传热设备控制 26P.pptVIP

4.1 传热设备的控制 　　　在工业生产过程中，根据工艺的要求，经常需要对物料进行加热或冷却来维持一定的温度，因此，传热过程是工业生产过程中重要的组成部分。为保证工艺过程的正常、安全运行，必须对传热设备进行有效的控制。 　　　热量传递的方式有热传导、对流和热辐射三种，而实际的传热过程很少是以一种方式单纯进行的，往往由两种或三种方式综合而成。传热设备主要用来对物料进行加热或冷却，以维持一定的温度。传热设备的种类很多，主要有换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器及加热炉等。由于它们的传热目的不同，被控变量也不完全一样。 　　　生产过程中进行传热的目的主要有三种。如下所述。 　　　① 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地进行。对工艺介质进行加热或冷却，有时在工艺过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行。 　　　② 某些工艺过程需要改变物料的相态。根据工艺过程的需要，有时加热使工艺介质汽化；有时则冷凝除热，以使气相物料液化。 　　　③ 回收热量。 　　　根据传热设备的传热目的，传热设备的控制主要是热量平衡的控制，一般取温度作为被控变量。对于某些传热设备，也需要增加有约束重要条件的控制，以对生产过程和设备的安全起到保护作用。 4.1.1 传热设备的静态数学模型 　　　对象的静态数学模型是指在稳定条件下对象的输出变量（通常是受控变量）与输入变量之间的函数关系。而建立数学模型的意义，从自控的角度理解，可体现为如下三个方面： 　　　① 作为控制方案设计时系统的扰动分析，以选择操纵变量和确定控制方案； 　　　② 静态放大系数也能作为系统分析和控制器参数整定的参考； 　　　③ 作为控制阀流量特性选择的依据。 　　　传热过程工艺计算的两个基本方程式是热量平衡关系式和传热速率方程式，它们是构成传热设备静态特性的两个基本方程式。 　　　热量的传递总是由高温物体传向低温物体，两物体之间的温差是传热的推动力。对于图4.1所示的列管式换热器，假定输出变量为t2，输入变量为T1、G1、t1、G2，则建立该对象的静态数学模型就是要找出t2与T1、G1、t1、G2之间的函数关系。 　　　2．传热速率方程式 　　　由传热定理可知，热流体向冷流体的传热速率可按下式计算： 4.1.2 一般传热设备的控制 一般传热设备，通常指换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝冷却器及加热炉等。 1．换热器的控制 换热器操作的目的是为了使生产过程中的物料加热或冷却到一个工艺要求的温度。当换热器两侧的流体在传热过程中均无相态变化时，一般采用下列几种控制方案。 （1）控制载热体的流量 对于图4.1所示的换热器，由于冷、热流体间的传热既符合热量平衡方程式，又符合传热速率方程式，因此有下列关系式： 从式（4-5）可以判断出，在传热面积F及冷流体进口流量G2、入口温度t1及比热容c2一定的情况下，影响冷流体出口温度t2的主要因素是传热系数及平均温差Δtm。控制载热体的流量实质上是改变了传热速率方程中的传热系数K和平均温差Δtm，可分为下列两种情况讨论： ① 对于载热体在传热过程中不发生相变化的情况，主要是改变传热速率方程中的传热系数K； ② 而当载热体在传热过程中发生相变化时，情况要复杂得多，主要是改变传热速率方程中的平均温差Δtm。 如图4.2所示，是控制载热体流量的方案之一，这种方案最简单，适用于载热体上游压力比较平稳及生产负荷变化不大的场合。假设由于某种原因使t2升高，控制器将会使阀门关小以减小载热体的流量G1。从传热速率方程可以看出，K、Δtm会同时减小，从而把冷流体的出口温度t2拉回到设定值的控制要求。 如果载热体上游压力不平稳，则需采取稳压措施使其稳定，或采用以出口温度t2为主变量、载热体流量G1为副变量的串级控制系统，力求达到工艺操作的要求，如图4.3所示。 控制载热体流量是换热器操作中应用最为普遍的一种控制方案，多适用于载热体流量变化对温度影响较灵敏的场合。 （2）控制载热体的旁路 当载热体是工艺物料、其流量不允许节流时，可采用图4.4所示的控制方案。这种方案的控制机理与前一种方案相同，也是采用改变温差Δtm和传热系数K的手段来达到控制温度t2的目的的。方案中采用三通控制阀来改变进入换热器的载热体流量及其旁路流量的比例，这样既可以控制进入换热器的载热体的流量，又可保证载热体总流量不受影响。这种控制