（化工过程机械专业论文）离心式压缩机润滑油系统温控阀的静动态特性研究.pdf

兰州理工太学硕士学位论文 、，7 2 1 u 8 3 玎 摘要 摘要 对于大型离心式压缩机而言，其润滑油的温度对压缩机的能耗及安全运行影响 极大。润滑油温度过高，使得其粘度过度下降，造成压缩机运动部件的磨损加剧， 直接影响机器的安全和使用寿命。为了控制压缩机润滑油的温度，常在润滑油冷却 系统中安置混合型温控阀来控制其温度。为了避免压缩机由于润滑油温度的失调 而导致的非正常运行，以及更好地设计温控阀，开发实用的温控阀系统模型，对润 滑油温度控制系统中流体和相关部件的温度的模拟，就显得十分重要。 冷、热流体流入混合型温控阀，通过对混合流体温度的机械反馈控制，使得流 出温控阀的混合流体温度保持在一设定值。漏控阀中的感温元件为内填一种具有楣 变特性的石蜡材料的铜质感温包，感温元件同时又是该温控阀的驱动元件。混合流 体流经感温元件，使得感温元件具有相应的温度，而温控阀中调节筒的位移是其温 度的函数。感温元件作用于调节筒，调节冷、热流体的入阀流量，从而补偿混合流 体温度的差异。当混合流体在流出温控阀之前还要经过( 感温包与阀门h 口之间) 一段腔室，这有助于抑制在动态响应中可能出现的温度超调现象。 这项研究的内容包括对混合型温控阀的控制原理的理解及阐述、静态动态模 型的建立，所涉及的学科有流体力学、传热学、热力学及自动控制原理。作为一个 独立的反馈控制系统，重点研究了温控阀的静态特性和动态特性。通过详细论述混 合型温控阀各组成部件之间的相互关系，并分析了温控阀工作内在的热力学及传热 学机理，经过合理简化，采用集总参数法建立了温控阀的物理模型和简捷的动态数 学模型，得到能够有效指导工程实践的数学方程，模拟结果与工程实际相吻合。 为了计算温控阀中不同位置的流体的温度和流量( 把它们均视为时问的函数) ， 开发了该控制系统的基于s i m u l i n k 的计算机模型。流体和感温元件的温度取决于各 自与其周围环境的热交换，以及流体内部的能量传递。 通过计算机仿真，对温控阀的动态特性进行了分析，为温控阀的优化设计提供 了种简单可行的理论方法。 关键词：温控阀，流体，建模，系统分析 兰州理工大学硕上学位论文摘要 a b s t r a c t i nh y d r a u l i cs y s t e m sw h e r et h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sl a r g e ，l o s s e sc o m p o n e n t sw i l l 1 e a dt ou n d e s i r a b l ye l e v a t e d a h i g h l ye l e v a t e do i lt e m p e r a t u r e i su n d e s i r a b l es i n c et h eo i l m a yd e t e r i o r a t ea n dm e c h a n i c a l a n dl u b r i c a t i o np r o b l e m sm a ya r i s ei ft h ev i s c o s i t y b e c o m e st o ol o w i na t t e m p t i n gt oc o n t r o lt h eo i l t e m p e r a t u r e ，h y d r a u l i cs y s t e m sa r e o f t e ne q u i p p e dw i t ha s e l f - o p e r a t i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gv a l v e ( s o t c v ) c o n t r o l l e d e x c h a n g e r t h ep o s s i b i l i t y o fs i m u l a t i n gf l u i da n d c o m p o n e n tt e m p e r a t u r e s i no i l t e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e r n s j s i m p o r t a n t t oa v o i dm a l f u n c t i o n sa n d o p t i m i z e t h e e q u i p m e n t a n dw i l ll e a dt oab e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h et h e r m a lc o n s i d e r a t i o n st h a tm u s t b et a k e ni nt h es o t c v d e s i g n t h e s e l f - o p e r a t i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gv a l v e ( s o t c i s f e db yt w of l u i dp i p e s ， s u p p l y i n gh o ta n dc o o lf l u i d t h ed e v i c ei n c o r p o r a t e s av a l v ew i t hm e c h a n i c a lf e e d b a c k f o rm i x i n gh o ta n dc o o lf l u i dt oad e s i r e dt e m p e r a t u r e t h em i x i n gf i u i df l o w sp a s ta t e m p e r a t u r es e n s i t i r ea c t u a t o rc o n s i s t i n go fap h a s e c h a n g ew a xm a t e f i a li n ab r a s s e n c l o s u r e ，m a k i n gt h ep o s i t i o no fa c t u a t o rp i s t o naf u n c t i o no ft h ea c t u a t o rt e m p e r a t u r e 1 1 1 ea c t u a t o ra c t so nt h es p 0 0 1 t h u sc o m p e n s a t i n gf o rd i s c r e p a n c i e si nt h em i x i n gf l u i d t e m p e r a t u r e 。p o s s i b l eo v e r - s h o o ti nd y n a m i cr e s p o n s ei sd a m p e dw h e nt h em i x e df l u i d f l o w st h r o l ：【g hv o l u m e sb e f o r el e a v i n gt h ev a l v e t h es t u d yi n c l u d e st h eu n d e r s t a n d i n go ft h eg o v e r n i n gp r i n c i p l e so ft h er e g u l a t o r , s t a t i o n a r ya sw e l la sd y n a m i c a l a n di n v o l v e sf l u i d f l o w , h e a tt r a n s f e r , t h e r m o d v n a m i c a n dc e n t r e l p r i n c i p l ec o n s i d e r a t i o n s e m p h a s i s i s p u t o nb o t ht h e s t a t i o n a r y c h a r a c t e r i s t i e sa n dt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c e a c o m p u t e rm o d e lo ft h em i x i n gv a l v eb a s e do ns i m u l i n ki sd e v e l o p e di no r d e rt o c a l c u l a t et e m p e r a t u r e ，a n df l o wa ts e v e r a l1 0 c a t i o n si nt h ev a l y ea saf u n c t i o no ft i m e t h et e m p e r a t u r ed e p e n d so nt h et h e r m o d y n a m i cc h a n g eo ft h ef l u i dd u et ot h eh e a t t r a u s f e rt ot h es u r r o u n d i n g sa n dt h eo n e r g yt r a n s p o f ti nt h ef l u i d t h es i m u l a t i o n sa r e c o m b i n e dw i t ht h el i t e r a t u r e f r o m c o m p u t e rs i m u l a t i o n s ，t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d o p t i m i z a t i o n i su s e dt os t u d yp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s t h eo u t c o m e i su s e dt oe n s u r et h ea c c u r a c yo f t h em e t h o d su s e di nt h et h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n s k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g v a l v e ：f l u i d ；m o d e l i n g ；s y s t e ma n a l y s i s i i 兰州理工大学硕士学位论丈 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的意义、目的及可行性论证 1 1 1 课题研究的意义“。1 “ 就工业设备而言，在满足工艺条件的基础上，人们希望其具有工作稳定、结构 简单、自动化程度高、维护方便及节能降耗等特点。阀门是种适用于各工业行业 的通用机械设备。在管道流体控制中，自动控制阀是保证控制质量和提高效率的重 要装置。改革开放以来，我国阀门行业得到了快速发展，现有的产品品种和数量基 本能满足国民经济各部门的需要。但是，有些特种阀门，如自控和调节阀门等，则 品种少，性能参数较低，不能满足配套要求。 自力式温控阀，也叫调温器或节温器( 有时人们也称其为恒温器) ，是一种机 械式反馈温度调节阀。就其在系统中流动方式的不同，可分为混合型及分流型两种。 所研究的混合型温控阀的目的是对来自不同管路的热流和冷流进行混合并使其达 到指定的温度。该阀是一种集感应机构、放大机构、执行机构、反馈机构、定值机 构于一体的自力式温度、流量控制装置，无需附加控制能源及附属机构，具有结构 简单，工作稳定，操作、维护方便及节能的特点，并被广泛应用于各类热力设备( 工 业及民用) 的不同性质的工质温度、流量的控制。显然，课题的研究意义已不局限 于仅在离心式压缩机方面的应用。 混合型温控阀的显著特点为结构简单，尤其是在各行业相关系统应用中的节能 意义更是不可小觑。下面主要叙述其在各相关系统中应用所产生的节能降耗作用， 来说明该课题研究的意义。 能源是经济发展的原动力，是现代文明的物质基础。我国经济发展以世界前所 未有的速度持续高速增长了2 0 多年，其总体经济实力已经进入世界7 强之列，但 是由于经济基础不足、人口众多，贫困问题仍然没有得到根本解决。目前，我国的 经济发展水平依然很低，然而能源消耗量随着经济的发展已高达1 6 6 7 亿吨标准煤。 能源消费量已超过世界能源消费总量的1 0 ，居世界第二位，而我国的能源活动水 平相对于巨大的人口基数还很低。1 9 9 3 年，中国成为石油净进口国，此后石油进口 量逐年增大，由1 9 9 6 年的26 2 2 万吨增加到2 0 0 2 年的69 4 1 万吨，2 0 0 3 年中国净 进口超过91 1 2 万吨。十年左右的时间里，石油净进口量增加了7 倍，外贸依存度 已经逼近3 0 0 a 。预计在2 0 0 5 年，中国的石油进口规模将突破1 亿吨大关。上述我 国这种能源消费总量大，经济发展水平低、人均能耗低的现状以及经济发展的不均 衡性，说明未来我国经济发展所面临的能源问题将更加突出、更加严峻。这为节能 型产品的开发和应用提出了必然要求。 随着我国国民经济的持续增长，民用建筑的建设亦不断高速发展。建筑能耗( 其 中供暖、空调通风能耗约占2 3 左右) 问题也日益受到关注。据调查，自1 9 9 6 年以 来，建筑能耗所占全国能源消费总量的比例在逐年上升，2 0 0 1 年已达2 7 5 ，其中 城镇采暖的能量消耗已占建筑能耗的3 7 4 。据预测，按照目前建筑能耗水平发展， 到2 0 2 0 年，我国建能耗将达到1 0 8 9 亿t e e ( 吨标准煤) 。从我国能源资源的情况来 看，虽然煤炭资源比较丰富，但石油、天然气资源相对十分贫乏，国内能源供应将 兰卅理工t = 学顾士学位论文 第一章绪论 面临潜在的总量短缺。节能降耗已成为国家的重大战略问题，建筑节能刻不容缓。 目前我国在采暖节能方面对于热源和系统已有了广泛和深入的研究。如热电联产集 中供热、区域供热等都取得了明显的节能效果。但是对采暖的用户端的节能技术研 究和实施还仅仅是开始。在供暖用户室内每组换热器上安装自立式温控阀，根据实 际使用要求设定室温值，可以大大降低供暖系统的热能消耗。这种自立式温控阀在 欧美各国已被广泛采用，其效果是可节约1 0 2 0 的能量消耗。对我国一些城市 的住宅小区的调查显示，在换热器上安装自立式温控阀后的平均节能率为2 2 。由 此，我国关于换热器恒温控制阀行业标准的制定工作，正由中国建筑科学研究 院空调所和建设部科技促进中心共同主编起草。 自从有了汽车，世界上就多了一项能源方面的巨额消耗。目前全世界年产汽车 5o o o 多万辆，保有量达6 亿多辆。即使每辆汽车按年均消耗1 t 汽( 柴) 油计，每 年消耗的石油总量也相当可观。据中国汽车技术研究中心的专家估计，未来2 0 年， 汽车消费增长将成为我国石油消耗增长的主要动力。故汽车节能问题已不容忽视， 汽车节能技术及相关产品的研究与开发愈来愈受到人们的重视。在发动机冷却系统 安装节温器，采用风扇离合器是一项被广泛应用的汽车节能技术。风扇离合器是一 种装在风扇皮带轮之间的可以根据需要( 由节温器来控制) 切断或接通风煽动力传 动的装置。安装节温器以后，发动枧的节油率为5 左右。另外，安装节温器除了 节能以外，还可保证车内供暖热源，改善汽车的舒适性；减少空气污染；减少气缸 与活塞的磨损。调查发现，发动机装节温器与否，其气缸磨损量相差3 倍。 在其他方面的应用，混合型温控阀的自身节能及其在应用中的系统节能同样显 著。内燃机车大约有6 9 的功率用于辅助系统中，其中大部分功率消耗在冷却 风扇上。温控阀安装在内燃机车冷却系统，可以最大程度地降低其能耗。在离心式 压缩机润滑油系统、化工厂仪表保温箱以及汽车用空调系统等不同场所均能看到自 力式温控阀的应用，既简化了系统，延长了设备的使用寿命，又起到了节能作用。 综上所述，混合型温控阀的应用前景十分广阔。目前，基于蜡质感温元件的混 合型温控阀主要依靠进口，价格比较昂贵。该阀的国产化依然处于经验阶段，缺乏 有效的理论支撑。国内外有关基于蜡质感温元件的自力式温控阀的应用报道较多， 然而对其流量特性以及系统分析方面的公开文献较少。为了加快国产化研究与开 发，做到该类阀门的设计与生产的系列化，为国民经济的发展，尤其是系统节能方 面做出更大的贡献，有必要对混合型温控阀系统进行深入地分析与研究。 1 1 2 课题研究的的内容与目的 ( 1 ) 基于蜡质感温元件的混合型温控阀的静态模型建立 通过热力学原理和控制原理建立了蜡质感温元件的混合型温控阀的静态数学 模型，并对其进行静态模拟，分析静态特性，从理论上求解温控阀的控温误差范围， 寻求其控温精度。 ( 2 ) 基于蜡质感温元件的混合型温控阀的动态模型建立 综合热力学、传热学、流体力学以及控制原理，经过合理简化，采用集总参数 法建立了温控阀的物理模型和简捷的动态数学模型，得到能够有效指导工程实践的 数学方程，并进一步对温控阀的优化设计提供理论基础。 ( 3 ) 基于蜡质感温元件的混合型温控阀的动态模拟 在m a t l a b s i m u l i n k 环境巾，对已建立的温控阀系统的数学模型进行线性分 2 兰州理工人学硕十学位论文 第一章绪论 析，考察其动态特性，验证模型的可靠性及其稳定性；通过观察对温控阀系统的在 流过不同流体流量的时的控温变化，得到一些有意义的结论。 1 1 3 课题研究的可行性论证 ( 1 )工程实现的可能性 混合型温控阀是一台温度控制调节装覆，同时又是个小型的热惯性系统，其 工程应用广泛。该类阀门的控制行为主要在于对过程的热传递分析。热流体通过对 流传热方式把热量传递给感温元件，感温元件主要以热传导方式吸收来自热流体的 热量，致使感温介质受热体积膨胀，迸一步推动推杆使其产生位移，从而完成冷、 热流体流量的调节，最终控制阀门出口的流体温度。由于感温元件内含掺了金属粉 末的感温蜡，且在传热过程中感温蜡处于匿j 熔状态，为复合材料的相变传热：另一 方面，由于热惯性的存在，使得温控阀的控制出现滞后现象。上述因素，增加了温 控阀传热传质分析及其系统分析的难度。然而，感温介质中掺合了导热系数较高的 金属粉末，强化了传热，降低了时间常数；另外，感温元件的体积并不是很大，这 些又为我们在分析该类阀门的运行过程时进行必要的简化提供了可能”“。 ( 2 )技术实现的可能性 ( 1 ) 涉及混合型温控阀各部件和运行过程的热力特性、传热传质规律等均已 形成完善的理论，而控制理论的发展日益深入，这位深入研究自力式温控阀的运行 规律、控制算法提供了理论基础。 ( 2 ) 本文提出的基于蜡质感温元件的混合型温控阀静态、动态模型，思路明 晰，形式简洁，计算方便，易于工程实现，可指导混合型温控阀的控制系统设计。 ( 3 ) 建立了专门的混合型温控阀综合实验台，并有样机可进行实验验证；另 外，兰州石化公司所使用的空气压缩机的润滑油冷却系统安装并运行着该类温控 阀，亦可以进行现场数据验证。这些条件为混合型温控阀的系统分析与研究提供了 可靠的实验保证。 1 2 国内外混合型温控阀的研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外混合型温控阀的研究现状概述 基于蜡质感温元件的混合型温控阀早在2 0 世纪4 0 年代由美国一家公司申请专 利并进行生产，其应用历史已有6 0 余年。该类阀门在我国的应用是在上世纪7 ( ) 年 代，最先出现在由东欧国家引进的内燃机机车的液压系统中，于8 0 年代初步实现 了围产化并应用于国产东风型机车的液压系统的温度控制 1 5 1 o2 0 世纪8 0 年代，随 着我国石化、电力、纺织等行业大规模引进国外的技术及附属大型装置，该类温控 阀亦在进口空气压缩机的润滑油系统中出现”“1 7 3 ，进而促使人们对其国产化的不 断努力 1 8 - 2 0 同样是从2 0 世纪8 0 年代末期，国内有关企业开始消化吸收国外技术， 研制开发民用供暖系统换热器恒温阀，已有小批量应用于实际工程，但普遍存在阀 门密封性不好，感温包失灵等问题，需要改进生产_ t 艺和提高生产质量哺 。 国内外有关基于蜡质感温元件的混合型温控阀的应用报道较多，然而对其流量 3 兰州理工大学硕士学位论艾 第一章铺论 特性以及系统分析方面的公开文献较少。王为恩等对应用于汽轮机润滑油系统的油 温控制阀( 调温器) 的感温元件及感温介质的传热传质机理进行了分析，从理论上 说明温控阀控制温度在理论上是合理的，感温介质中金属粉末a 与非金属b 达平 衡浓度时即为控制温度值，且是唯一的“。 z o ux 等研究了针对汽车发动机冷却系统用的混合型温控阀的动态特性及其 相对冷却水温度的响应，所建立的动态模型由三个时滞微分方程组成，它们描述了 温控阀部件温度与其开度的关系，并通过数字迭代进行计算机仿真 2 2 o 该自力式 温控阀的动态模型比较复杂，需要有合适的算法以及对解的稳定进行分析。故难于 赢接应用于工程实际，但对进一步深入研究自力式温控阀的控制特性是有帮助的。 c h i p m a njc 等在上述混合型温控阀动态模型的基础上对系统解的稳定性以及系 统得到稳定解的解算方法进行了深入的分析。结果发现，如果忽略滞后问题，系统 存在一个唯一的稳定解；若考虑滞后问题，则系统可能得到一个唯一的稳定解，也 可能是一个稳定解的连续统。基于数字模拟，推测至8 通过对非稳态的初始条件的合 适选择，可以得到上述每一种情形。另外，系统还可能存在振荡解。c h i p m a n jc 等最后得出的结论为：上述动态模型的解呈现不同类型的特征，还需要对其进步 的研究2 3 3 | 。j a n ak o p f o v h 等对边界条件具有时滞特征的热传递方程和具有时滞特征 的常微分方程( 上述时滞微分方程符合这两种情况) 的解算过程进行了研究，结果 发现，由丁二过程出现两相变化( 如感温介质的固液转化) ，两个方程的周期解可能 是一个未解问题，或许是一个非常复杂的问题2 4 o 刘建清等采用s m p l e c 方法，对感温包内介质的传热与流动进行了数值研究， 求解了同心圆柱形成的封闭空腔中自然对流的流固耦合问题，同时分析了径比、高 度比等参数对空腔中介质流动与传热及阀门动态响应的影响雎”。其研究结果对优 化设计感温包有积极的意义。杨和基对自力式温控阀的时间常数作了初步的分析与 总结，指出针对不同感温介质，它们的时间常数可从2 0s 2 0 0s 之间实现 2 6 30 但 还需要理论和实验验证。 赫强等利用s j m u j n k 建立了一个柴油机冷却系统模型，利用这一模型对柴油 机冷却水温作出预测，为节温器( 混合型温控阀) 及水温传感器的诊断提供了重要 依据。最后在y c 6 11 2 z l q 柴油机上进行了试验，证明模型与实测值的最大误差小f 5 ，并能满足实时性的要求“”。文中所建立的节温器温度模型为时间的函数。 罗建曦等在建立节温器、换热器及发动机等部件集总参数模型的基础上，利用 质量守恒、动量守恒和能量：r 恒等基本控制方程，建立了描述热系统复杂动力学过 程的数学模型，发展了相应算法，并利用该方法对发动机冷起动过程的热系统动态 特性进行了仿真计算和对比分析。研究结果表明：节温器延迟时间短，发动机进口 温度波动小，稳定所需时训短，调节效果好；线性或非线性的节温器温度反应特性 对系统动态热性能影响的差别不大；节温器置于发动机进口，节温器振荡较弱，糟 于平缓所需时间较短，温度调节效果较好陀8 。 薛永飞从控制理论出发，定量分析了热力膨胀阀的工作流量，指出系统在膨胀 阀的最佳稳定工作运行，会更加节能c 2 9 。只是该研究对象为带有指挥器的自力式 温控阀。宋均风通过几个典型的实验实例对温度自动调节器的动态品质和与柴油机 的匹配进行了深入的分析，结果表明直接式温度调节器可以满足柴油机对温度调节 的要求 3 0 j o 刘柱通过对轮船气动冷却水温度自动控制系统的滞后性的定性分析， 认为只能通过常规检查和维护来使滞后时间缩短到最小 3 1 3o 魏一康等介绍了定温 变流量温控阀局部5 h 力系数的测定方法和试验研究结果，为了更好地了解该类阀fj 4 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 的性能以及对其更合理地使用提供依据| 3 。杜兆年、史风霞对温控阀的感温包、隔 膜和弹簧等关键元件进行了分析，并指出了它们的选择原则及弹簧组的作用“。”。 a l a ng u n t e rl 等人的研究是针对发动机冷却系统用的蜡驱动的混合型温控阀， 只是该处研究的为主动式( 或有源式) 自力温控阀的动态特性。研究中忽略了蜡的 相变问题，在此基础上得到了混合型温控阀的形式简单的动态模型，通过对模型的 仿真研究了该类阀门的动态特性，其计算值与实验值吻合很好训。该研究结果给 了我们一个启示，即在对蜡驱动自力温控阀进行系统分析时，通过适当的简化处理 可以得到系统的简洁模型，并能够很好地指导工程实践。 从上述各研究成果来开，人们在混合型温控阀控制原理的数学模型建立及其算 法研究给予了极大的热情。尽管设备结构简单，由于过程中存在着相变，且感温蜡 中还混有金属粉末，使得传热分析若按实际情况进行，所得到的过程的数学模型为 时滞微分方程过于复杂；同时，对数学模型的解算方法以及解的稳定型问题还无定 论。从工程应用的角度考虑，之前人们所作的理论研究工作还远远不够，还不能做 到理论指导实践。目前，需要开发简洁、有效的系统数学模型来指导工业生产，而 恰恰是这方面的研究人们关注的较少。 1 2 2 混合型温控阀研究的发展趋势 由公开发表的文献来看，有关混合型温控阀的研究趋势包括以下几个方面。 ( 1 ) 由于感温介质在运行过程中存在相变问题，人们为了更深入地了解其传 热控温原理，对系统建立了复杂的时滞微分方程组，由此对该类方程组的解算方浊 及其解的稳定性问题展开了深入的讨论u “3 5 j 。 ( 2 ) 针对感温元件中的感温介质( 感温蜡) 在感温过程中的相变传热进行数 值分析，力图为感温包的设计提供具有工程意义的般性准则。3 6 。 ( 3 ) 建立温控阀、换热器及发动机等部件组成的热系统的复杂动力学过程的 数学模型，发展相应算法，并经过仿真计算，来研究发动机热系统动态性能的影响 因素2 2 2 8 3 。 ( 4 ) 建立温控阀本身的系统数学模型，并通过数学模拟，为优化设计温控阀 提供理论依据“。 尽管机械式混合型温控阀的应用已有几十年的历史，但是从公开报道的文献来 看，人们一直是在通过经验的方式进行设计与生产。对该类温控阀的工作原理更深 入了解以及对其控温原理的理论分析，并由此来更好地指导工程实践才于近儿年为 人们所重视。为了优化设计温控阀，对其进行系统分析己愈来愈为人们感兴趣。 1 3 课题研究中的难点 本课题属于交叉学科性质的课题，对温控阀的系统分析综合了热力学、复合材 料的相变传热、流体力学、控制原理以及计算机应用等多门学科，具有较大的难度。 离也，式压缩机润滑油冷却系统或发动机冷却系统的温度控制问题是一个典型 的非线性控制过程，加之热系统延迟效应的相互作用，使系统动态特性具有时滞恺：， 系统分析更趋复杂。感温蜡在工作时存在着复合材料的相变传热现象，由于在液阿 相变过程中存在一个位置和运动速度均为未知的液、固运动界面，所以即使物性是 常数r 它也是非线性的。因此，除了几个极端简化了的情况外，般很难找到这类 5 兰州理= r = 大学碗上学位论文 第一章绪论 问题的分析解，只能用数值方法求解。另外，感温包内的介质的传热与流动还存在 流固( 流体与固体壁面) 锅台问题。园此，本课题的难点在于温控阀系统动态数学 模型的建立。利用控制理论解决精确的控制问题。必须首先研究和建立被控对象的 动奎数学模型，这是对最终控制目标进行优化设计的关键。尽管人仃j 理论l 已经建 立了机械式自力温控阔的动态模型，但是系统模型过于复杂，使得计算方法和解的 稳定性又成为新的问题，难于有效指导工程实践。 1 4 混合型温控阀的应用 1 4 1 混合型温控阀的特点 混合型涅控阎是小用辅助能源妁自动化装置，即自力式温控润，其分类按照有 无指挥器可分为指挥器操作型和直接作用型调节阀两种，亦可称为主动式和被动式 调节阀，或有源式和无源式调节阀。就其应用而言，通常具有以下几个特点。 ( 1 ) 准确的恒温控制既能节约能量，叉能保证压缩机的正常运行( 对民用供 暖而言，叉能提高家居的舒适度) 。 ( 2 ) 蜡质感温元件( 传感器) 中的蜡质感温单元混合有余属锕末，返柑造 保证了温控阀自够稳定而且迅速地实现控制：即使泵的压头很大时，感温元4 # 依然 能够保持防水密封性能，温度设定出不受泵的压头的影响。 ( 3 ) 强力平衡弹簧能够确保阀体内的推杆不被卡住；推杆的密封采用经久耐 用的双层。型密封暖，确保可靠鲍舫水性能。 ( 4 ) 预设定功能通过对阀门的流通能力( k v 值) 的设定，泉控制换热器间的 流量分配，以使通过温控阉的冷、热流的流量相匹配；设定值隐藏在喇节器下，币 能随意更改 ( 5 ) 机械式混合型温控阀存在岫应延迟和加热冷却过程的迟滞魏应。在工 作时感温介质的温度落后于被测流体的温度。此外，感温介质时迟滞特性，使得 加热过程与冷却过程的阀门开度变化规律并不相同。 1 4 2 混合型温控阀的应用举例 3 7 4 8 1 自力式温控阀集测量、执行、控制功能于一体，广泛应用在空压机、换热设备、 空调及各种柴油机、润滑设备、燃气轮机、发电机组等设备的冷却系统捆、水等温 度的控制。在各种耦台器、温度报警开关、航天飞机温度调节等顿域的应用亦i _ 分 广泛。自力式温控阀( 吉混合型与分流型) 在各系统中的主要应用见图l1 所不。 冷却塔 ( a ) 6 ( bj 咄 p码j o 算凼一 水 一遥 冷量 一l 给 量 一 一翟 兰塑垄三查兰竺圭兰竺堕墨 笙二童堑堡 ( c ) ( e ) ( g ) 7 弱 ( d ) 风 冷 教 热 器 ( f ) ( h ) 兰州型工大学硕士学位论文 第章绪沦 ( i ) 图1 - 1 自力式温控阀( 含混合型与分流型) 的应用举例 8 兰型里三查兰堕土兰垡堡塞 兰三兰! 塑垡些塑壁塑塑塑笪堑壁堕兰l 第二章混合型蜡质温控阀的控制原理 本章在阅读了有关混合型温控阀及自动控制方面的文献的基础上，结合深入工 程现场的实地考察研究，分析了温控阀的工作原理及其控温原理，对感温元件在控 温过程中所起的作用进行了深入的探讨，并提出了感温元件在设计中需要注意的相 关问题。 2 1 混合型蜡质温控阀的结构及工作原理 根据构造和作用，自力式调节阀分为温度调节阀、压力调节阀、液面调节阀等。 混合型自力温控阀内件的结构原理示意图见图2 1 所示a ( a ) 阀、j 为未开启状态( b ) 阀门为全开启状态 i - - 感温包；2 一感温介质：3 一橡胶隔膜：4 一橡胶键：5 套筒；6 一阀杆；7 一固定盘 8 一调节筒；9 一预紧弹簧；1 0 一拉杆；1 1 一弹簧；1 2 一上压板 图2 - 1混合型自力温控阀内件的结构示意图 混合型温控阀的核心部件为蜡质感温元件，同时也是驱动元件。 驱动机构的调节筒的位移是感温( 驱动) 元件温度的函数。驱动元件即为图巾 所示的内填蜡与铜末混合物的感温包，其中的铜味主要起导热作用，可使感温包内 外的热量快速传递及均匀分布。根据感温包位置区分，混合型温控阀有感温包内置 和感温包外置( 远程式) 两种形式，温度设定也有内置和远程式两种形式。内置式 感温包的温度设定值隐藏在调节器f ，不能随意更改；而远程式的可以按照其窗口 显示来设定所要求的控制温度，并加以自动控制。本研究的感温包为内置式。感温 包内充有感温介质，能够感应环境温度，并随感应温度的变化产生体积变化，带动 调节阀阀芯( 调节筒) 产生位移，进而调节流入温控阀的冷、热流体的流量。当环 境温度升高时，感温介质吸热膨胀，关小热流体入阀的阀门开度，减少了流八温控 阀的热流体流量。当环境温度降低时，感温介质放热收缩，阀芯被弹簧推回而使热 流体入阀阀门开度变大，与冷流体混合并控制出口阀门的流体温度。感温介质( 感 温蜡) 与橡胶键之问设有一层橡胶隔膜，起隔离作用。 9 兰! ! ! 型三查堂堡! ：兰垡堡兰 笙兰兰堡鱼型堕堕塑堡塑堕丝塑鉴型一 图2 2 为自力式混合型温控阀的外观图，图2 3 为自力式混合型( 三通) 温控阀 的剖而图。 图2 - 2 混合型湍控阀 1 上阀体；2 - 一下阀体；3 一感温包 4 调节筒；5 一阀座 图2 - 3 混合型温控阀的剖面酗 2 2 混合型温控阀的温度控制原理“9 5 们 混合型温控阀是种依靠被调节对象温度偏差而产生的作用力进行调节控制 的自动化装置。温控阀调节特征随感温包感受的温度信号( a t ) ，转换为执行器推 杆的位移输出( x ) ，从而使控制阀处于要求的开度。因此，执行器推杆的行程取 决于控制阀要求的开度。 从控制的角度来看，我们可以将离心式压缩机润滑油系统的温控阀视为一个闭 合控制环路( 反馈控制系统) ，见图2 - 4 。 世定值( 温度设定) 调节器 ( 温包) 执行器 ( 阔体) 传感器 ( 温包) 干扰量( 热量) 被调对象 ( 出口润滑油) 被调量( 山口 润滑油温度j 图2 - 4 混合型濡挖阀控制原理 l o 兰州理工大学硕士学位论文 鹕二宣混合型蜡质温控阀的控制原理 在这样一个控制环路中，被调对象是出口( 混合) 润滑油和换热器；输出信号 是被调量( 出口润滑油温度) ；扰动量是温控阀内外传递或发生的热量；执行器是 能影响过程或对象的装置或设备，即温控阀的调节筒；调节器就是感温包，能够输 出命令改变执行器的动作。 外界影响因素( 出口润滑油温度) 的变化，带动感温包内感温蜡的体积比例地 变化，阀门阻力和流量比例地变化，换热器散热量比例地变化，最终控制出口润滑 油温度变化。因此，混合型温控阀可看作是一个比例调节控制装鼍，即出口润滑油 温度与设定温度之间的差值比例地调节开度( 润滑油量) ，最终使润滑油流量与其 出口温度达到相对稳定。比例调节规律就是调节器的输出与输入成比例关系，只要 调节器有偏差输入，引起输出立即按比例变化，因此调节作用及时迅速，调节作用 是按照偏差的存在为前提条件的，所以当被调量受干扰影响而偏离设定值后，被调 量不可能再恢复到设定值，即存在残余偏差或称静差，这是比例调节的显著特点。 因此，温控阀本身应具有良好的调节特性，即温度变化信号与阀门开度的关系， 以及阀门开度与流量之间的关系应具有较理想的比例线性关系，最终做到流量可以 根据出口流体温度的变化被连续地线性调解。 在实际应用中，调节阀的比例作用强弱通常用比例带( 比例度) 来表示，它不 但能表示比例作用的强弱，而且能表示作用存在的范围，超出这个比例带以外，调 节阀处于等效全开全关状态。 温控阀可以设定不同的流通能力，相对于某一特定流通能力设定值时，温控阀 的全行程中的线性区域为有效区域，在这个区域中阀门开度和流量呈近似比例关 系。这区域中调节阀体的行程为有效行程，称之为名义行程，与阀门的全行程相区 别。名义行程所对应的温度变化差值称之为温控阀的比例带，通常比例带为0 5 2 0 。c ，阀门设定流通能力( k v 。、值) 最大时比例带也为最高值。当实际温度偏差 超出比例带值时，虽然阀门继续开大，但流量基本不变，没有了调节作用。 比例带越窄，控制的精确度越高，出口润滑油温度的变化幅度越小：但若比例 带太小时，控制上不容易实现较好的稳定性，尤其在低负荷运行时，容易形成阀门 频繁开合的振荡。与此相反，比例带越宽，控制的稳定性越高，不容易形成振荡， 但这会降低控制的精度，导致出1 3 润滑油温度的波动幅度较大，使控制的精度下降。 比例带的设计选定不是一个孤立的过程，不仅要考虑温控阀传感器( 感温包) 的时 间常数和控制阀本身的特性，还要综合考虑出口润滑油、换热器的时间常数及上述 构件所构成的控制回路的反馈滞后性，即出口润滑油温度发生变化( 扰动) 的时刻 与感温元件传热变化时刻的滞后性。只有各方面匹配好，才能最终实现温控阀比较 完善的比例控制。 2 3 感温元件分析 2 3 1 感温元件 2 3 1 2 蜡质感温元件的结构及分类巧l 5 2 1 感温元件是被调节系统的一个温度控制元件。它实际尺寸并不火，但对确保被 调节系统处于良好的_ _ = 作状态、良好的节能和安全运行具有重要作用。感温元件主 要是由感温包、感温介质、橡胶隔膜、橡胶键以及推杆等组成。 兰州理工大学硕士学位论文 第二：二章混合型蜡质温控阀的控制埭理 感温元件将所测温度信号转化为推杆的行程量，从控制原理来说，可以被称为 膨胀式温度传感器。感温介质为感温蜡时，感温元件可称为蜡质膨胀式温度传感器。 目前，国内外蜡质膨胀式温度传感器的品种较多，依据感温介质的密封原理，可分 为静密封和动密封两大类。 ( 1 ) 静密封 套管式 套管式蜡质感温元件是通过橡胶套管将感温蜡的体积变化转化成推杆的行程 变化，进而控制阀门的开度。这种感温元件体积较小、行程大，但其缺点为机械效 率低，还可能产生自锁。因而，这种类型的感温元件的使用寿命一般较短。不过只 要设计合理，上述缺点在很大程度上是可以克服的。由于该类感温元件具有小巧外 形和较大行程的特点，在应用中更为普遍。 套管式蜡质感温元件根据其密封面形式的不同还可分为锥面密封式和平 面密封式，分别见图2 5 ( a ) 、2 5 ( b ) 。 膜片式 膜片式蜡质感温元件是通过橡胶膜片将感温蜡的体积变化转化成推杆的行程 变化，进而控制阀门的开度。这种蜡质感温元件的机械效率高、生产动力大且使用 寿命长，其缺点为体积大，行程相对较小。 该类温度传感器又可分为基本膜片式、体化膜片式及改进膜片式，分 别见图2 6 ( a ) ( c ) 。 ( 2 ) 动密封 标准件动密封式，见图2 7 ( a ) 非标准件动密封式，见图2 7 ( b ) 图2 - 5 套管式感温元竹结构示意阁 1 2 ( b ) 兰州理工大学硕士学位论文 第二章混合型蜡质温控阀的控制原理 图2 - 6 膜片式感温元件结构示意图 幽2 7 动密封感温元件结构示意嘲 蜡质器件的承载能力较大，刚性好，在实现将将热能转化为机械能过程中，输 比功率较大这一点除目翦彤状记忆合金有可能超过外，使许多温度传感器所没有 的特性，亦即蜡质温度传感器具有较高的能量转换效率，它类似马达，该器件陶外 称之为热马达。较大功率的热马达功率可达3 0 0 w 。 2 3 1 2 感温元件的特性 感温元件温包内的感温介质( 感温蜡) 受热发生膨胀，因而使推杆发生位移。 感温介质受热温度t 与推杆位移x 的相互关系形成了感温元件的特性曲线，如图 2 8 所示。横坐标为感温元件的温控范围，纵坐标为推杆的行程x 。感温包中填充 1 3 兰卅l 理工大学硕士学位论文 第二章混合型蜡质温控阀的控制原理 不同的感温蜡，温控范围随之不同。一般情况下，温控上限与温控下限之差约定为 1 0 。 感温元件的特性曲线，可被认为有三部分组成 5 2 , 5 3 3 。 a b 段称为起始段，在这一段中，x a ” 的增值x 与t 的增t 苴a t 两者之比等 凸 较小，温度每升高l ，x 约为0 2 6 o 2 7m m 。 b c 段称为猛烈膨胀段，在这一段 中，竺之值较大，可为a b 段的三倍。 7 。 此段中，温度每升高1 ，x 约为0 ，7 2 o 8 0 衄，有时可达1i i i l 以上。 c d 段称为收尾段，在这段中， 垒! 较小，比在a b 段的还要小。温度每 l 升高1 ，x 约为0 0 8 o 1 0 册。随着 ，。 温度的升高，兰= 0 ，即t 值虽然增加， x 值不再增加了。 t 图2 - 8 感温元件的特性 温度变化时引起蜡质感温元件动作的唯一因素，流体介质的性质与压力一般不 影响感温元件的工作。 2 3 2 感温包 混合型温控阀中的感温包是直接插人被测介质之中来感受其温度的。感温包感 受的一定温度变化量，引起其内部感温介质一定体积的变化量，并传递到执行器， 转换为一定的输出，即产生了一定的调节量。 感温包一般是圆筒形薄壁容器，内充气体、液体、低沸点的饱和蒸汽或石蜡。 感温包和被测介质直接接触，利用感温包内工作介质的体积或压力随温度变化而变 化的物理性质而工作。因此要求感温包对被测量的温度有较快的反应速度，能抵抗 被测介质的侵蚀作用。此外，为了提高响应速度和灵敏度，除应选择优质的感温介 质外，还应采用导热系数高的紫铜、黄铜做为壳体材料，在控制具有腐蚀性的介质 的温度还可以用不锈钢或黄铜外表面镀镍来制造”2 。 感温包尺寸的选择应能使测量具有必要的精度。感温包的表面积和体积之比越 大，在强度允许的温度范围内的壁厚越小，以及感温包的材料的导热系数愈大就可 大大地减小感温包的热惯性，提高它对温度的反应速度1 5 3 1 。感温包的容积决定着感 温介质的灌注量。因此，其大小要根据所控制的温度变化范围和控制作用大小以及 所允许的误差柬加以计算。容积过大，液体灌注量过多，热响应时间增长，灵敏度 降低；而容积过小，灌注量少，保证不了定的输出量，起不到调节作用。 根据感温温包中所充灌的感温介质的不同常用的温包主要有以下三类。 ( 1 ) 蒸汽压力式 温包中有少量某种液体，当被测介质温度升高时，部分液 1 4 兰! ! 垦三尘：兰堡兰生堡塞 塑三皇堡鱼型些要堡垫旦塑堇堕蠼登! 一 体蒸发为蒸汽，推动调节筒关小阀门减少热流体的流量：当被测介n n 度降低，其 作用相反，部分蒸汽凝结为液体，调节筒被弹簧退回而使开度变大，增加热流体的 流量。这种感温包是根据低沸点液体的饱和蒸汽压力只和气液面温度有关这一原理 制成。充填的低温液体有氯甲烷、氯乙酮、丙酮、二乙醚及苯等。 蒸汽压力式感温包价格便宜，感温包尺寸和温包充填液体数量多少对精度无影 响，只须保证在测量温度上限时，温包内仍有残液。比较其他形式，蒸汽压