要确定11212o i i T T T G 与、、、G 之间的函数关系。静态特性的求得，可以作为控制方案设计时系统的扰动分析。静态放大系数也能作为系统整定分析，以及控制阀流量特性选择的依据。静态特性推导的两个基本方程式一热量平衡关系式及传热速率方程式为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，则热流体失去的热量应该等于冷流体吸收的热量，

[]7

热量平衡方程为

()()111i 2o 2222i o q G c T T G c T T =-=- （1-1）

式中，q 为传热速率(单位时间内传递的热量)；

G 为质量流量；c 为比热容；T 为温度。

式中的下标处 1 为载热体；2 为冷流体；i 为入口；o 为出口。 另外，传热过程中的[]7

传热速率为

q KF T =∆ （1-2）

式中，K 为传热系数；F 为传热面积；T ∆为两流体间的平均温差。 其中平均温差T ∆对于逆流、单程的情况为对数平均值

1i 1o 202i 12

1i 1o 122o 2i

()()ln ln

T T T T T T T T T T

T T T ---∆-∆∆=

=

∆-∆∆∆∆-∆ （1-3） 在

1i 122133o

o i

T T T T -≤≤-，其误差在5%以内，可采用算数平均值来代替。算术平均值为： ()()2121+=

2

i o o i T T T T T --∆ （1-4）

对上述公式进行整理后得到：

11211111221

112o i i i T T T T G c G c KF G c -=

-⎛⎫

++ ⎪⎝⎭

（1-5） 上式为逆流、单程列管式换热器静态特性的基本表达式。其中各通道的静态放大倍数均可由此式推出：

(l)热流体入口温度1i T 对出口温度1o T 的影响，即11i o T T ∆→∆通道的静态放大倍数。对上式⑤进行增量化，令20i T ∆=，则可得:

10111111221

112i i T T T G c G c KF G c ∆-∆=-⎛⎫

++ ⎪⎝⎭

（1-6）

由⑥式可求得11i o T T ∆→∆通道的静态放大倍数为:

1011111221

1112i T T G c G c

KF G c ∆=-∆⎛⎫++ ⎪⎝⎭

（1-7） 该式表明，1i T ∆与1o T ∆之间为线性关系，其静态放大倍数为小于1的常数。

（2）冷流体入口温度2i T 对热流体出口温度1o T 的影响，即21i o T T ∆→∆通道的静态放大倍数。同样对式（1-5）进行增量化，令10i T ∆=，可得:

1011111221

112i T T G c G c KF G c ∆=∆⎛⎫

++ ⎪⎝⎭

（1-8） （1-8）式表明，11i o T T ∆∆与之间也为线性关系。

（3）热流体流量1G 对其出口温度1o T 的影响，即11o G T ∆→∆通道的静态放大倍数， 通过对式（1-5）进行求导

11

o

dT dG ，求取静态放大倍数为:

()222112

1

2222211111212i i o

G c T T dT dG G c G c G c KF G c -=⎡⎤⎛⎫++⎢⎥

⎪⎝⎭⎣⎦

（1-9）