【正文】 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 去的熱量應該等于冷流體吸收的熱量，? ?7熱 量 平 衡 方 程 為 ? ? ? ?1 1 1 i 2 o 2 2 2 2 i oq G c T T G c T T? ? ? ? （ 11） 式中， q 為傳熱速率 (單位時間內(nèi)傳遞的熱量 )； G 為質(zhì)量流量； c 為比熱容； T 為溫度。此時調(diào)節(jié)閥裝在冷凝液的排出管線上。這里采用三通控制閥來改變進入換熱器的載熱體流量與旁路流量的比例，這樣既可以改變進入換熱器的載熱體流量，又能保證載熱體總流量不受影響?？刂戚d流體流量實質(zhì)上是改變 T? 。 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 。 中北大學課程設(shè)計說明書 1 一． 換熱器工作原理及結(jié)構(gòu)特點 換熱器的簡介及分類 換熱器是一種用來進行熱量交換的工藝設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中應用極為廣泛。 （ 3）培養(yǎng)學生獨立工作能力和創(chuàng)造力；綜合運用專業(yè)及基礎(chǔ)知識，解決實際工程技術(shù)問題的能力； （ 4）培養(yǎng)查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力； （ 5）培養(yǎng)編寫技術(shù)報告和編制技術(shù)資料的能力。 1. 確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構(gòu)成方式，給出控制流程圖； 2. 現(xiàn)場儀表選型，編制有關(guān)儀表信息的設(shè)計文件 ； 3. 給出控制系統(tǒng)方框圖； 4. 分析被控對象特性，選擇控制算法； 5. 進行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能； 6. 寫出設(shè)計工作小結(jié)。 換熱器 是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。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 行調(diào)節(jié) 。因此這種方案實質(zhì)上是通過改變 T? 來控制工藝介質(zhì)的出口溫度的。從控 制原 理上來看， 這種方 案實 際上是 一個 混合過 程。 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行分析，令 1G 為熱流體的流量， 2G 為冷流體流量。 其中平均溫差 T? 對于逆流、單程的情況為對數(shù)平均值 1 i 1 o 2 0 2 i 121 i 1 o 122 o 2 i( ) ( )lnlnT T T T TTT T T TTTT? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ??? ? ? （ 13） 在 1i 1221 33 ooiTTTT???? ，其誤差在 5%以內(nèi)，可采用算數(shù)平均值來代替?？梢钥闯?，當 11Gc 較大時，曲線呈飽和狀，此時 1G 的變化，從靜態(tài)來看，對 1oT 的影響微弱了。 為便于分析，對該管式換熱器作如下假設(shè) : 間壁的熱容可以忽略 。 Adl — 微元的表面積 。如用傳遞函數(shù)來描述，可為 : ? ? 1KGs Ts? ? （ 114） 式中： K— 各通道的靜態(tài)放大倍數(shù) 。在熱器出口溫度控制系統(tǒng)中，熱流體流量 2G 不發(fā)生變化，冷流體和熱流體表示冷水和熱水。 。 單閉環(huán)控制系統(tǒng) 控制方案的優(yōu)點 是能確保流量比值比較精確。 【 6】 通過以上分析，考慮到生產(chǎn)過程中換熱器的實際生產(chǎn)環(huán)境，主動量的變化波動不是很大，并且對最后的總流量沒有像反應器一樣要求嚴格，不允許變動，另外，考慮系統(tǒng)設(shè)計中所用儀表多少、設(shè)備的投資等因素，最終確定控制方案為單閉環(huán)比值控制。 本系列產(chǎn)品公稱通徑由 20 至 200mm，公稱壓力有 、 、 、 ，使用溫度范圍由 40℃ ~450℃ ，接受信號為 0~ 或 4~。 圖 10 系統(tǒng)仿真模型 應用臨界比值度法，調(diào)成等幅振蕩時采用經(jīng)驗法，先設(shè)定 P=4 I=D=0 圖 11 P=4 中北大學課程設(shè)計說明書 16 圖 12 P=5 圖 13 P= 時 等幅振蕩 中北大學課程設(shè)計說明書 17 圖 14 系統(tǒng)流量特性隨時間的相應特性曲線 圖 15 系統(tǒng)溫度響應特性曲線 中北大學課程設(shè)計說明書 18 從仿真結(jié)果看，當閉環(huán)內(nèi)部遇到階躍干擾時，可以較好的保持穩(wěn)定，對于流量隨時間的相應特性曲線如圖 13 所示，系統(tǒng)溫度響應特性曲線如圖 14 所示，在仿真結(jié)果中可以看到，系統(tǒng)在受到階躍干擾時，流量能很快的保持穩(wěn)定，此時，參數(shù)整定的結(jié)果為：82m a x*???????PuPuKcTiKcIKcKcP 五．課程設(shè)計總結(jié) 本設(shè)計方案由于采用的是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，其優(yōu)缺點在相應設(shè)計過程中已有所介紹。 最后，要衷心的感謝高強老師和陸輝山老師的悉心指導和教誨。這對于有些要求精度高的場合是不太合適的，因為負荷波動會給控制過程帶來一定的影響，這是單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)所無法克服的一個弱點。 對于調(diào)節(jié)閥控制流量對象，控制通道的動態(tài)特性為： 222() 1p KGs Ts? ? （ 42） 11()ddG s K? （ 43） 這里假設(shè) 2 1K? ， 2 ? ， 2 1dK ? ， 對于換熱器的結(jié)構(gòu)及一般熱力學關(guān)系，流量控制通道的傳遞函數(shù)近似為 1 sP sKGeT ??? ? （ 44） 在本設(shè)計中討論的列管式換熱器中，假定 1K? , 3ST? , 3?? 。 % 量程 比 1:10； 1:15 阻力損失系數(shù) Cd 輸出信號 傳感器：脈沖頻率信號 ~ 3000Hz 低電平≤ 1V 高電平≥ 6V 變送器：兩線制 4 ~ 20mADC電流信號 調(diào)節(jié)器 選擇 SK－ 808/900 系列智能 PID 調(diào)節(jié)儀 [8] 圖 7 SK－ 808/900系列智能 PID調(diào)節(jié)儀 智能 PID 調(diào)節(jié)儀與各類傳感器、變送器配合使用，實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量，并配合各種執(zhí)行器對電加熱設(shè)備和電磁、電力、氣動閥門進行 PID 調(diào)節(jié)和控制、報警控制、數(shù)據(jù) 采集等。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 通過主動量控制回路來克服主動量擾動，實現(xiàn)對主動量的定值控制；通過從動量控制回路克服作用于從動量回路中的擾動，實現(xiàn)隨動控制。即有 ? ?? ?2 2 2i12 1 1i 1o oc T TGG c T T?? ? （ 21） 從而達到換熱器冷熱流體的溫度同時得到控制的目的。 熱流體流量 31 /G m h=2 。如用傳遞函數(shù)來描述，可為 : ? ? ? ?? ?21211sKG s eT s T s ??? ?? （ 115） 式中 :K— 各通道