傳熱設(shè)備的控制

1、2021-12-1512021-12-151過程控制 青海大學(xué)傳熱設(shè)備的控制傳熱設(shè)備的控制2021-12-1522021-12-152過程控制 青海大學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程中工業(yè)生產(chǎn)過程中 , 用于進(jìn)行熱量交換的設(shè)備用于進(jìn)行熱量交換的設(shè)備稱為傳熱設(shè)備。稱為傳熱設(shè)備。傳熱過程中冷熱流體進(jìn)行熱量交換時(shí)可以發(fā)傳熱過程中冷熱流體進(jìn)行熱量交換時(shí)可以發(fā)生相變化或不發(fā)生相變。生相變化或不發(fā)生相變。熱量的傳遞可以是熱傳導(dǎo)、熱輻射或熱對(duì)流熱量的傳遞可以是熱傳導(dǎo)、熱輻射或熱對(duì)流實(shí)際傳熱過程中通常是幾種熱量傳遞方式同實(shí)際傳熱過程中通常是幾種熱量傳遞方式同時(shí)發(fā)生。時(shí)發(fā)生。根據(jù)傳熱過程中熱交換的兩種流體是否接觸根據(jù)傳熱過程中熱

2、交換的兩種流體是否接觸, 可分為直接接觸式、間壁式和蓄熱式等三種可分為直接接觸式、間壁式和蓄熱式等三種概述概述2021-12-1532021-12-153過程控制 青海大學(xué)F使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度，以使化學(xué)反使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度，以使化學(xué)反應(yīng)或其他工藝過程能很好進(jìn)行。應(yīng)或其他工藝過程能很好進(jìn)行。 F在過程中加入所需吸收的熱量或除去放出在過程中加入所需吸收的熱量或除去放出的熱量，使工藝過程能在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行的熱量，使工藝過程能在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行F使工藝介質(zhì)改變相態(tài)。使工藝介質(zhì)改變相態(tài)。 F回收熱能。回收熱能。 傳熱設(shè)備的控制目標(biāo)傳熱設(shè)備的控制目標(biāo)概述概述2021-12-1542021-1

3、2-154過程控制 青海大學(xué)概述概述傳熱設(shè)備簡況傳熱設(shè)備簡況2021-12-1552021-12-155過程控制 青海大學(xué)傳熱設(shè)備的特性傳熱設(shè)備的特性研究靜態(tài)特性的目的：研究靜態(tài)特性的目的：過程擾動(dòng)分析：作為控制閥選型和控過程擾動(dòng)分析：作為控制閥選型和控制方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)制方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)計(jì)算放大系數(shù)：作為系統(tǒng)分析和控制計(jì)算放大系數(shù)：作為系統(tǒng)分析和控制器參數(shù)整定的參考器參數(shù)整定的參考分析對(duì)象特性：作為控制閥特性選擇分析對(duì)象特性：作為控制閥特性選擇的依據(jù)的依據(jù)2021-12-1562021-12-156過程控制 青海大學(xué)傳熱設(shè)備的特性傳熱設(shè)備的特性F傳熱設(shè)備工藝計(jì)算的基本方程式（一）傳熱設(shè)備工藝計(jì)算

4、的基本方程式（一）F熱量衡算式熱量衡算式：熱流體放出熱量：熱流體放出熱量= =冷流體冷流體吸收熱量吸收熱量+ +熱損失熱損失F F發(fā)生相變時(shí)：冷凝（汽相發(fā)生相變時(shí)：冷凝（汽相液相）或汽液相）或汽化（液相化（液相汽相）汽相）F相變時(shí)流體的溫度不變相變時(shí)流體的溫度不變 傳熱速率傳熱速率 Gq F冷熱流體均有相變冷熱流體均有相變：2211 GG F僅有一種流體相變僅有一種流體相變： iTTcGG2202211 2021-12-1572021-12-157過程控制 青海大學(xué)傳熱設(shè)備的特性傳熱設(shè)備的特性F傳熱設(shè)備工藝計(jì)算的基本方程式（一）傳熱設(shè)備工藝計(jì)算的基本方程式（一）F熱量衡算式熱量衡算式：熱流體放

5、出熱量：熱流體放出熱量= =冷流體冷流體吸收熱量吸收熱量+ +熱損失熱損失F F不發(fā)生相變不發(fā)生相變 傳熱速率傳熱速率F冷熱流體均不發(fā)生相變冷熱流體均不發(fā)生相變 i0TTGcq iTTcGTTcG2202210i111 2021-12-1582021-12-158過程控制 青海大學(xué)傳熱設(shè)備的特性傳熱設(shè)備的特性F傳熱設(shè)備工藝計(jì)算的基本方程式（二）傳熱設(shè)備工藝計(jì)算的基本方程式（二）F傳熱速率方程傳熱速率方程F對(duì)數(shù)平均值對(duì)數(shù)平均值mmTKFqoiiooiiomTTTTTTTTT12121212ln)()(2)()(1212oiiomTTTTTF算術(shù)平均值算術(shù)平均值2021-12-1592021-12

6、-159過程控制 青海大學(xué)G1, T1o, c1G2, T2i , c2G1, T1i , c1G2, T2o , c2工藝介質(zhì)載熱體問題：針對(duì)逆流單程列管式熱交換器，巳問題：針對(duì)逆流單程列管式熱交換器，巳知入口條件（知入口條件（G G1 1, , T T1i1i, , G G2 2, , T T2i2i）, ,要求計(jì)要求計(jì)算穩(wěn)定條件下工藝介質(zhì)的出口溫度算穩(wěn)定條件下工藝介質(zhì)的出口溫度T T1o1o。其中其中c c1 1, , c c2 2分別為相應(yīng)介質(zhì)的比熱。分別為相應(yīng)介質(zhì)的比熱。換熱器靜態(tài)特性換熱器靜態(tài)特性2021-12-15102021-12-1510過程控制 青海大學(xué)假設(shè)工藝介質(zhì)與載熱體

7、均無相變，而且沒有熱損失。假設(shè)工藝介質(zhì)與載熱體均無相變，而且沒有熱損失。即被加熱物料得到的熱量即被加熱物料得到的熱量/ /單位時(shí)間單位時(shí)間 = = 載熱體放出的熱量載熱體放出的熱量/ /單位時(shí)間單位時(shí)間)(11111ioTTGcq)(22222ioTTGcq21qqG1, T1o, c1G2, T2i , c2G1, T1i , c1G2, T2o , c2工藝介質(zhì)載熱體熱交換過程的熱量平衡方程熱交換過程的熱量平衡方程2021-12-15112021-12-1511過程控制 青海大學(xué)mmTKFqK K 為傳熱系數(shù)；為傳熱系數(shù)；F Fm m 為傳熱面積；為傳熱面積；T Tm m 為傳熱壁兩側(cè)流體

8、的平均溫差為傳熱壁兩側(cè)流體的平均溫差. .對(duì)于逆流單程換熱器，對(duì)于逆流單程換熱器，可取對(duì)數(shù)平均值可取對(duì)數(shù)平均值oiiooiiomTTTTTTTTT12121212ln)()(oiioTTTT1212若在在1/3 -3 1/3 -3 之間，則可用算術(shù)平均近似之間，則可用算術(shù)平均近似2)()(1212oiiomTTTTT熱交換過程的傳熱速率方程熱交換過程的傳熱速率方程2021-12-15122021-12-1512過程控制 青海大學(xué))(2)()(11111212iooiiomTTGcTTTTKFq)()(222211111oiioTTGcTTGcq)(121)()(112211121111ioii

9、iomTTGcGcTTTTKFGc22111112111211GcGcKFGcTTTTmiiioG1, T1o, c1G2, T2i , c2G1, T1i , c1G2, T2o , c2工藝介質(zhì)載熱體換熱器靜態(tài)特性方程換熱器靜態(tài)特性方程2021-12-15132021-12-1513過程控制 青海大學(xué)F影響冷流體出口溫度的擾動(dòng)有影響冷流體出口溫度的擾動(dòng)有 冷流體流量冷流體流量G1G1、冷流體入口溫度、冷流體入口溫度T T1i1i、 冷流體平均比熱容冷流體平均比熱容c c1 1、載熱體的平均比熱容、載熱體的平均比熱容c c2 2 載熱體流量載熱體流量G G2 2、載熱體入口溫度、載熱體入口溫

10、度T T2o2o、 換熱器的傳熱總系數(shù)換熱器的傳熱總系數(shù)K K和平均傳熱面積和平均傳熱面積FmFm等。等。換熱器的控制分析換熱器的控制分析2021-12-15142021-12-1514過程控制 青海大學(xué)F當(dāng)冷流體、載熱體確定，換熱器設(shè)備確定后，當(dāng)冷流體、載熱體確定，換熱器設(shè)備確定后，冷流體平均比熱容冷流體平均比熱容c c1 1、載熱體的平均比熱容、載熱體的平均比熱容c c2 2、換熱器的傳熱總系數(shù)換熱器的傳熱總系數(shù)K K和平均傳熱面積和平均傳熱面積FmFm等確定等確定F操縱變量操縱變量是載熱體流量是載熱體流量G G2 2，F(xiàn)主要擾動(dòng)變量主要擾動(dòng)變量是冷流體熱量是冷流體熱量G G1 1、冷流體

11、入、冷流體入口溫度口溫度T T1i1i和載熱體入口溫度和載熱體入口溫度T T2o2o。換熱器的控制分析換熱器的控制分析2021-12-15152021-12-1515過程控制 青海大學(xué)（擾動(dòng)通道一）（擾動(dòng)通道一）F冷流體流量到出口溫度通道的增益冷流體流量到出口溫度通道的增益K1K1iiioTTTTy1211mKFcGx111110GT 該通道的靜態(tài)放大系數(shù)該通道的靜態(tài)放大系數(shù)K1K10,0,輸入輸出間呈非輸入輸出間呈非線性關(guān)系。表明：冷流體流量增加，冷流體出線性關(guān)系。表明：冷流體流量增加，冷流體出口溫度降低（斜率為負(fù)）且隨冷流體流量增大口溫度降低（斜率為負(fù)）且隨冷流體流量增大，冷流體出口溫度降

12、低量減小，冷流體出口溫度降低量減小換熱器的靜態(tài)放大系數(shù)換熱器的靜態(tài)放大系數(shù)2021-12-15162021-12-1516過程控制 青海大學(xué)F冷流體入口溫度到出口溫度通道的增益冷流體入口溫度到出口溫度通道的增益K2K2i 110TT 該通道的靜態(tài)放大系數(shù)該通道的靜態(tài)放大系數(shù)K2K21,1,輸入輸出間呈輸入輸出間呈線性關(guān)系。表明：冷流體出口溫度變化量小線性關(guān)系。表明：冷流體出口溫度變化量小于冷流體入口溫度的變化量于冷流體入口溫度的變化量（擾動(dòng)通道二）（擾動(dòng)通道二）換熱器的靜態(tài)放大系數(shù)換熱器的靜態(tài)放大系數(shù)2021-12-15172021-12-1517過程控制 青海大學(xué)F載熱體流量到出口溫度通道的

13、增益載熱體流量到出口溫度通道的增益K4K4210GT 該通道的靜態(tài)放大系數(shù)該通道的靜態(tài)放大系數(shù)K40,K40,輸入輸出間呈非線輸入輸出間呈非線性關(guān)系。表明：性關(guān)系。表明： 載熱體流量增加，冷流體出口載熱體流量增加，冷流體出口溫度升高（斜率為正）但隨載熱體流量增大，溫度升高（斜率為正）但隨載熱體流量增大，冷流體出口溫度趨于飽和冷流體出口溫度趨于飽和iiioTTTTy1211mKFcGx222（控制通道）（控制通道）換熱器的靜態(tài)放大系數(shù)換熱器的靜態(tài)放大系數(shù)2021-12-15182021-12-1518過程控制 青海大學(xué)F變量分析：變量分析：F被擾變量：冷流體出口溫度被擾變量：冷流體出口溫度F操作

14、變量：載熱體熱量操作變量：載熱體熱量F擾動(dòng)變量：冷流體入口溫度、流量及載擾動(dòng)變量：冷流體入口溫度、流量及載熱體入口溫度熱體入口溫度F系統(tǒng)特性分析：非線性特性，飽和特性系統(tǒng)特性分析：非線性特性，飽和特性控制方案的確定控制方案的確定2021-12-15192021-12-1519過程控制 青海大學(xué)F選擇原則：使系統(tǒng)總的開環(huán)放大系數(shù)保選擇原則：使系統(tǒng)總的開環(huán)放大系數(shù)保持恒定持恒定F定值控制系統(tǒng)：定值控制系統(tǒng)：u假設(shè)擾動(dòng)是冷流體或載熱體的入口溫度，負(fù)荷線假設(shè)擾動(dòng)是冷流體或載熱體的入口溫度，負(fù)荷線移動(dòng)移動(dòng)u根據(jù)選型原則應(yīng)選對(duì)數(shù)或拋物線特性的控制閥根據(jù)選型原則應(yīng)選對(duì)數(shù)或拋物線特性的控制閥u假設(shè)擾動(dòng)是冷流體

15、的流量，負(fù)荷線變化假設(shè)擾動(dòng)是冷流體的流量，負(fù)荷線變化u根據(jù)選型原則應(yīng)選對(duì)數(shù)或拋物線特性的控制閥根據(jù)選型原則應(yīng)選對(duì)數(shù)或拋物線特性的控制閥F隨動(dòng)控制系統(tǒng)：隨動(dòng)控制系統(tǒng)：u負(fù)荷線不變，設(shè)定值變化負(fù)荷線不變，設(shè)定值變化u根據(jù)選型原則應(yīng)選對(duì)數(shù)或拋物線特性的控制閥根據(jù)選型原則應(yīng)選對(duì)數(shù)或拋物線特性的控制閥綜上分析，應(yīng)選對(duì)數(shù)或拋物線特性的控制閥綜上分析，應(yīng)選對(duì)數(shù)或拋物線特性的控制閥控制閥流量特性的選擇控制閥流量特性的選擇2021-12-15202021-12-1520過程控制 青海大學(xué)F被控變量被控變量(1) (1) 被加熱被加熱/ /冷卻介質(zhì)的出口溫度（無相變）；冷卻介質(zhì)的出口溫度（無相變）；(2) (2)

16、 加熱加熱/ /冷卻所需的熱量（有相變），如精餾塔冷卻所需的熱量（有相變），如精餾塔底再沸器的蒸發(fā)量。底再沸器的蒸發(fā)量。F控制變量控制變量(1) (1) 調(diào)載熱體的流量；調(diào)載熱體的流量； (2) (2) 調(diào)節(jié)傳熱平均溫差；調(diào)節(jié)傳熱平均溫差；(3) (3) 調(diào)傳熱面積；調(diào)傳熱面積；(4) (4) 將工藝介質(zhì)分路，一路經(jīng)將工藝介質(zhì)分路，一路經(jīng)換熱，另一路走旁路。換熱，另一路走旁路。換熱器的控制問題換熱器的控制問題2021-12-15212021-12-1521過程控制 青海大學(xué)凝液蒸汽TCTCLC氨氣液氨改變傳熱系數(shù)改變傳熱系數(shù)K K 和和平均溫差平均溫差T Tm m 改變平均溫差改變平均溫差T

17、Tm m 換熱器的控制方案換熱器的控制方案2021-12-15222021-12-1522過程控制 青海大學(xué)TC蒸汽凝液TC載熱體工藝介質(zhì)改變傳熱面積Fm 換熱器的控制方案換熱器的控制方案2021-12-15232021-12-1523過程控制 青海大學(xué)F被控變量：工藝介質(zhì)的出口溫度。被控變量：工藝介質(zhì)的出口溫度。F控制變量：燃料油或燃料氣的流量?？刂谱兞浚喝剂嫌突蛉剂蠚獾牧髁俊主要干擾：主要干擾：工藝介質(zhì)的進(jìn)料溫度、流量、組分；燃料油工藝介質(zhì)的進(jìn)料溫度、流量、組分；燃料油/ /燃料氣的壓力、流量、成分（或熱值）；燃料氣的壓力、流量、成分（或熱值）；燃料油的霧化情況；空氣充分情況；火嘴的燃料

18、油的霧化情況；空氣充分情況；火嘴的阻力，爐膛壓力等。阻力，爐膛壓力等。加熱爐的控制問題加熱爐的控制問題2021-12-15242021-12-1524過程控制 青海大學(xué)FCTCPCPC回油燃料油霧化蒸汽工藝介質(zhì)加熱爐的單回路控制加熱爐的單回路控制2021-12-15252021-12-1525過程控制 青海大學(xué)TCTC燃料油進(jìn)料出料FCTC進(jìn)料出料燃料油出口溫度對(duì)爐膛溫度的出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制串級(jí)控制出口溫度對(duì)燃料油流出口溫度對(duì)燃料油流量的串級(jí)控制量的串級(jí)控制加熱爐的串級(jí)控制（一）加熱爐的串級(jí)控制（一）2021-12-15262021-12-1526過程控制 青海大學(xué)TC進(jìn)料出料燃料油PCTC進(jìn)料出料燃料油出口溫度對(duì)燃料油壓力出口溫度對(duì)燃料油壓力的串級(jí)控制的串級(jí)控制采用浮動(dòng)閥的控制方采用浮動(dòng)閥的控制方案案加熱爐的串級(jí)控制（二）