【正文】 全 球規(guī)模的環(huán)境問題日趨嚴重的情勢下，以往那種 “ 大量生產、大量流通、大量浪費、大量廢棄 ” 的生產模式己經越來越不被人們所接受。隨著科技的發(fā)展，應逐步加大熱泵、熱管高技術回用技術在工廠循環(huán)冷卻水余熱利用中的比例。 如圖為熱水（工業(yè)冷卻水）余熱在熱交換器中的應用?？梢姡@節(jié)省了能源，充分實現(xiàn)了能源的回收利用，降低了能耗。因此，傳熱過程是工業(yè)生產過程中極其重要的組成部分，對傳熱設備的控制也就顯得十分重要。而操縱變量通常是載熱體的流量。 靜態(tài)特性主要是輸入變量 1T 、 1G 、 3T 、 2G 之間的函數(shù)關系 f 。 靜態(tài)特性指導的兩個基本方程式 — 熱量平衡關系式及傳熱速率方程式如下： 如果忽略傳熱過程中損失掉的熱量，那么熱流體放出的熱量應該等于冷流體所獲得的熱量，這樣可寫出下列平衡方程式： )()( 34222111 TTCGTTCGQ ???? (2) 式中， Q— 單位時間內傳遞的熱量； 21,GG — 分別為載熱體和冷流體的流量； 21,CC — 分別為載熱體和冷流體的比熱容； 21,TT — 分別為載熱體的入口和出口溫度； 43,TT — 分別為冷流體的入口和出口溫度。所以采用這個方案能滿足要求。 換熱器的控制 方案中應用最為普遍的是改變載熱體流量，這種方案最攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 熱交換工藝及控制要求 6 簡單，經常用于載熱體流量的變化對溫度影響較靈敏，并且載熱體上游壓力比 較平穩(wěn)的場合。一般來說，設壓力定值控制比較方便，但對于除壓力波動以外的干擾就 不能克服了，而采用溫度與流量（或壓力）的串級控制，它對于副環(huán)內的其余干擾，或者閥門特性不夠完善的情況，也能有所克服，這就是串級控制系統(tǒng)的好處。 蒸汽冷凝的傳熱過程不同于上一節(jié)介紹的兩側均無相變的傳熱過程。當僅考慮蒸汽冷凝所發(fā)出的熱量時，工藝介質吸收的熱量應該等于蒸汽冷凝時放出的熱量，因此，我們就能寫出下列熱量平衡方程式： ?23411 )( GTTCGQ ??? （ 6） 式中， Q— 單位時間傳遞的熱量； 1G — 被加熱介質流量； 2G — 蒸汽流量； 1C — 被加熱介質比熱容； 43,TT — 分別為被加熱介質的入口、出口溫度； ? — 蒸汽的汽化潛熱。如果某種原因使得被加熱物料出口溫度高于給定值，表明傳熱量過大，此時可通過控制器的作用將凝液管線上的控制閥關小，蒸汽的凝液就會積聚起來，蒸汽冷凝的 有效換熱面積 F 就會減少了，從而傳熱量也減少了，工藝介質出口溫度就會回復到給定值上來；反之；則相反。比較有效的方法就是采用串級控制方案，可以用溫度與凝液的液位組成串級控制。這兩種方案及其它們各自改進的串級控制系統(tǒng)，各有優(yōu)缺點。另外，蒸汽冷凝后變成凝液，它的體積比蒸汽體積小很多，那么控制系統(tǒng)中的閥門尺寸可以小一點。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 熱交換工藝及控制要求 8 （ 3）工藝介質改變相態(tài)。而對于具有介質相態(tài)變化，加熱器來講，介質在工藝流程中伴隨相態(tài)。 其中控制熱水（工業(yè)冷卻水）流量及控制蒸汽流量的簡單控制系統(tǒng)。尤其在北方冬季取暖期，由于控制系統(tǒng)落后，空房取暖現(xiàn)象十分嚴重，造成大量不必要的浪費。 被控變量 生產過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量 稱為被控變量。 在熱水蒸汽共同供熱的熱 交換器的控制系統(tǒng)中，就是要使冷流體口溫度達到給定值。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 控制方案設計 10 操縱變量 在自動控制系統(tǒng)中，把 用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。 從本次設計工藝分析可知，影響冷流體溫度 2T 的主要因素有：進料的流量（ ?Q ），進料熱流體溫度（ 1T ），蒸汽壓力的變 化（ P），加熱器內部傳熱系數(shù)（ K）或 環(huán)境溫度的變化（ 1T ），蒸汽流量（ 蒸Q ），熱水流量（ 熱Q ）等等。為此，可先將這些影響因素分為兩大類，即可控的和不可 控的。因此，將這些影響因素也看成是不可控的因素）。首先控制工業(yè)冷卻水流量達到工藝要求再控制蒸汽流量。圖 4 是其示意圖。 簡單控制方案 簡單控制系統(tǒng)是由一個調節(jié)器、一個變送器（測量儀表）、一個執(zhí)行器 （調節(jié)閥）和被控制物理對象所組成的控制系統(tǒng)。因此，這種 控制系統(tǒng)在工業(yè)生產過程中得到了廣泛的應用。 1. 被控對象 從圖 5 看到，該控制系統(tǒng)由一個被控變量，即換熱器被加熱的出口溫度 T，一個被控對象，即換熱器；一個調節(jié)變量，即載熱體（熱水或蒸汽）的流量。 2. 調節(jié)器 實際的調節(jié)器包括方框圖中的比較部分和調節(jié)器方塊兩部分，即用虛線框起來的部分。調節(jié)器的輸入信號是由測量及變送單元送來的被控變量溫度 T的測量值的信號，給定值與測量值的偏差送給調節(jié)器方塊作為輸入信號。 E 下降， P 也下降。我們所看到的僅僅是被控變量 T 的測量值 Z。氣動執(zhí)行器接受調節(jié)器發(fā)出的控制信號，使閥門處于一個相應的開度，調節(jié)變量也就有一個相應的流量作用于被控對象上，執(zhí)行器還可以根據(jù)控制系統(tǒng)的要求改變特性和作用方向。這些冷卻水都有一定的余熱，可以利用這些余熱通過熱交換器對（工藝介質進行預熱）或對水加熱，達到一定的溫 度，用于小區(qū)熱水供應進行洗澡和清洗過程。如圖 6 所示。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 控制方案設計 14 sQ 熱水（ 冷卻水） ccc Qq? 熱流體 冷流體 aaa Qq? 圖 6 控制熱水流量的控制方案 圖中： a? 為熱流體出口溫度； aQ 為熱流體在單位時間內帶走的熱量； c? 為冷流體進口溫度； cq 為冷流體流量； cQ 為熱流體在單位時間內帶入的熱量； sQ 為熱水在單位時間內帶入的熱量。 若過程總的熱容量 C 表示，則過程的蓄熱量 Q 為 )( 0 aaa CCQ ??? ???? 于是 dtdC a?? + csa cqQcq ?? ????? 00 將上式兩邊除以 0cq ，得 csaa QcqdtdcqC ??? ??????? 00 1 （ 10） 令 Rcq ?01 ， TRC? ， 則有 csaa QRdtdT ??? ??????? （ 11） 若 0??c? ，則得過程控制通道的動態(tài)方程 saa QRdtdT ????? ?? （ 12） 若 0?? sQ ，則得過程擾動通道的動態(tài)方程 caadtdT ??? ????? （ 13） 上式中， T 為傳熱過程控制通道或擾動通道的時間常數(shù)； R 為傳熱過程控制通道的放大系數(shù)。 這個自動化控制系統(tǒng)，雖然自動化裝置少，投資低，但可靠性不是很好，因此它不是本次設計中的最佳設計方案。當加熱器的傳熱面沒有富裕時，以改變 T? 為主；而傳熱面有富裕時，以改變傳熱面 F 為主。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽流量來維持出口物料的溫度不變。如果在實際的過程中引進進入加熱器的蒸汽流量 D 變化的原因除了調節(jié)閥開度 ? 變化使蒸汽流量 1D 變化外還有變化頻繁且幅度較大的擾動 iD 。如果，對象在內擾下的動態(tài)特性 )(0sG 具有較大的延遲及慣性， 1D改變時要經歷較長時間才能 從出口溫度 ? 的變化上了解調節(jié)效果。 由于蒸汽的溫度較高，可能會使出口物料的溫度高于給定值。但是控制的出口溫度與給定值比較不是偏高就是偏低，且也不能充分利用熱水（冷卻水）的余熱，浪費能源。 分程控制的應用 在反饋控制系統(tǒng)中，通常是一臺控制器的輸出只控制一臺控制閥。由于是分段控制，故取名為分程控制系統(tǒng)。在圖 9中分別 為控制閥 A 和控制閥 B, 將執(zhí)行器的輸入信號 ～ 分成兩段，要求 A 閥在 ～ 信號范圍內作全行程動作（即由全關到全開或由全開到全關）； B 閥在 ～ 信號范圍內作全行程動作。 這種自動控制設計將非常有利于熱水（工業(yè)冷卻水）余熱的回收利用。 這種充分利用熱水余熱的溫度分程控制的設計，把冷卻水的余熱利用發(fā) 揮到了極限。這種節(jié)能控制將會帶來很大的經濟效益和社會效益，它的市場前景將會 很廣闊?？梢姴捎梅殖炭刂疲晒?jié)省能源，降低能耗。 設調節(jié)閥的可控制最小流量為 minQ ，可流量控制最大 maxQ ，則定義： 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 控制方案設計 21 m inm a xR ? 式中， R 稱為閥門的可調比或可調范圍 閥門開度 % 100 A B 0 p/paM 圖 9 閥門的分程控制特性 在圖 9 中 兩只閥門均為氣開特性，設可控制最大流量 maxQ ,均為 200，R=30，可控制最小流量 minQ = maxQ ／ R=。如果 A 閥的 maxQ 較小， B 閥的 maxQ 較大，則可調比增加的更多。因為在兩閥分程點上，控制閥的放大倍 數(shù)可能出現(xiàn)突變，表現(xiàn)在特性曲線上產生斜率突變的折點，這在大小控制閥并聯(lián)時尤其重要。當大閥的泄漏量較大時，系統(tǒng)的最小流通能力就不再是小閥的最小流通能力了。對另一臺閥的操作要求，只能在工藝允許的范圍內即可。因此需簡單介紹一下，畢竟它是自動化不斷發(fā)展過程中，又一科技產品。但是這種控制方案成本很高，在實際應用中不是很普遍。充分利用熱水（工業(yè)冷卻水）的余熱，沒有讓這 部分熱量再次流失，完成了能量的回收利用。將高技術含量的回收利用與一般性回用途徑結合起來。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 結束語 25 結束語 污水處理資源化的三大支柱之一便是污水熱能回收利用，這是環(huán)境保護及資源循環(huán)利用先導者們面對世界生態(tài)環(huán)境日趨惡劣、可用資源日漸匱乏的嚴酷現(xiàn)實所提出的戰(zhàn)略。 在熱水蒸汽共同供熱的熱交換器的自動控制設計中，主要采用分程控制 系統(tǒng)。 這也正應合了國際、國內在工業(yè)生產中所提倡的環(huán)保、節(jié)約能源的思想。 感謝在論文寫作過程中幫助過我的每一個人。 周 老師對工作的敬業(yè)精神和忘我熱情，深深地感動著 我，并將激勵我今后在工作上不斷進取，以優(yōu)異的成績回報老師的培養(yǎng)。 最后對答辯委員會的專家表示崇高的敬意和深深的謝意！