过程控制工程_16传热设备的控制
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
q G1c1 (T10 T1i ) G2c2 (T2i T20 )
q=KFΔT
T10 T1i
1
T2i T1i
G1c1 KF
1 2
1
G1c1 G2c2
单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式
16.2 换热器的特性
热交换过程的传热速率方程
q KFmTm
K 为传热系数；Fm 为传热面积； ΔTm 为传热壁两侧流体的平均温差.
过程控制系统及工程
第16章 传热设备的控制
第11章
传热设备的控制
16.1 概述 16.2 传热设备的特性 16.3 一般传热设备的控制 16.4 锅炉设备的控制 16.5 加热炉的控制 16.6 蒸发器的控制
16.1 概述
对物料进行加热或冷却的设备称为传热设备 16.1.1传热设备的类型
传热方式： 传导、对流、辐射 物流接触关系： 直接接触式，间壁式、蓄热式 热量交换形式： 无相变的热量交换、有相变的热量交换
16.2 换热器的特性
G2c2
T2i
G1c1 T10
G1c1 T1i
G2c2 T20 图 逆流单程换热器
16.2 换热器的特性
① 对象静态特性分析 基于热量平衡方程和传热速率方程， 用于系统扰动分析及
静态控制设计依据假设工艺介质与载热体均无相变，而且 没有热损失。 即 被加热物料得到的热量/单位时间 = 载热体放出的热量/单位时间
（3）蒸汽控制 控制过热蒸汽的温度
（4）水处理控制 防止或减少结垢
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
汽包水位的控制是锅炉和蒸汽用户的平稳、安全的保证
水位过高——影响汽水分离，使饱和蒸汽带水过多， 使过热蒸汽温度下降 水位过低——可能全部汽化，产生危险
锅炉的汽包水位控制一般比较严格
T1o --G1 ：
严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等 百分数阀。
T10 T1i T2i T1i
G1c1 1 KF
2
4
T10 T1i T2i T1i
G2c2 KF
G2c2 3 KF 1
G1c1 KF
16.2 换热器的特性
② 对象动态特性分析
分布参数对象：既是时间函数，
T1i→T1o ：
源——动力设备，而蒸汽质量对过程生产有直接影响
分类： 锅炉有多种分类，根据锅炉用途、燃料性质 （煤、油、气）、压力（高、中、低）
结构： 主要结构图 燃烧系统、给水系统、蒸汽产生系统
16.4.1 概述
主要控制系统 （1）汽包水位控制 保持水量与蒸汽量的物料平衡
（2）燃烧控制 保证燃烧的经济性和安全性
蒸汽G2
TC
FC
G1 凝液
图16-14 前馈-反馈控制系统
16.3.3 冷凝冷却器的控制
热载体为液态冷却剂，通过在换热器内蒸发，带走介质热量
① 控制载热体流量
优点：控制平稳，对出口气相压力没有影响
缺点：控制不灵活，另外要保证液位不能过高，防止汽带液
T-L串级控制系统
气氨
TC 图16-16
液氮
16.3.3 冷凝冷却器的控制
q
KFm
(T2o
T1i )
2
(T2i
T1o )
c1G1 (T1o
T1i )
c1G1 KFm
(T1o
T1i )
(T2i
T1i )
1 2
1
c1G1 c2G2
(T1o
T1i )
T1o T1i
1
T2i T1i
c1G1 KFm
1 2
1
c1G1 c2G2
单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式
又是空间的函数
W1 s
精确描述：偏微分方程， G(s) K1e G1 K1es
求解困难
动态纯滞后环节
经验公式近似描述：
T2i→T1o、 G1→T1o 、 G2→T1o
G(s)
K
e 2s
(1s 1)( 2 s 1)
带纯滞后的二阶惯性环节
16.3 换热器的控制
控制方案
两类基本方案：控制载热体流量、旁路控制介质流量
另外，还可以组成前馈——串级控制方案图
载热体
G2
TC
图16-9
工业 介质 G1
16.3.2 蒸汽加热器的控制
蒸汽作为热载体，工业常用 ① 控制载热体流量 蒸汽发生相变，可同时通过ΔT和传热面积控制，只是
要注意出口液体能够连续排出。
蒸汽G2
TC G1
图16-12
凝液
16.3.2 蒸汽加热器的控制
② 控制冷凝液排量 热载体的出口控制，通过改变F控制 控制阀控制液体，口径可以小些，液体 控制平稳， 缺点：滞后
① 控制载热体流量
用载热体流量控制介质出口温 度，最常用的方法
特点：简单易行
TC
但是，当G2已经很大， 而温差较小时，迟钝 控制
另外，若工艺上不允许
对载热体节流时，不 能采用这种方案
载热体 G2
图16-8
工业 介质 G1
16.3.1 换热器的控制
② 介质旁路控制
介质混合过程
控制及时（相当于前馈机理）
② 控制汽相流量
控制灵活，但出口压力波 动，若 直接进入压缩机，对压缩机有影响
气氨
TC
LC 液氮
第11章
传热设备的控制
16.1 概述 16.2 传热设备的特性 16.3 一般传热设备的控制 16.4 锅炉设备的控制 16.5 加热炉的控制 16.6 蒸发器的控制
教学进程
16.4 锅炉设备的控制
16.4.1概述 作用： 锅炉产生蒸汽，而蒸汽一般是过程设备的能量来
对于逆流单程换热器， 可取对数平均值
Tm
(T2o T1i ) (T2i T1o )
ln
Байду номын сангаас
T2o T2i
T1i T1o
若
T2o T1i T2i T1o
在1/3 ~ 3 之间，则可用算术平均近似
Tm
(T2o
T1i ) (T2i 2
T1o )
16.2 换热器的特性
热交换过程的静态方程
q1 c1G1(T1o T1i ) c2G2 (T2i T2o )
结构形式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式 一般传热设备（以上） 特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等
16.2 一般传热设备的控制
换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器等
16.1.2传热设备作用及控制
控制要求： （1） 对工艺介质进行加热或冷却 （2） 使工艺介质发生相变 （3） 热量回收
主要是进行温度控制，以及一些保护性控制
16.2 换热器的特性
仿真分析（静态放大倍数）： T1i → T1o ： 式11-8
T2i → T1o ： 式11-9
T10 1
1
T1i
G1c1 KF
1 2
1
G1c1 G2c2
T10
1
T2i
G1c1 KF
1 2
1
G1c1 G2 c2
16.2 换热器的特性
仿真分析（静态放大倍数）：
T1o --G2 ：
q=KFΔT
T10 T1i
1
T2i T1i
G1c1 KF
1 2
1
G1c1 G2c2
单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式
16.2 换热器的特性
热交换过程的传热速率方程
q KFmTm
K 为传热系数；Fm 为传热面积； ΔTm 为传热壁两侧流体的平均温差.
过程控制系统及工程
第16章 传热设备的控制
第11章
传热设备的控制
16.1 概述 16.2 传热设备的特性 16.3 一般传热设备的控制 16.4 锅炉设备的控制 16.5 加热炉的控制 16.6 蒸发器的控制
16.1 概述
对物料进行加热或冷却的设备称为传热设备 16.1.1传热设备的类型
传热方式： 传导、对流、辐射 物流接触关系： 直接接触式，间壁式、蓄热式 热量交换形式： 无相变的热量交换、有相变的热量交换
16.2 换热器的特性
G2c2
T2i
G1c1 T10
G1c1 T1i
G2c2 T20 图 逆流单程换热器
16.2 换热器的特性
① 对象静态特性分析 基于热量平衡方程和传热速率方程， 用于系统扰动分析及
静态控制设计依据假设工艺介质与载热体均无相变，而且 没有热损失。 即 被加热物料得到的热量/单位时间 = 载热体放出的热量/单位时间
（3）蒸汽控制 控制过热蒸汽的温度
（4）水处理控制 防止或减少结垢
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
汽包水位的控制是锅炉和蒸汽用户的平稳、安全的保证
水位过高——影响汽水分离，使饱和蒸汽带水过多， 使过热蒸汽温度下降 水位过低——可能全部汽化，产生危险
锅炉的汽包水位控制一般比较严格
T1o --G1 ：
严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等 百分数阀。
T10 T1i T2i T1i
G1c1 1 KF
2
4
T10 T1i T2i T1i
G2c2 KF
G2c2 3 KF 1
G1c1 KF
16.2 换热器的特性
② 对象动态特性分析
分布参数对象：既是时间函数，
T1i→T1o ：
源——动力设备，而蒸汽质量对过程生产有直接影响
分类： 锅炉有多种分类，根据锅炉用途、燃料性质 （煤、油、气）、压力（高、中、低）
结构： 主要结构图 燃烧系统、给水系统、蒸汽产生系统
16.4.1 概述
主要控制系统 （1）汽包水位控制 保持水量与蒸汽量的物料平衡
（2）燃烧控制 保证燃烧的经济性和安全性
蒸汽G2
TC
FC
G1 凝液
图16-14 前馈-反馈控制系统
16.3.3 冷凝冷却器的控制
热载体为液态冷却剂，通过在换热器内蒸发，带走介质热量
① 控制载热体流量
优点：控制平稳，对出口气相压力没有影响
缺点：控制不灵活，另外要保证液位不能过高，防止汽带液
T-L串级控制系统
气氨
TC 图16-16
液氮
16.3.3 冷凝冷却器的控制
q
KFm
(T2o
T1i )
2
(T2i
T1o )
c1G1 (T1o
T1i )
c1G1 KFm
(T1o
T1i )
(T2i
T1i )
1 2
1
c1G1 c2G2
(T1o
T1i )
T1o T1i
1
T2i T1i
c1G1 KFm
1 2
1
c1G1 c2G2
单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式
又是空间的函数
W1 s
精确描述：偏微分方程， G(s) K1e G1 K1es
求解困难
动态纯滞后环节
经验公式近似描述：
T2i→T1o、 G1→T1o 、 G2→T1o
G(s)
K
e 2s
(1s 1)( 2 s 1)
带纯滞后的二阶惯性环节
16.3 换热器的控制
控制方案
两类基本方案：控制载热体流量、旁路控制介质流量
另外，还可以组成前馈——串级控制方案图
载热体
G2
TC
图16-9
工业 介质 G1
16.3.2 蒸汽加热器的控制
蒸汽作为热载体，工业常用 ① 控制载热体流量 蒸汽发生相变，可同时通过ΔT和传热面积控制，只是
要注意出口液体能够连续排出。
蒸汽G2
TC G1
图16-12
凝液
16.3.2 蒸汽加热器的控制
② 控制冷凝液排量 热载体的出口控制，通过改变F控制 控制阀控制液体，口径可以小些，液体 控制平稳， 缺点：滞后
① 控制载热体流量
用载热体流量控制介质出口温 度，最常用的方法
特点：简单易行
TC
但是，当G2已经很大， 而温差较小时，迟钝 控制
另外，若工艺上不允许
对载热体节流时，不 能采用这种方案
载热体 G2
图16-8
工业 介质 G1
16.3.1 换热器的控制
② 介质旁路控制
介质混合过程
控制及时（相当于前馈机理）
② 控制汽相流量
控制灵活，但出口压力波 动，若 直接进入压缩机，对压缩机有影响
气氨
TC
LC 液氮
第11章
传热设备的控制
16.1 概述 16.2 传热设备的特性 16.3 一般传热设备的控制 16.4 锅炉设备的控制 16.5 加热炉的控制 16.6 蒸发器的控制
教学进程
16.4 锅炉设备的控制
16.4.1概述 作用： 锅炉产生蒸汽，而蒸汽一般是过程设备的能量来
对于逆流单程换热器， 可取对数平均值
Tm
(T2o T1i ) (T2i T1o )
ln
Байду номын сангаас
T2o T2i
T1i T1o
若
T2o T1i T2i T1o
在1/3 ~ 3 之间，则可用算术平均近似
Tm
(T2o
T1i ) (T2i 2
T1o )
16.2 换热器的特性
热交换过程的静态方程
q1 c1G1(T1o T1i ) c2G2 (T2i T2o )
结构形式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式 一般传热设备（以上） 特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等
16.2 一般传热设备的控制
换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器等
16.1.2传热设备作用及控制
控制要求： （1） 对工艺介质进行加热或冷却 （2） 使工艺介质发生相变 （3） 热量回收
主要是进行温度控制，以及一些保护性控制
16.2 换热器的特性
仿真分析（静态放大倍数）： T1i → T1o ： 式11-8
T2i → T1o ： 式11-9
T10 1
1
T1i
G1c1 KF
1 2
1
G1c1 G2c2
T10
1
T2i
G1c1 KF
1 2
1
G1c1 G2 c2
16.2 换热器的特性
仿真分析（静态放大倍数）：
T1o --G2 ：