1、2019/7/28,1,4.1.4 传热设备的自动控制方案,炼油化工生产中，传热设备应用极广，传热的主要目的有四：, 使工艺介质达到规定温度，以使化学反应或其它工艺过程能 正常进行。, 在过程进行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。例如间歇式生产的化学反应,合成氨强吸热反应； 聚氯乙烯的聚合放热反应, 改变物料的相态。 汽化加热；冷凝放热, 回收热量。,绝大多数的温度控制系统都是为、两个目的服务的。一般都 以反应温度或工艺介质出口温度为受控变量；当被加热的工艺介质 流量比较平稳且对出口温度要求一般时，可取载热体流量为操纵变 量，构成流量或压力单回路定值控制系
2、统。,目的实际所需变量是热量，一般可取载热体的流量为受控变 量。对于目的，属于一般热量回收系统，一般无需自动控制。,2019/7/28,2,为了保证温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热量进行 调节。途径有：, 调节载热体的流量。实质是改变传 热速率方程中的传热系数K(载热体在传热 过程中不起相变)和平均温差Tm(载热体 在传热过程中起相变)最常用, 调节传热平均温差Tm。 滞后小、反应迅速较广泛,2019/7/28,3, 调节传热面积F。 滞后较大,只在必要场合采用。, 将工艺介质分路。实质是混合过程，即将部分工 艺介质经换热，另一部分走旁路。,反映迅速及时，但载热体流量 一直处于高负荷下
3、，在采用专用热 剂或冷剂时不经济。,对于某些热量回收系统，载热体是某种工艺介质，总流量本 来不好调节，便不成为缺点了。,2019/7/28,4,设计传热设备自动控制系统方案时，要视具体传热设备的特点 和工艺条件而定，例如：, 大部分蒸汽加热器的操纵变量采用载热体即加热蒸汽。, 某些场合当被加热工艺介质的出口温度较低，采用低压蒸汽 作载体，传热面积裕量又较大时，为保证温度调节平稳及冷凝液 排出畅通，往往以冷凝液流量作为操纵变量，调节传热面积，以 保持出口温度稳定。, 采用单回路控制系统时，传热设备滞后较大，控制器应引入 微分作用以改善控制品质。, 单回路控制满足不了工艺要求时，可考虑采用串级控制
4、系统。, 当主要干扰是生产负荷变化时，引入前馈信号组成前馈反 馈控制系统，可获得更好的控制品质。,4.2 传热设备的静态数学模型,1、对象的静态数学模型,4.2.1 概述,在稳态条件下，对象的输出变量与输入变量之间的函数关系。,输出：T1O,输入：T1i、T2i、G1、G2,2、建立模型的作用,(1) 作为干扰分析、操纵变量选择及控制方案确定的基础；,(2) 求取放大系数，用于系统分析及控制器参数整定；,(3) 分析在各种条件下K0与流量的关系，用于控制阀特性的选择。,4.2.2 对象静态模型,基本假设：无热损失,1、热量平衡关系式,主要由热量平衡式和传热速率方程式构成。,(1) 冷热流体均为
5、液相：显热交换，热流放热 = 冷流吸热,(2) 载热体为气相，冷流为液相，载热体出口与入口温度相等，且 热流出口为液相。,2载热体的气化热，J/kg,(3) 冷热流体均为气相，热交换过程中只发生相变,2、传热速率方程式,K：传热系数，kcal/(h),Fm：传热面积, ,Tm：平均温差，。与列管式换热器的流向、程数有关,C比热容，J/kg,2载热体的汽化热，kcal/kg,由传热定律，热流体向冷流体的传热速率,1冷流体的汽化热, kcal/kg,对逆流单程：,当 在1/3 3之间时,的求取参见“化工原理”,可采用算数平均值，误差5%,如果用算数平均值计算Tm ，则把三式联立,即可得到逆流单程列
6、管式换热器静态数学模型的基本表达式：,2019/7/28,8,4.2.3 对象的静态放大倍数,1、准备工作,(2) 确定受控制变量、操纵变量及主要干扰(由工艺关系及要求),(1) 建立系统的静态数学模型,2、求静态放大倍数,(1)求导法,对于列管式换热器，如果选定T1o为受控变量，G2为操纵变量，T1i为 主要干扰，则可利用求导法分别求得控制通道和干扰通道的静态放大倍 数：,2019/7/28,9, 增量法,即将模型中的受控变量、操纵变量和干扰变量均写成对稳态值的 增量形式，然后相比而得到放大倍数：,注意：增量法适合于用实验法测取放大倍数；,求导法适合于应用模型表达式求取放大倍数。,4.3 对
7、象的动态数学模型,间壁式换热器的结构形式：,对象动态模型,夹套式、蛇管式、套管式和列管式等,两侧物流在传热过程中都有相变，两侧均为集中参数系统；,设备的结构形式,两侧物流的状态变化,一侧物流有相变，则相变侧为集中参数，另一侧视为混合情况而定；,两侧都不起相变，视物流的混合情况确定集中参数还是分布参数。,建模时先判定系统的形式：,分布参数系统,集中参数系统,集中参数系统模型，在合理假设的基础上，较易获得,以两侧物流均没有相变来讨论，可分为三种情况。,(1)两侧物流充分混合，两侧均为集中参数,两侧物流充分混合,(2)一侧流体作充分混合，另一侧流体没有轴向混合，则充分混合的 一侧为集中参数，另一侧为
8、分布参数。,(3)两侧流体都没有轴向混合，则两侧均为分布参数。,4.3.1 两侧流体充分混合（集中参数）,假设：,间壁热容、换热器的热损失忽略不计；,传热系数及比热C为常数，流体的性质不变。,：间壁两侧流体的质量,：两侧流体的质量流量,：两侧流体的比热,：两侧流体的入口温度,：两侧流体的出口温度,：平均传热面积,U,：传热系数,方程有两个输出:,四个输入:,为非线性方程,工作点 进行线性化得：,增量式,2019/7/28,13,写成矢量矩阵方程，则,式中：,此即以状态方程形式表示的换热器动态数学模型，由此可转 换成其它形式的模型，或求出某个通道的动态特性。,4.3.2 两侧均无轴向混合（分布参
9、数对象）,如套管式换热器,假设：,(1)两侧流体为液相，且是层流流动；,(2)传热系数，比热为常数；,(3)同一截面上各点温度相同；,(4)忽略间壁热容。,分布参数系统不仅与时间有关， 且与空间位置有关。,在系统内取高度为dz的圆柱体为微元，则其热量动态平衡方程：,(单位时间内流体1带入微元的热量)-(单位时间内流体1离开微元所带走的 热量)+(单位时间内流体2传给流体1微元的热量)=流体1微元内蓄热量的变 化率，即,:内管的圆周长,LAdl,:微元的表面积,M1,:流体1单位长度的流体质量,M1dl,:微元的质量,U,:传热系数,2019/7/28,15,消去方程中的dl，并做适当整理，,则得：,同理可得流体2的热量动态平衡方程式：,式中：,此偏微分方程的时间和空间的边界条件为：,2019/7/28,16,对上述动态方程进行精确的解析求解是困难的，为便于计算机 实时控制和现代控制理论的引用，教材介绍一种采用时间、空间离 散化方法，将上述连续偏微分方程转换成相应的离散状态空间模型。 可自行学习。,
