传热设备的控制方案

4.2传热设备的控制方案

4.2.1 绪论

传热过程在工业生产中应用极为广泛，有的是为了便于工艺介质达到生产工艺所规定的

温度，以利于生产过程的顺利进行，有的则是为了避免生产过程中能量的浪费。在实现传热过程的各种设备中，蒸汽加热的浪费最多。目前，蒸汽加热换热器的控制仍采用传统的PID 控制，以加热蒸汽的流量作为调节手段，以被加热工艺介质的出口温度作为被控量构成控制

系统⑴。

工业生产过程中，由于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。传热设备简况见表2-1。

表2-1 传热设备

传热设备的特性应包括传热设备的静态特性和传热设备的动态特性。静态特性设备输入和输出变量之间的关系；动态特性是动态变化过程中输入和输出之间的关系。下面以换热器为例简单介绍一下传热设备的基本原理。

4.2.2 换热器简介

（1）换热器静态特性的基本方程式

①热量衡算式

图2-1所示为换热器的基本原理。

图4。2-1 换热器的基本原理

由于换热器两侧没有发生相变，因此，可列出热量衡算式 G 2C

2( 0 2i - 0 2o ) = G l C l ( 0 1o - 0 1i )

(2-1) 式中，下标1表示冷流体参数，2表示在热流体参数。

② 传热速率方程式

换热器的传热速率方程式为 q=UA m A 0 m (2-2)

式中，A0 m 是平均温度差，对单程、逆流换热器，应采用对数平均式，表示为

&0 _(% 二 ％)- (时叫Q)

(2-3)

但在大多数情况下，采用算术平均值已有足够精度，其误差小于 表示为 &日=(do 二 %) + (。对一比0)

(2-4)

③ 换热器静态特性的基本方程式

根据热量平衡关系，将式(2-4)代入式(2-2)，并与式(2-1)联立求解，得到换热器静态

特性的基本方程式

e

io ~9

Ii __ _________ 1 _________ 02i - °H G i c i i *1 ] 5®) Ug 2V G 2C /

假设换热器的被控变量是冷流体的出口温度

0 10,操纵变量是载热体的流量 G,则式(2-5)

可改写为

li (2) 换热器传热过程的动态特性

在工业生产中，生产负荷常常是在一定范围内不断变化的，由此决定了传热设备的运

行工况必须不断调节以与生产负荷变化相适应。以逆流、

单程、列管式换热器为例，假定换

热过程中的热损失可忽略不计，则有控制通道的静特性： T o , T , T si ――分别为工艺介质的出口、入口和加热蒸汽的温度

W , W ――分别为加热蒸汽和工艺介质的流率

CP S , C ――分别为加热蒸汽和工艺介质的定压比热容

5%。算术平均温度差

也十丄(1+也)

UA ni “ G 2C 2

(2-6)

(2-7)

WC… -—T-

I

K A——总传热系数

A――平均传热面积

分析上式可知，换热器对象的放大系数存在严重饱和非线性，即在工艺介质流量W大时，加热工艺介质达到规定温度所需的蒸汽流量W S必然随之增大，则上式计算出的放大系

数K减小。

对于决定换热器动态响应的特性参数，机理分析和工程实践都表明，换热器是一个惯性和时间滞后均较大的被控系统，且是分布参数的。若将动特性用集中参数来描述,换热器可用一个三容时滞对象来近似描述。为简化起见，将换热器的动特性取为：

(2-8)

式(2-8)中的放大系数K已在上面阐述，时间常数T和滞后时间T是两个决定换热器动态

响应过程的时间型参数，它们也是随换热器的工况变化而变化的。以式(2-8)中的滞后时间为例，它是由多容对象处理为单容对象而引入的容量滞后时间T c与由工艺介质传输距离引起

的纯滞后时间T d两部分组成。显然，当生产负荷变化时，介质流速随之变化，从而使得滞后时间也是随负荷变化的。

4.2.3控制方案的确定

根据上述分析，为了控制换热器的冷流体出口温度，有四种可以影响的过程变量，其中, 冷流体入口温度、载热体入口温度和冷流体流量都是由上工序确定，因此不可控制，但可

测量。或者因通道的增益较小，不宜作为操纵变量。可操纵的过程变量只有载热体流量。因此，对冷流体出口温度可采用单回路控制系统，即出口温度为被控变量，载热体流量为操纵

变量的单回路控制系统。

由于其他三个过程变量不可控但可测量，当它们的变化较频繁，幅值波动较大时，也可作为前馈信号引入，组成前馈-反馈控制系统。

当载热体流量或压力波动较大时，宜将载热体流量或压力作为副被控变量，组成串级控制系统。

从上述分析可知，采用载热体流量作为操纵变量时，在流量过大时，进入饱和非线性区，

这时，增大载热体流量将不能很好的控制冷流体出口温度，而需要采用其他控制方案。

4.2.4传热设备控制方案的实现

(1)调节载热体流量

改变载热体流量，引起传热速率方程的传热总系数U和平均温度差的变化。可根

据载热体是否发生相变，分两种情况讨论。

①载热体不发生相变

根据热量衡算式和传热速率方程式可知，当改变载热体流量时，会引起平均温度差的变

化，流量增大，平均温度差增大，因此，在传热面积足够时，系统工作在图2-2所示的非饱和区，通过改变载热体流量可控制冷流体出口温度。