41 传热设备控制
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（2）控制载热体的旁路
当载热体是工艺物料、其流量不允许 节流时，可采用图4.4所示的控制方案。这 种方案的控制机理与前一种方案相同，也 是采用改变温差Δtm和传热系数K的手段来 达到控制温度t2的目的的。方案中采用三通 控制阀来改变进入换热器的载热体流量及 其旁路流量的比例，这样既可以控制进入 换热器的载热体的流量，又可保证载热体 总流量不受影响。这种控制方案在载热体 为工艺物料时是极为常见的。
① 对于载热体在传热过程中不发生相变化的情况，主 要是改变传热速率方程中的传热系数K；
② 而当载热体在传热过程中发生相变化时，情况要复 杂得多，主要是改变传热速率方程中的平均温差Δtm。
如图4.2所示，是控制载热体流量的方案之一，这种方 案最简单，适用于载热体上游压力比较平稳及生产负荷变 化不大的场合。假设由于某种原因使t2升高，控制器将会 使阀门关小以减小载热体的流量G1。从传热速率方程可以 看出，K、Δtm会同时减小，从而把冷流体的出口温度t2拉 回到设定值的控制要求。
③ 回收热量。 根据传热设备的传热目的，传热设备的控制主要是热 量平衡的控制，一般取温度作为被控变量。对于某些传热 设备，也需要增加有约束重要条件的控制，以对生产过程 和设备的安全起到保护作用。
第四章 传热设备控制系统
4.1.1 传热设备的静态数学模型
对象的静态数学模型是指在稳定条件下对象的输出变量（通常 是受控变量）与输入变量之间的函数关系。而建立数学模型的意 义，从自控的角度理解，可体现为如下三个方面：
图4.4 载热体旁路控制方案
第四章 传热设备控制系统
（3）控制被加热流体流量的旁路 如图4.5所示，为被加热流体流量旁路控制方案，其中
一部分工艺物料经换热器，另一部分走旁路。从控制机理 来看，这种方案实际上是一个混合过程，所以反应迅速及 时，适用于物料在换热器里停留时间较长的操作。但需要 注意的是，换热器必须要有富裕的传热面积，而且载热体 流量一直处于高负荷下，该方案在采用专门的载热体时是 不经济的。然而对于某些热量回收系统，载热体是工艺物 料，总量本不宜控制，所以适合采用这种方案。
第四章 传热设备控制系统
图4.1 列管式换热器原理
1．热量平衡关系式 在忽略热损失的情况下，冷流体所吸收的热量，应等于热流 体放出的热量，其热量平衡关系式为
q G1c1 T1 T2 G2c2 t2 t1
（4-1）
式中，q——传热速率，单位是J/s； G1，G2——分别为载热体和冷流体的质量流量，单位是kg/h； c1，c2——分别为载热体和冷流体的比热容，单位是J/(kg·℃)； T1，T2——分别为载热体入口和出口温度，单位是℃； t1，t2——分别为冷流体入口和出口温度，单位是℃。
第四章 传热设备控制系统
4.1.2 一般传热设备的控制
一般传热设备，通常指换热器、蒸汽加热器、再沸器、 冷凝冷却器及加热炉等。
1．换热器的控制
换热器操作的目的是为了使生产过程中的物料加热或
冷却到一个工艺要求的温度。当换热器两侧的流体在传热 过程中均无相态变化时，一般采用下列几种控制方案。
（1）控制载热体的流量
生产过程中进行传热的目的主要有三种。如下所述。
第四章 传热设备控制系统
① 使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他 工艺过程能很好地进行。对工艺介质进行加热或冷却，有 时在工艺过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工 艺过程能在规定的温度范围内进行。
② 某些工艺过程需要改变物料的相态。根据工艺过程 的需要，有时加热使工艺介质汽化；有时则冷凝除热，以 使气相物料液化。
对于图4.1所示的换热器，由于冷、热流体间的传热 既符合热量平衡方程式，又符合传热速率方程式，因此有 下列关系式：
G2c2 t2 t1 KFtm
（4-3）
式（4-3）可改写为 t2＝(KFΔtm/G2c2)＋t1
（4-4）
第四章 传热设备控制系统
从式（4-5）可以判断出，在传热面积F及冷流体进口 流量G2、入口温度t1及比热容c2一定的情况下，影响冷流 体出口温度t2的主要因素是传热系数及平均温差Δtm。控制 载热体的流量wk.baidu.com质上是改变了传热速率方程中的传热系数 K和平均温差Δtm，可分为下列两种情况讨论：
① 作为控制方案设计时系统的扰动分析，以选择操纵变量和 确定控制方案；
② 静态放大系数也能作为系统分析和控制器参数整定的参考； ③ 作为控制阀流量特性选择的依据。 传热过程工艺计算的两个基本方程式是热量平衡关系式和传热 速率方程式，它们是构成传热设备静态特性的两个基本方程式。 热量的传递总是由高温物体传向低温物体，两物体之间的温差 是传热的推动力。对于图4.1所示的列管式换热器，假定输出变量 为t2，输入变量为T1、G1、t1、G2，则建立该对象的静态数学模型 就是要找出t2与T1、G1、t1、G2之间的函数关系。
第四章 传热设备控制系统
2．传热速率方程式 由传热定理可知，热流体向冷流体的传热速率可按下式计算：
q＝KF tm
（4-2）
式中， K——传热系数，单位为kcal/(℃·m2·h)，(1cal＝4.18 J)；
F——传热面积，单位为m2；
Δtm——两流体间的平均温差，单位为℃。 在各种不同情况下平均温差Δtm的计算方法是不同的，篇幅所 限，在此不予详细介绍，需要时可参考有关资料。
第四章 传热设备控制系统
如果载热体上游压力不平稳，则需采取稳压措施使其稳 定，或采用以出口温度t2为主变量、载热体流量G1为副变量 的串级控制系统，力求达到工艺操作的要求，如图4.3所示。
图4.2 改变载热体流量控制温度
图4.3 换热器串级控制系统
第四章 传热设备控制系统
控制载热体流量是换热器操作中应用 最为普遍的一种控制方案，多适用于载热 体流量变化对温度影响较灵敏的场合。
第四章 传热设备控制系统
4.1 传热设备的控制
在工业生产过程中，根据工艺的要求，经常需要对物料 进行加热或冷却来维持一定的温度，因此，传热过程是工 业生产过程中重要的组成部分。为保证工艺过程的正常、 安全运行，必须对传热设备进行有效的控制。
热量传递的方式有热传导、对流和热辐射三种，而实际 的传热过程很少是以一种方式单纯进行的，往往由两种或 三种方式综合而成。传热设备主要用来对物料进行加热或 冷却，以维持一定的温度。传热设备的种类很多，主要有 换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器及加热炉等。由于 它们的传热目的不同，被控变量也不完全一样。
当载热体是工艺物料、其流量不允许 节流时，可采用图4.4所示的控制方案。这 种方案的控制机理与前一种方案相同，也 是采用改变温差Δtm和传热系数K的手段来 达到控制温度t2的目的的。方案中采用三通 控制阀来改变进入换热器的载热体流量及 其旁路流量的比例，这样既可以控制进入 换热器的载热体的流量，又可保证载热体 总流量不受影响。这种控制方案在载热体 为工艺物料时是极为常见的。
① 对于载热体在传热过程中不发生相变化的情况，主 要是改变传热速率方程中的传热系数K；
② 而当载热体在传热过程中发生相变化时，情况要复 杂得多，主要是改变传热速率方程中的平均温差Δtm。
如图4.2所示，是控制载热体流量的方案之一，这种方 案最简单，适用于载热体上游压力比较平稳及生产负荷变 化不大的场合。假设由于某种原因使t2升高，控制器将会 使阀门关小以减小载热体的流量G1。从传热速率方程可以 看出，K、Δtm会同时减小，从而把冷流体的出口温度t2拉 回到设定值的控制要求。
③ 回收热量。 根据传热设备的传热目的，传热设备的控制主要是热 量平衡的控制，一般取温度作为被控变量。对于某些传热 设备，也需要增加有约束重要条件的控制，以对生产过程 和设备的安全起到保护作用。
第四章 传热设备控制系统
4.1.1 传热设备的静态数学模型
对象的静态数学模型是指在稳定条件下对象的输出变量（通常 是受控变量）与输入变量之间的函数关系。而建立数学模型的意 义，从自控的角度理解，可体现为如下三个方面：
图4.4 载热体旁路控制方案
第四章 传热设备控制系统
（3）控制被加热流体流量的旁路 如图4.5所示，为被加热流体流量旁路控制方案，其中
一部分工艺物料经换热器，另一部分走旁路。从控制机理 来看，这种方案实际上是一个混合过程，所以反应迅速及 时，适用于物料在换热器里停留时间较长的操作。但需要 注意的是，换热器必须要有富裕的传热面积，而且载热体 流量一直处于高负荷下，该方案在采用专门的载热体时是 不经济的。然而对于某些热量回收系统，载热体是工艺物 料，总量本不宜控制，所以适合采用这种方案。
第四章 传热设备控制系统
图4.1 列管式换热器原理
1．热量平衡关系式 在忽略热损失的情况下，冷流体所吸收的热量，应等于热流 体放出的热量，其热量平衡关系式为
q G1c1 T1 T2 G2c2 t2 t1
（4-1）
式中，q——传热速率，单位是J/s； G1，G2——分别为载热体和冷流体的质量流量，单位是kg/h； c1，c2——分别为载热体和冷流体的比热容，单位是J/(kg·℃)； T1，T2——分别为载热体入口和出口温度，单位是℃； t1，t2——分别为冷流体入口和出口温度，单位是℃。
第四章 传热设备控制系统
4.1.2 一般传热设备的控制
一般传热设备，通常指换热器、蒸汽加热器、再沸器、 冷凝冷却器及加热炉等。
1．换热器的控制
换热器操作的目的是为了使生产过程中的物料加热或
冷却到一个工艺要求的温度。当换热器两侧的流体在传热 过程中均无相态变化时，一般采用下列几种控制方案。
（1）控制载热体的流量
生产过程中进行传热的目的主要有三种。如下所述。
第四章 传热设备控制系统
① 使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他 工艺过程能很好地进行。对工艺介质进行加热或冷却，有 时在工艺过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工 艺过程能在规定的温度范围内进行。
② 某些工艺过程需要改变物料的相态。根据工艺过程 的需要，有时加热使工艺介质汽化；有时则冷凝除热，以 使气相物料液化。
对于图4.1所示的换热器，由于冷、热流体间的传热 既符合热量平衡方程式，又符合传热速率方程式，因此有 下列关系式：
G2c2 t2 t1 KFtm
（4-3）
式（4-3）可改写为 t2＝(KFΔtm/G2c2)＋t1
（4-4）
第四章 传热设备控制系统
从式（4-5）可以判断出，在传热面积F及冷流体进口 流量G2、入口温度t1及比热容c2一定的情况下，影响冷流 体出口温度t2的主要因素是传热系数及平均温差Δtm。控制 载热体的流量wk.baidu.com质上是改变了传热速率方程中的传热系数 K和平均温差Δtm，可分为下列两种情况讨论：
① 作为控制方案设计时系统的扰动分析，以选择操纵变量和 确定控制方案；
② 静态放大系数也能作为系统分析和控制器参数整定的参考； ③ 作为控制阀流量特性选择的依据。 传热过程工艺计算的两个基本方程式是热量平衡关系式和传热 速率方程式，它们是构成传热设备静态特性的两个基本方程式。 热量的传递总是由高温物体传向低温物体，两物体之间的温差 是传热的推动力。对于图4.1所示的列管式换热器，假定输出变量 为t2，输入变量为T1、G1、t1、G2，则建立该对象的静态数学模型 就是要找出t2与T1、G1、t1、G2之间的函数关系。
第四章 传热设备控制系统
2．传热速率方程式 由传热定理可知，热流体向冷流体的传热速率可按下式计算：
q＝KF tm
（4-2）
式中， K——传热系数，单位为kcal/(℃·m2·h)，(1cal＝4.18 J)；
F——传热面积，单位为m2；
Δtm——两流体间的平均温差，单位为℃。 在各种不同情况下平均温差Δtm的计算方法是不同的，篇幅所 限，在此不予详细介绍，需要时可参考有关资料。
第四章 传热设备控制系统
如果载热体上游压力不平稳，则需采取稳压措施使其稳 定，或采用以出口温度t2为主变量、载热体流量G1为副变量 的串级控制系统，力求达到工艺操作的要求，如图4.3所示。
图4.2 改变载热体流量控制温度
图4.3 换热器串级控制系统
第四章 传热设备控制系统
控制载热体流量是换热器操作中应用 最为普遍的一种控制方案，多适用于载热 体流量变化对温度影响较灵敏的场合。
第四章 传热设备控制系统
4.1 传热设备的控制
在工业生产过程中，根据工艺的要求，经常需要对物料 进行加热或冷却来维持一定的温度，因此，传热过程是工 业生产过程中重要的组成部分。为保证工艺过程的正常、 安全运行，必须对传热设备进行有效的控制。
热量传递的方式有热传导、对流和热辐射三种，而实际 的传热过程很少是以一种方式单纯进行的，往往由两种或 三种方式综合而成。传热设备主要用来对物料进行加热或 冷却，以维持一定的温度。传热设备的种类很多，主要有 换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器及加热炉等。由于 它们的传热目的不同，被控变量也不完全一样。