传热设备的控制培训教案

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概述 传热设备简况
2021/2/22
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传热设备的特性
研究静态特性的目的：
过程扰动分析：作为控制阀选型和控 制方案设计的基础
计算放大系数：作为系统分析和控制 器参数整定的参考
分析对象特性：作为控制阀特性选择 的依据
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传热设备的特性
传热设备工艺计算的基本方程式（一）
= 载热体放出的热量/单位时间
q1 c1G1(T1o T1i ) q2 c2G2 (T2o T2i )
q1 q2
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热交换过程的传热速率方程
K 为传热系数；Fm 为传热面积； q KFmTm ΔTm 为传热壁两侧流体的平均温差.
对于逆流单程换热器，Tm 可取对数平均值
定值控制系统：
假设扰动是冷流体或载热体的入口温度，负荷线 移动 根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀 假设扰动是冷流体的流量，负荷线变化 根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀
热量衡算式：热流体放出热量=冷流体 吸收热量+热损失
发生相变时：冷凝（汽相→液相）或汽 化（液相→汽相）
相变时流体的温度不变 传热速率 q G
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冷热流体均有相变 G1 1 G2 2
：仅有一种流体相变 G1 1 G2c2 T20 T2i
：
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传热设备的特性
传热设备工艺计算的基本方程式（一） 热量衡算式：热流体放出热量=冷流体 吸收热量+热损失
不发生相变 传热速率 q GcT0 Ti
冷热流体均不发生相变
G1c1 T1i T10 G2c2 T20 T2i
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传热设备的特性
传热设备工艺计算的基本方程式（二） 传热速率方程
操纵变量是载热体流量G2，
主要扰动变量是冷流体热量G1、冷流体入
口温度T1i和载热体入口温度T2o。
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换热器的静态放大系数
（扰动通道一）
冷流体流量到出口温度通道的增益K1
y T1o T1i T2i T1i
x1
G1c1 KFm
该通道的静态放大系数K1〈0,输入输出间呈
传热设备的控制
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概述
✓工业生产过程中 , 用于进行热量交换的设备
称为传热设备。
✓传热过程中冷热流体进行热量交换时可以发
生相变化或不发生相变。
✓热量的传递可以是热传导、热辐射或热对流 ✓实际传热过程中通常是几种热量传递方式同
时发生。
✓根据传热过程中热交换的两种流体是否接触
G2, T2o , c2 载热体
问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳
知入口条件（G1, T1i, G2, T2i）,要求计算 稳定条件下工艺介质的出口温度T1o。其 中c1, c2分别为相应介质的比热。
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热交换过程的热量平衡方程
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
q
KFm
(T2o
T1i )
2
(T2i
T1o )
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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
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q KFmTm
对数平均值
Tm
(T2o T1i ) (T2i T1o )
ln
T2o T2i
T1i T1o
算术平均值
Tm
(T2o
T1i )
2
(T2i
T1o )
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换热器静态特性
G1, T1o, c1
G2, T2i , c2
G1, T1i , c1
工艺介质
, 可分为直接接触式、间壁式和蓄热式等三种
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概述
传热设备的控制目标
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进行。
在过程中加入所需吸收的热量或除去放出 的热量，使工艺过程能在规定的范围内进行
使工艺介质改变相态。
回收热能。
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换热器的静态放大系数
（控制通道）
载热体流量到出口温度通道的增益K4
y T1o T1i T2i T1i
x2
G2c2 KFm
该通道的静态放大系数K4>0,输入输出间呈非 线性关系。表明： 载热体流量增加，冷流体出 口温度升高（斜率为正）但随载热体流量增大 ，冷流体出口温度趋于饱和
(T2o T1i ) (T2i T1o )
ln
T2o T2i
T1i T1o
若 T2o T1i 在1/3 -3 之间，则可用算术平均近似
T2i T1o
Tm
(T2o
T1i ) (T2i 2
T1o )
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换热器静态特性方程
q1 c1G1(T1o T1i ) c2G2 (T2i T2o )
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换热器的控制分析
影响冷流体出口温度的扰动有
冷流体流量G1、冷流体入口温度T1i、 冷流体平均比热容c1、载热体的平均比热容c2 载热体流量G2、载热体入口温度T2o、 换热器的传热总系数K和平均传热面积Fm等。
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换热器的控制分析
当冷流体、载热体确定，换热器设备确定后， 冷流体平均比热容c1、载热体的平均比热容c2 、换热器的传热总系数K和平均传热面积Fm等 确定
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控制方案的确定
变量分析： •被扰变量：冷流体出口温度 •操作变量：载热体热量 •扰动变量：冷流体入口温度、流量及载 热体入口温度 系统特性分析：非线性特性，饱和特性
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控制阀流量特性的选择
选择原则：使系统总的开环放大系数保 持恒定
非线性关系。表明：冷流体流量增加，冷流体
出口温度降低（斜率为负）且随冷流体流量增
大，冷流体出口温度降低量减小
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换热器的静态放大系数
（扰动通道二）
冷流体入口温度到出口温度通道的增益K2
该通道的静态放大系数K2〈1,输入输出间呈 线性关系。表明：冷流体出口温度变化量小 于冷流体入口温度的变化量