1、中北大学课程设计说明书中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 马冲 学 号： 1002034306 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 换热器出口温度比值控制系统设计 指导教师： 高强 职称: 副教授 陆辉山 职称: 副教授 2013 年 12 月 30 日中北大学课程设计说明书中北大学课程设计任务书2013/2014 学年第 1 学期学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 马冲 学 号： 1002034306 课程设计题目：换热器出口温度比值控制系统设计 起 迄 日 期： 2013 年 12 月 30 日2014
2、年 1 月 10 日 课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 高强 陆辉山 系 主 任： 黄晋英 下达任务书日期: 2013 年 12 月 30 日中北大学课程设计说明书课 程 设 计 任 务 书1设计目的：（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。 （2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（
3、4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：经过过程检测仪表与控制课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置） ，独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。1. 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图；2. 现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；3. 给出控制系统方框图；4. 分析被控对象特性，选择控制算法；5. 进行系统仿真，调节控制参数，分析
4、系统性能；6. 写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。中北大学课程设计说明书3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文) 、图纸、实物样品等：1确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。2撰写课程设计说明书一份（A4 纸） 。4主要参考文献：1过程装备控制技术及其应用 王毅 主编 化学工业出版社2过程自动化及仪表 俞金寿 主编 化学工业出版社3工业过程控制工程 王树青 主编 化学工业出版社4控制仪表及装置
5、 吴勤勤 主编 化学工业出版社5过程控制仪表 徐春山 主编 冶金工业出版社6过程装备成套技术设计指南工程 黄振仁 主编 化学工业出版社7过程控制装置 张永德 主编 化学工业出版社8化工单元过程及设备课程设计 匡国柱 主编 化学工业出版社9化工设备设计设计手册 （上、下） 朱有庭 主编 化学工业出版社10工业过程检测与控制 孟华 主编 化学工业出版社中北大学课程设计说明书5设计成果形式及要求：提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求；系统控制流程图一份；6工作计划及进度：2013 年 12 月 30 日 -2014 年 1 月 2 日 确定系统整体控制方案以及系统的构
6、成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图；2014 年 1 月 3 日 - 1 月 6 日 控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法；1 月 7 日- 1 月 8 日 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；1 月 8 日 - 1 月 9 日 编写课程设计说明书1 月 10 日 答辩学科管理部审查意见：签字： 年 月 日中北大学课程设计说明书目 录一换热器工作原理及结构特点 .11.1 换热器的简介及分类 .11.2 换热器的控制方法 .1二控制方案的选择 .32.1 传递函数的确定及被控对象的特性分析 .32.1.1 被控对象静态特性分析 .42.1.2 被控对象动态特性分析 .
7、6三仪表的选型及参数的确定 .113.1 流量测量仪 .113.2 调节器 .123.3 调节阀 .12四控制系统的仿真 .144.1 各个环节传递函数及各个参数的确定 .14五课程设计总结 .18六主要参考文献 .19中北大学课程设计说明书中北大学课程设计说明书11换热器工作原理及结构特点 1.1 换热器的简介及分类 换热器是一种用来进行热量交换的工艺设备，在工业生产中应用极为广泛。它的作用是通过热流体加热冷流体，使工作介质达到生产工艺所规定的温度要求，以利于生产过程的顺利进行，同时避免生产过程中的浪费，以节约能源。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是实现化工
8、生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。换热器的分类比较广泛：反应釜 压力容器 冷凝器 反应锅 螺旋板式换热器 波纹管换热器 列管换热器 板式换热器 螺旋板换热器 管壳式换热器 容积式换热器 浮头式换热器 管式换热器 热管换热器 汽水换热器 换热机组 石墨换热器 空气换热器 钛换热器 换热设备，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格
9、过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。如图 1【1】1.2 换热器的控制方法换 热 器 是 传 热 设 备 中 较 为 简 单 的 一 种 ， 也 是 最 常 见 的 一 种 。 通 常 它 两 侧 的 介 质 (工 艺 介 质和载热 体)在换热过 程 中均无相 变 。换热器 换 热的目 的 是 保证工艺 介 质加热 (或冷 却) 到 一 定中北大学课程设计说明书2温度。 为 保证出口 温 度平稳， 满 足工艺要 求 ，必须对 传 递的热量 进 行调节。 调 节热 量 有以 下几 种 方 式 。1) 控 制 载 热 体 流 量这 个 方 案 的 控 制 流 程 如 图 2。 其
10、 控 制 原 理 可 通 过 热 量 平 衡 方 程 和 传 热 速 率 方 程 来 分 析 。 图 2 换 热 器 控 制 流 程 图由于冷流体的传热符合热量平衡方程式 【2】工程热力学，热力平衡部分 ，又符合传热速率方程式，通过对换热器静态特性分析部分的内容，因此有下列关系（1-19）22oiGcTKFT整理后得（1-20）22oiKFTc当从上式可看出，在传热面积 、冷流体进口流量 、温度 和比热容 一定的2G2iT2c情况下，影响冷流体出口温度 的因素主要为传热系数 及平均温差 。控制载流体流2oTK量实质上是改变 。若由于某种原因使 降低，控制器 TC 将使控制阀门增大，载热体流 2
11、o量 增加，传递的热量增加，这就必然导致冷热流体平均温差 升高，从而使工艺介质 1G T的出口温度 增加。载热体流量 增加，一方面使温差 增加，另一方面传热系统数2oT1G也会增加，但在通常情况下传热系统数 变化不大，所以经常忽略。因此这种方案实质上KK是通过改变 来控制工艺介质的出口温度的。改变载热体流量是应用最为普遍的控制方案，多适用于载热体流量 的变化对温度影1G响较灵敏的场合。当载热体流量已经变得很大， 较小时，进入饱和区控制就很迟迍，1ioT中北大学课程设计说明书3此时不宜采用此方案。2) 控制载热体旁路流量 【4】流量控制当载热体本身也是一种工艺物料，其流量不允许变化时，可采用此控
12、制方 案。它1ioT的控制原理也是利用改变温差 的手段来达到温度控制的目的。这里采用三通控制阀来改T变进入换热器的载热体流量与旁路流量的比例，这样既可以改变进入换热器的载热体流量，又能保证载热体总流量不受影响。3) 工 艺 介 质 的 旁 路 控 制当 工 艺 介 质 的 流 量 允 许 变 化 ， 而 且 换 热 器 的 传 热面有富 余 时，可将 工 艺介质的 一 部分经换 热 器，其余 部 分由旁路 直 接流到出 口 处， 然 后 将两者混 合 起来控制 温 度。该控 制 方案中被 控 变量是冷 流 体和热流 体 混合后的 温 度， 热 流 体温度大 于 设定温度 ， 冷流体温 度 小于
13、设定 温 度，通过 控 制冷热流 体 流量的配 比 ，使 混 合 后的温度 等 于设定温 度 。从控制 原 理上来看 ， 这种方 案 实 际上是 一 个 混合过程 。 所以 反 应 及时，过 程 的滞后并 不 直接显示 出 来，适用 于 停留时 间 较 长的换 热 器 。但需注 意 的是 换 热 器必须有 较 大余量的 传 热面积， 且 载热体一 直 处于最 大 流 量，因 此 在 通过换热 器 的被 加 热 介 质 流 量 较 小 时 就 不 太 经 济 。 考 虑 经济 性 ， 旁 路 的 流 量 通 常 占 总 流 量 的 10% 30%。4) 控 制 传 热 面 积从 传 热 速 率
14、方 程 来 看 ， 使 传 热 系 数 和 传 热 平 均 温 差 基 本 保 持 不 变 ，qKFTKT调 节 传 热 面 积 可 能 改 变 传 热 量 ， 从 而 达 到 控 制 出 口 温 度 的 目 的 。 此 时 调 节 阀 装 在 冷 凝 液 的排 出 管 线 上 。 如 果 被 加 热 物 料 出 口 温 度 高 于 给 定 值 ， 说 明 传 热 量 过 大 ， 可 将 冷 凝 液 控 制 阀 关小 ， 冷 凝 液 就 会 积 累 起 来 ， 减 少 了 有 效 的 蒸 汽 冷 凝 面 积 ， 从 而 使 传 热 量 减 少 ， 工 艺 介 质 出 口温 度 就 会 降 低 。 反 之 ， 如 果 被 加 热 物 料 出 口 温 度 低 于 给 定 值 ， 可 将 冷 凝 液 控 制 阀 开 大 ， 增 大传 热 面 积 ， 使 传 热 量 相 应 增 加 。二控制方案的选择2.1 传递函数的确定及被控对象特性分析在本文中，以列管式逆流单程换热器进行分析，令 为热流体的流量， 为冷流体流1G2G量。 分别为热流体和冷流体的入口温度，分别为热流体和冷流体的出口温度，而 分1iT 12c、
