換熱器出口溫度比值控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計說明書-文庫吧
2025-07-24 12:20 本頁面
【正文】 流量測量儀 ............................................................ 11 調(diào)節(jié)器 ................................................................ 12 調(diào)節(jié)閥 ................................................................ 13 四．控制系統(tǒng)的仿真 ......................................................... 14 各個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及各個參數(shù)的確定 ...................................... 14 五．課程設(shè)計總結(jié) ........................................................... 18 六．主要參考文獻(xiàn) ............................................ 錯誤 !未定義書簽。 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 1 一． 換熱器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 換熱器的簡介及分類 換熱器是一種用來進(jìn)行熱量交換的工藝設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛。它的作用是通過熱流體加熱冷流體，使工作介質(zhì)達(dá)到生產(chǎn)工藝所規(guī)定的溫度要求，以利于生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行，同時 避免生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)，以節(jié)約能源 。 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。 換熱器 是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。在熱量交換中常有一些腐蝕性、氧化性很強(qiáng)的物料，因此，要求制造 換熱器 的材料具有抗強(qiáng)腐蝕性能。換熱器的分類比較廣泛： 反應(yīng)釜 壓力容器 冷凝器 反應(yīng)鍋 螺旋板式換熱器 波紋管換熱器 列管換熱器 板式換熱器 螺旋板換熱器 管殼式換熱器 容積式換熱器 浮頭式換熱器 管式換熱器 熱管換熱器 汽水換熱器 換熱機(jī)組 石墨換熱器 空氣換熱器 鈦換 熱器 換熱設(shè)備 ，要求制造換熱器的材料具有抗強(qiáng)腐蝕性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等 非金屬材料 以及不銹鋼、鈦、鉭、鋯等 金屬材料 制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、體積大、導(dǎo)熱差等缺點(diǎn)，用鈦、鉭、鋯等 稀有金屬 制成的換熱器價格過于昂貴，不銹鋼則難耐許多腐蝕性介質(zhì)，并產(chǎn)生 晶間腐蝕 。 如圖 1【 1】 換熱器的控制方法 換熱器是傳熱設(shè)備中較為簡單的一種 ， 也是最常見的一種 。 通常它兩側(cè)的介質(zhì) (工藝介 質(zhì)和載 熱 體 )在換熱 過程 中均無 相變 。換熱 器換 熱的目 的是 保證工 藝介 質(zhì)加 熱 (或 冷 卻 )到一 定溫中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 2 度 。為 保證出 口溫 度平穩(wěn) ，滿 足工藝 要求 ，必須 對傳 遞的熱 量進(jìn) 行調(diào)節(jié) 。調(diào) 節(jié) 熱量 有 以下幾種方式。 1) 控制載 熱 體流量 這個方案的控制流程 如圖 2。 其控制原理可通過熱量平衡方程和傳熱速率方程來分 析。 圖 2 換熱器控制流程圖 由于冷流體的傳熱符合熱量平衡方程式 【 2】工程熱力學(xué)，熱力平衡部分 ，又符合傳熱速率方程式，通過對換熱器 靜態(tài)特性分析部分的內(nèi)容，因此有下列關(guān)系 ? ?2 2 2 2oiG c T T K F T? ? ? （ 119） 整理后得 2222oiKF TTTGc??? （ 120） 當(dāng)從上式可看出，在傳熱面積 F 、冷流體進(jìn)口流量 2G 、溫度 2iT 和比熱容 2c 一定的情況下，影響冷流體出口溫度 2oT 的因素主要為傳熱系數(shù) K 及平均溫差 T? 。控制載流體流量實(shí)質(zhì)上是改變 T? 。若由于某種原因使 2oT 降低，控制器 TC 將使控制閥門增大，載熱體流 量1G 增加，傳遞的熱量增加，這就必然導(dǎo)致冷熱流體平均溫差 T? 升高，從而使工藝介質(zhì) 的出口溫度 2oT 增加。載熱體流量 1G 增加，一方面使溫差 T? 增加，另一方面?zhèn)鳠嵯到y(tǒng)數(shù) K 也會增加，但在通常情況下傳熱系統(tǒng)數(shù) K 變化不大，所以經(jīng)常忽略。因此這種方案實(shí)質(zhì)上是通過改變 T? 來控制工藝介質(zhì)的出口溫度的。 改變載熱體流量是應(yīng)用最為普遍的控制方案，多適用于載熱體流量 1G 的變化對溫度影響較靈敏的場合。當(dāng)載熱體流量已經(jīng)變得很大， 11ioTT? 較小時，進(jìn)入飽和 區(qū)控制就很遲迍，此中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 3 時不宜采用此方案。 2) 控制載熱體旁路流量 【 4】流量控制 當(dāng)載熱體本身也是一種工藝物料，其流量不允許變化時，可采用此控制方 11ioTT? 案。它的控制原理也是利用改變溫差 T? 的手段來達(dá)到溫度控制的目的。這里采用三通控制閥來改變進(jìn)入換熱器的載熱體流量與旁路流量的比例，這樣既可以改變進(jìn)入換熱器的載熱體流量，又能保證載熱體總流量不受影響。 3) 工藝介 質(zhì) 的旁路控制 當(dāng)工藝介質(zhì)的流量允許變化 ， 而且換熱器 的傳 熱面有 富余 時，可 將工 藝介質(zhì) 的一 部分經(jīng)換熱 器，其 余部 分由旁 路直 接流到 出口 處 ，然 后 將兩者 混合 起來控 制溫 度。該 控制 方案中被控 變量是 冷流 體和熱 流體 混合后 的溫 度 ，熱 流 體溫度 大于 設(shè)定溫 度， 冷流體 溫度 小于設(shè)定溫 度，通 過控 制冷熱 流體 流量的 配比 ， 使混 合 后的溫 度等 于設(shè)定 溫度 。從控 制原 理上來看， 這種方 案實(shí) 際上是 一個 混合過 程。 所 以反 應(yīng) 及時， 過程 的滯后 并不 直接顯 示出 來，適用于 停留時 間較 長的換 熱器 。但需 注意 的 是換 熱 器必須 有較 大余量 的傳 熱面積 ，且 載熱體一直 處于最 大流 量，因 此在 通過換 熱器 的 被加 熱 介質(zhì)流量較小時就不太經(jīng)濟(jì)?？紤]經(jīng)濟(jì)性 ，旁路的流量通常占總流量 的 10%～ 30%。 4) 控制傳熱面積 從傳熱速率方程 q KF T?? 來看，使傳熱系數(shù) K 和傳熱平均溫差 T? 基本保持不變，調(diào)節(jié)傳熱面積 F 可能改變傳熱量，從而達(dá)到控制出口溫度的目的。此時調(diào)節(jié)閥裝在冷凝液的排出管線上。如果被加熱物料出口溫度高于給定值，說明傳熱量過大，可將 冷凝液控制閥關(guān)小，冷凝液就會積累起來，減少了有效的蒸汽冷凝面積，從而使傳熱量減 少，工藝介質(zhì)出口溫度就會降低。反之，如果被加熱物料出口溫度低于給定值，可將冷凝 液控制閥開大，增大傳熱面積，使傳熱量相應(yīng)增加。 二． 控制方案的選擇 傳遞函數(shù)的確定及被控對象特性分析 在本文中，以列管式逆流單程換熱器進(jìn)行分析，令 1G 為熱流體的流量， 2G 為冷流體流量。1iT 分別為熱流體和冷流體的入 口溫度，分別為熱流體和冷流體的出口溫度，而 12cc、 分別為熱中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 4 流體和冷流體的比熱容。 【 3】自動控制原理傳遞函數(shù)部分 對象的靜態(tài)特性就是要確定 1 1 2 1 2o i iT T T G與 、 、 、 G之間的函數(shù)關(guān)系。靜態(tài)特性的求得，可以作為控制方案設(shè)計時系統(tǒng)的擾動分析。靜態(tài)放大系數(shù)也能作為系統(tǒng)整定分析，以及控制閥流量特性選擇的依據(jù)。靜態(tài)特性推導(dǎo)的兩個基本方程式一熱量平衡關(guān)系式及傳熱速率方程式為了處理方便，不考慮傳熱過程中的熱損失，則熱流體失 去的熱量應(yīng)該等于冷流體吸收的熱量，? ?7熱
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