换热器设计说明书

中北大学课程设计说明书 1 换热器工作原理及结构特点 1.1问题概述换热器（英语翻译：heat exchanger），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。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：混合式、蓄热式和间壁式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。 1、混合式换热器：利用冷、热流体直接混合的作用进行热量的交换。这类交换器的结构简单、价格前便宜、常做成塔状。例如：冷水塔（凉水塔）、造粒塔、气流干燥装置、流化床等。2、蓄热式换热器：在这类换热器中，能量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适用于气气热交换的场合。主要用于石油化工生产中的原料气转化和空气余热。3、间壁式换热器：所谓间壁式换热器，是指两种不同温度的流体在固定的壁面（称为传热面）相隔的空间里流动，通过壁面的导热和壁表面的对流换热进行热量的传递。间壁式换热器的传热面大多采用导热性能良好的金属制造。在某些场合由于防腐的需要，也有用非金属（如石墨，聚四乙烯等）制造的。这是工业制造最为广泛应用的一类换热器。按照传热面的形状与结构特点它还可分为：（1)管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。（2）板面式换热器：如板式、螺旋板式，、板壳式等。（3）扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。换热系统中，生产过程需要对系统的一些参数进行控制，其中，换热器出口介质的温度是最为主要、最为常见的控制对象，也是关系工艺产品质量的重要因素之一。目前，对温度的控制大都采用传统的PID调节器。但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性的特点，而且整个控制过程与环境条件及换热系统本身等因素密切相关，是一个典型的参数时变的非线性系统，所以，要寻求一个更好地控制办法以满足工业生产的需要。 2 1.2换热器的控制方法本次课程设计我要完成换热器出口温度单回路控制系统设计，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，方框图如下：图1、单回路控制系统方框图单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛应用。设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特性外，对于工艺过程、设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送原件及检测位置，选用恰当的执行器、调节器以及调机器控制规律等；最后将调节器的参数整定到最佳值。12、换热器温度控制原理以及控制方案的确定2.1控制原理换热器温度控制过程有如下特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象组成的闭合回路。被调参数经检测元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号，测量值与给定值的差值送入调节器，调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。换热器温度控制系统的工艺流程如下：冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使冷流体的出口温度升高。冷流体通过循环泵流经换热器的壳程，出口温度稳定在设定值附近。热流体通过多级泵流经换热器的管程，与冷流体热交换后流回蓄水池，循环使用。2.2控制方案从控制任务要求可知，换热器温度控制系统是单点、恒值控制。且题目要求用单回路控制系统，控制范围和控制精度要求一般，功能上无特殊要求，采用广泛使用的PID控制。图2 PID控制系统原理图 PID控制是偏差比例（P）、偏差积分（I）、偏差微分（D）控制的简称。控制系统由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值y（t）构成偏差，将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为其传递函数形式为： 3、被控对象特性研究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。3.1 被控变量的选择被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数。在换热器出口温度单回路控制系统设计中，当然选择出口温度作为被控变量，因为我们要得到流体稳定的出口温度。3.2 操纵变量的选择在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。将出口温度维持在一定值，主要是对冷热流体间传递的热量进行控制，有控制载热体流量、工艺介质的旁路流量、传热面积等多种方式。考虑工艺合理性，我选择对热流体流量进行控制，保证出口温度的稳定。3.3 被控对象特性换热器系统在连续生产中，其控制原理可通过热量平衡方程和传热速率方程来分析，这个方案的控制流程图如图1。 图3 换热器的温度控制系统工艺流程图为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，根据能量守恒定律，热流体失去的热量应该等于冷流体吸收的热量，热量平衡方程为：式中，q为传热速率（单位时间内传递的热量）；G为质量流量；c为比热容；T为温度。式中的下标处1为载热体；2为冷流体；i为入口；o为出口。传热过程中的传热速率为：式中，K为传热系数；F为传热面积；为两流体间的平均温差。其中，平均温差对于逆流、单程的情况为对数平均值： 当时，其误差在5%以内，可采用算术平均值来代替，算术平均值表示为： 由于冷流体间的传热既符合热量平衡方程，又符合传热速率方程，因此有下列关系整理后得 从上式可以看出，在传热面积F、冷流体进口流量、温度和比热容一定的情况下，影响冷流体出口温度的因素主要是传热系数K以及平均温差。 34、过程检测控制仪表的选用4.1变送器 7根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。热电偶温度计有以下特点：测温精度高，性能稳定；结构简单，易于制造，产品互换性好；将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量；测温范围广，可达-2002000；形式多样，适用于多种测温条件；选用热电偶测温仪，同时选用与之相对应的DDZ-型热电偶温度变送器。该种温度变送器的反馈回路具有与测温元件相类似的特性，即非线性反馈，结果使被测温度t与之间成线性关系。 图4 SBWR系列温度变送模块DDZ-型热电偶温度变送器主要性能指标如下：测量范围 最小量程3mV，最大量程60mV；零点迁移-50+50mV。基本误差 温度特性 环境温度每变化25，附加误差不超过千分之五。恒流性能 当负载电阻在0100范围变化时，附加误差不超过千分之五。防爆指标 结构为安全火花型；防爆等级为He；防爆额定电压为220V AC/DC。其优点有以下几点：采用了低漂移、高增益的线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性和各项性能指标。在热电偶温度变送器中用线性化电路，使变送器输出信号与被测温度信号保持了线性关系。线路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全栅的功能。热电偶温度变送器是由热电偶输入回路和放大回路两部分组成。为了得到线性关系，必须使放大回路具有非线性，热电偶输入温度变送方框图如图所示。因而有温度变送器的传递函数 式中 温度变送器的传递函数； 热电偶的传递函数； 放大回路的传递函数；由于变送器放大回路的放大系数K很大，故放大回路的传递函数可以认为等于反馈电路的传递函数的倒数，即 则热电偶输入温度变送器的传递函数为 4.2 执行器 5根据生产工艺原则以及被控介质特点，我选用电动执行器。执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动的改变操纵量（在此为介质流量），达到对被控参数进行调节的目的。电动执行器由执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。考虑被调介质的工艺条件及流体特性来选择调节阀。可分为角行程（DKJ型）和直行程（DKZ型）两种，原理和电路原理完全相同，只是输出机械传动部分有所区别。按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。根据实际情况和介质特性，我选用直行程（DKZ型）比例式电动执行器，其输出直线位移与输入电流信号成正比。DKZ系列直行程电动执行器是由DKZ直行程电动执行机构与直通单座调节阀或直通双座调节阀组装而成的，具有推力大、定位精度高、反应速度快、滞后时间少、能源消耗低、安装方便、供电简便、在电源突然断电时能自动保持调节阀原来的位置等特点。 图5 DKZ系列直行程电动执行器表1 DKZ系列直行程电动执行器主要技术参数输入信号010mA.DC、420mA.DC输入电阻200（型）、250（型）输入通道3个隔离通道基本误差2.5%回差1.5死区3%（13%可调）纯滞后1s电源电压220V.AC、50Hz使用环境条件环境温度执行机构-10+55相对温度执行机构95%表2 型号规格表机座号型号出轴推力（N）出行程（mm）全程时间（s）DKZ-310CDKZ-310BC40001081612.52520DKZ-410CDKZ-410BC640040326048DKZ-510CDKZ-510BC1600603710062考虑流量特性，通过阀的流体遵循流体流动的质量守恒和能量守恒定律。对不可压缩流体而言，流体流经调节阀时的阻力损失为 式中 调节阀的阻力系数； 流过阀的流体平均流速； 阀前压力； 阀后压力；阀体体积流量，接管截面积为A，则 以上为调节阀的流量方程。由该式可见，在调节阀口径一定、也不变的情况下，流量仅随阻力系数的变化而变化。当移动阀芯使开度改变时，阻力系数也随之变化，从而改变了流量的大小，达到了调节流量的目的。4.3 调节器 9调节器又称控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。目前在中国工业上广泛应用的DDZ-型电动调节仪表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先进可靠的防爆结构。我选用DTZ-2100型全刻度指示调节器。 图6 DTZ-2100型全刻度指示调节器表3 DTZ-2100型全刻度指示调节器相关参数输入信号15V.DC内给定信号15V.DC外给定信号420mA.DC调节作用（比例+积分+微分）比例带：2500%积分时间：0.012.5分微分时间：0.0410分（可切除）输入、给定指示表指示范围：0100%，误差：1%输出指示表指示范围：0100%，误差：25%输出信号420mA.DC负载电阻250750工作条件环境温度：045工作振动：频率25Hz5、仪表型号清单列表 表4 仪表型号清单元件型号输入信号范围数量热电偶温度变送器SBWR/Z360mV1执行器DKZ420mA.DC1调节器DTZ-210015V.DC16、参数整定与仿真6.1各环节参数的整定 10（1） 通过查阅资料，换热器出口温度与热流体流量的关系可有开环阶跃响应的实验获得： 控制器选定PID调节器，其传递函数为 式中 比例系数； 积分时间常数； 微分时间常数；选择比例环节，一阶惯性环节的传递函数为，适用于简单加热系统，用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。（2）执行器分析 执行器可分为液动、气动、电动三类，在此温度控制系统中，执行器可看作一个比例环节，选择气动调节阀。当然，在整个控制过程中执行环节有一定的滞后作用，可在控制过程中添加一个延迟滞后环节。延迟滞后环节，不妨取延迟时间=1。（3）变送器分析 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。在此变送检测环节中，采用温度变送器，当变化量较小时，可将该环节看作一个线性环节，即同样可看作是一个比例环节.（4）被控变量特性 根据能量守恒定律热流失去的热量等于冷流吸收的热量 C1、m1分别为高温物体的比热和质量，C2、m2分别为低温物体的比热和质量6.2控制系统仿真由以上各参数确定后可得系统的仿真结构图，具体参数整定过程可参见下图查阅相关资料知，对于流量系统，时间常数范围较大，比例度要大，一般不用微分作用，要求较高时才加入积分作用。所以初步令TI=0，TD=0，延迟时间=1。 6 图7系统结构图6.3对PID参数的整定由相关资料可知，常用的调节器参数整定方法有：经验试凑法、临界比例法、衰减曲线法。下面以临界比例法为参考对本系统进行参数整定。衰减曲线法首先求取在纯比例作用下的闭环系统为4:1衰减振荡过程时的比例度和振荡周期，然后根据经验公式计算出相应的调节器参数。衰减曲线法整定参数的具体步骤是：首先将调节器的积分作用和微分作用全部去除，在纯比例的情况下，按比例多少从大到小的变化规律，对应于某一值做小幅度的设定值阶跃干扰，直到获得4:1衰减振荡过渡过程曲线，这时的比例度为临界比例度，振荡周期即为临界周期，最后根据经验公式计算出调节器各参数的整定数值。对于温度系统，其对象容量滞后较大，被控变量受干扰作用后变化迟缓，一般选用较小的比例度，较大的时间积分。经验试凑法简单可靠，容易掌握，使用于各种系统。整定过程如下： Kp=2.0 Ti=0 Td=0 Kp=2.2 Ti=0 Td=0 Kp=2.4 Ti=0 Td=0此时，有=2.4，=4，根据衰减曲线经验公式有，=0.9，=0.3,=0.1。所以，整定后得到=2.16，=1.2min，=0.4min。 由于衰减周期存在误差，整定的效果不佳，因此需要进一步调整 Tp=1.0 Ti=1.6 Td=0.4 Tp=1.2 Ti=1.6 Td=0.4 Tp=1.3 Ti=1.6 Td=0.4此时效果较好，故整定结构为=1.3，=1.6min，=0.4min7、课程设计总结本文首先描述了换热器温度控制的原理，通过对换热器静态、动态特性的研究，制定了相应的控制方案。进一步完成了控制过程中所需要的仪表的选型。然后用MATLAB软件进行仿真，并对控制参数进行整定。最后，使整个系统处于稳定状态，完成了对出口温度的控制。在本次的课程设计中不得不提到我们被控对象的模型建立，由于模型机理建模相对困难，模型无法建立，影响了我其他内容的进度，最终通过广泛的查阅资料，相对较好的解决了这个问题，同时，这也给我一个教训，做事不要死守一点，学会变通，另外，该控制方案在实际的生产中的实际效果有待考验。 另外，通过这次的课程设计，我对本专业的相关知识有了更深的认识，尤其是在实际生产的工程实践中，如何设计控制系统这一过程有了更清晰的认识。重新温习过程装备控制仪表与应用这门课，对其中的部分内容有了新的认识，并在实际中得到应用。通过MATLAB这一工具，学会了参数整定的相关方法，借助这种先进工具软件辅助自己的工作学习，这对我们将来的工作效率的提高是大有裨益的。最后，要衷心的感谢姚竹亭、许昕老师的悉心指导和教诲。17【参考文献】1戴连奎.过程控制工程M. 北京：化学工业出版社，20082 王毅.过程装备控制技术及其应用M.北京：化学工业出版社，20073 胡寿松.自动控制原理M. 北京：北京科学出版社，20074 王树青.工业过程控制工程M.北京：化学工业出版社，20025 吴勤勤.控制仪表及装置（第2版）M. 北京：化学工业出版社，20026 张志涌等.MATLAB与仿真（2012b）M.北京：北京航空航天大学出版社，20127 杨庆柏.热工控制仪表.北京：中国电力出版社，2008 8 冯立川.模糊_单回路控制在换热器温度控制系统中的应用.北京化工大学 , 20079侯志林.过程控制与自动化仪表M.北京：机械工业出版社，200010孙优贤，褚健. 工业过程控制技术（方法篇）. 北京：化学工业出版社,20061 换热器工作原理及结构特点11.1问题概述11.2换热器的控制方法12、换热器温度控制原理以及控制方案的确定22.1控制原理22.2控制方案23、被控对象特性研究33.1 被控变量的选择33.2 操纵变量的选择33.3 被控对象特性44、过程检测控制仪表的选用54.1变送器54.2 执行器74.3 调节器95、仪表型号清单列表106、参数整定与仿真116.1各环节参数的整定116.2控制系统仿真126.3对PID参数的整定127、课程设计总结15