基于信号流图的换热网络动态特性的通用解法研究.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号:093127 基于信号流图的换热网络动态特性的 通用解法 姜 涛，崔国民，周霄，李瑜 （上海理工大学热工程研究所，上海 200093 ） (Tel ：021Email ：jiangtao860212@163.com) 摘要：本文提出一种换热网络动态特性的通用求解方法，该方法以单体换热器为模块，连接各个换热 器形成换热网络信号流图，以换热器入口信号是否准备好作为模块计算依据，采用以模块为核心的动 态求解策略依次求解各个换热器，直到所有换热器计算完毕，最终获得各个换热器的出口传递函数。 同时本文利用MATLAB 强大的符号运算功能，编制了自动求解程序，使得计算方便简洁，且计算速度快， 通用性强。 关键词：换热网络；传递函数；动态特性 0 前言 换热设备的动态特性一直以来是一个研究课题，它是分析、设计和改进换热设备及 其控制系统的重要依据，因此受到众多学者的关注，其中换热设备的传递特性显得尤为 重要[1~3] 。但是到目前为止，研究人员主要把目光集中于单体换热器的动态特性研究， 这方面的成果层出不穷，推导得到了各种形式的传递函数。而对于换热网络动态特性的 研究，目前主要针对于某些特定的热力系统或结构，而且鲜见关于换热网络传递特性研 究方面的资料。李政[4]等在国产200 t/h 循环流化床锅炉建模与仿真工作中开发了一种复 杂换热器系统动态特性的计算方法；杨德明[5] 以能量守恒为基础，建立了换热网络的机 理动态数学模型。目前这些数学模型及表达式的通用性和实用性都较差，尚缺乏一种能 普遍广泛运用的通用求解方法，因此换热网络动态特性的研究具有十分重要的意义。 本文提出一种快速求解换热网络动态特性的通用方法，该方法以单体换热器为模 块，连接各个换热器形成换热网络的信号流图，以换热器入口信号是否准备好作为模块 计算依据，采用以模块为核心的动态求解策略依次求解各个换热器，直到所有换热器计 算完毕，最终获得换热网络流体出口温度变化对入口参数变化的传递函数。同时本文运 用MATLAB 编制了自动求解程序，MATLAB 强大的符号运算功能使得计算方便简洁， 速度快，且通用性强。 1 单体换热器的处理 在工业过程中，大部分被控对象都为具有纯滞后的一阶或二阶惯性环节。根据换热 器的特点，其动态数学模型可以用具有纯滞后的一阶惯性环节表示，其传递函数表示为： ( ) Y s K () −τs (1) W s e () +1 U s Ts 式中,W(s)为出口参数变化与入口参数变化的比值，U(s)和Y(s)分别为换热器输入和 资助项目：教育部博士点基金(200802520007) ；上海市教育委员会发展基金(07ZZ85) ；国家自然科学基 金项目(200406011) ；上海市重点学科建设项目(S30503) 。 输出参数变化量的拉氏变换。T ，K ，τ 为3 个决定换热器动态响应过程的动态特性参 数，T 是时间常数，反映流体参数变化的快慢，K 是静态放大系数，τ 是滞后时间。这 三个动态特性参数可以通过理论分析计算或曲线拟合得出，对于不同的入口参数变化， 动态特性参数也不同。当入口参数变化不大时，出口参数的变化可看成是各入口参数引 起的变化的线性叠加，这样单体换热器冷热流体出口温度的变化可写成： −τ s −τ s