传热设备的控制培训教案

1、2021-12-1212021-12-121过程控制 青海大学传热设备的控制传热设备的控制2021-12-1222021-12-122过程控制 青海大学工业生产过程中工业生产过程中 , 用于进行热量交换的设备用于进行热量交换的设备称为传热设备。称为传热设备。传热过程中冷热流体进行热量交换时可以发传热过程中冷热流体进行热量交换时可以发生相变化或不发生相变。生相变化或不发生相变。热量的传递可以是热传导、热辐射或热对流热量的传递可以是热传导、热辐射或热对流实际传热过程中通常是几种热量传递方式同实际传热过程中通常是几种热量传递方式同时发生。时发生。根据传热过程中热交换的两种流体是否接触根据传热过程中热

2、交换的两种流体是否接触, 可分为直接接触式、间壁式和蓄热式等三种可分为直接接触式、间壁式和蓄热式等三种概述概述2021-12-1232021-12-123过程控制 青海大学F使工艺介质达到规定的温度，以使化学反使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程能很好进行。应或其他工艺过程能很好进行。 F在过程中加入所需吸收的热量或除去放出在过程中加入所需吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的范围内进行的热量，使工艺过程能在规定的范围内进行F使工艺介质改变相态。使工艺介质改变相态。 F回收热能。回收热能。 传热设备的控制目标传热设备的控制目标概述概述2021-12-1242021-1

3、2-124过程控制 青海大学概述概述传热设备简况传热设备简况2021-12-1252021-12-125过程控制 青海大学传热设备的特性传热设备的特性研究静态特性的目的：研究静态特性的目的：过程扰动分析：作为控制阀选型和控过程扰动分析：作为控制阀选型和控制方案设计的基础制方案设计的基础计算放大系数：作为系统分析和控制计算放大系数：作为系统分析和控制器参数整定的参考器参数整定的参考分析对象特性：作为控制阀特性选择分析对象特性：作为控制阀特性选择的依据的依据2021-12-1262021-12-126过程控制 青海大学传热设备的特性传热设备的特性F传热设备工艺计算的基本方程式（一）传热设备工艺计算

4、的基本方程式（一）F热量衡算式热量衡算式：热流体放出热量：热流体放出热量= =冷流体冷流体吸收热量吸收热量+ +热损失热损失F F发生相变时：冷凝（汽相发生相变时：冷凝（汽相液相）或汽液相）或汽化（液相化（液相汽相）汽相）F相变时流体的温度不变相变时流体的温度不变 传热速率传热速率 Gq F冷热流体均有相变冷热流体均有相变：2211 GG F仅有一种流体相变仅有一种流体相变： iTTcGG2202211 2021-12-1272021-12-127过程控制 青海大学传热设备的特性传热设备的特性F传热设备工艺计算的基本方程式（一）传热设备工艺计算的基本方程式（一）F热量衡算式热量衡算式：热流体放

5、出热量：热流体放出热量= =冷流体冷流体吸收热量吸收热量+ +热损失热损失F F不发生相变不发生相变 传热速率传热速率F冷热流体均不发生相变冷热流体均不发生相变 i0TTGcq iTTcGTTcG2202210i111 2021-12-1282021-12-128过程控制 青海大学传热设备的特性传热设备的特性F传热设备工艺计算的基本方程式（二）传热设备工艺计算的基本方程式（二）F传热速率方程传热速率方程F对数平均值对数平均值mmTKFqoiiooiiomTTTTTTTTT12121212ln)()(2)()(1212oiiomTTTTTF算术平均值算术平均值2021-12-1292021-12

6、-129过程控制 青海大学G1, T1o, c1G2, T2i , c2G1, T1i , c1G2, T2o , c2工艺介质载热体问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口条件（知入口条件（G G1 1, , T T1i1i, , G G2 2, , T T2i2i）, ,要求计要求计算稳定条件下工艺介质的出口温度算稳定条件下工艺介质的出口温度T T1o1o。其中其中c c1 1, , c c2 2分别为相应介质的比热。分别为相应介质的比热。换热器静态特性换热器静态特性2021-12-12102021-12-1210过程控制 青海大学假设工艺介质与载热体

7、均无相变，而且没有热损失。假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即被加热物料得到的热量即被加热物料得到的热量/ /单位时间单位时间 = = 载热体放出的热量载热体放出的热量/ /单位时间单位时间)(11111ioTTGcq)(22222ioTTGcq21qqG1, T1o, c1G2, T2i , c2G1, T1i , c1G2, T2o , c2工艺介质载热体热交换过程的热量平衡方程热交换过程的热量平衡方程2021-12-12112021-12-1211过程控制 青海大学mmTKFqK K 为传热系数；为传热系数；F Fm m 为传热面积；为传热面积；T Tm m 为传热壁两侧流体

8、的平均温差为传热壁两侧流体的平均温差. .对于逆流单程换热器，对于逆流单程换热器，可取对数平均值可取对数平均值oiiooiiomTTTTTTTTT12121212ln)()(oiioTTTT1212若在在1/3 -3 1/3 -3 之间，则可用算术平均近似之间，则可用算术平均近似2)()(1212oiiomTTTTT热交换过程的传热速率方程热交换过程的传热速率方程2021-12-12122021-12-1212过程控制 青海大学)(2)()(11111212iooiiomTTGcTTTTKFq)()(222211111oiioTTGcTTGcq)(121)()(112211121111ioii

9、iomTTGcGcTTTTKFGc22111112111211GcGcKFGcTTTTmiiioG1, T1o, c1G2, T2i , c2G1, T1i , c1G2, T2o , c2工艺介质载热体换热器静态特性方程换热器静态特性方程2021-12-12132021-12-1213过程控制 青海大学F影响冷流体出口温度的扰动有影响冷流体出口温度的扰动有 冷流体流量冷流体流量G1G1、冷流体入口温度、冷流体入口温度T T1i1i、 冷流体平均比热容冷流体平均比热容c c1 1、载热体的平均比热容、载热体的平均比热容c c2 2 载热体流量载热体流量G G2 2、载热体入口温度、载热体入口温

10、度T T2o2o、 换热器的传热总系数换热器的传热总系数K K和平均传热面积和平均传热面积FmFm等。等。换热器的控制分析换热器的控制分析2021-12-12142021-12-1214过程控制 青海大学F当冷流体、载热体确定，换热器设备确定后，当冷流体、载热体确定，换热器设备确定后，冷流体平均比热容冷流体平均比热容c c1 1、载热体的平均比热容、载热体的平均比热容c c2 2、换热器的传热总系数换热器的传热总系数K K和平均传热面积和平均传热面积FmFm等确定等确定F操纵变量操纵变量是载热体流量是载热体流量G G2 2，F主要扰动变量主要扰动变量是冷流体热量是冷流体热量G G1 1、冷流体

11、入、冷流体入口温度口温度T T1i1i和载热体入口温度和载热体入口温度T T2o2o。换热器的控制分析换热器的控制分析2021-12-12152021-12-1215过程控制 青海大学（扰动通道一）（扰动通道一）F冷流体流量到出口温度通道的增益冷流体流量到出口温度通道的增益K1K1iiioTTTTy1211mKFcGx111110GT 该通道的静态放大系数该通道的静态放大系数K1K10,0,输入输出间呈非输入输出间呈非线性关系。表明：冷流体流量增加，冷流体出线性关系。表明：冷流体流量增加，冷流体出口温度降低（斜率为负）且随冷流体流量增大口温度降低（斜率为负）且随冷流体流量增大，冷流体出口温度降

12、低量减小，冷流体出口温度降低量减小换热器的静态放大系数换热器的静态放大系数2021-12-12162021-12-1216过程控制 青海大学F冷流体入口温度到出口温度通道的增益冷流体入口温度到出口温度通道的增益K2K2i 110TT 该通道的静态放大系数该通道的静态放大系数K2K21,1,输入输出间呈输入输出间呈线性关系。表明：冷流体出口温度变化量小线性关系。表明：冷流体出口温度变化量小于冷流体入口温度的变化量于冷流体入口温度的变化量（扰动通道二）（扰动通道二）换热器的静态放大系数换热器的静态放大系数2021-12-12172021-12-1217过程控制 青海大学F载热体流量到出口温度通道的

13、增益载热体流量到出口温度通道的增益K4K4210GT 该通道的静态放大系数该通道的静态放大系数K40,K40,输入输出间呈非线输入输出间呈非线性关系。表明：性关系。表明： 载热体流量增加，冷流体出口载热体流量增加，冷流体出口温度升高（斜率为正）但随载热体流量增大，温度升高（斜率为正）但随载热体流量增大，冷流体出口温度趋于饱和冷流体出口温度趋于饱和iiioTTTTy1211mKFcGx222（控制通道）（控制通道）换热器的静态放大系数换热器的静态放大系数2021-12-12182021-12-1218过程控制 青海大学F变量分析：变量分析：F被扰变量：冷流体出口温度被扰变量：冷流体出口温度F操作

14、变量：载热体热量操作变量：载热体热量F扰动变量：冷流体入口温度、流量及载扰动变量：冷流体入口温度、流量及载热体入口温度热体入口温度F系统特性分析：非线性特性，饱和特性系统特性分析：非线性特性，饱和特性控制方案的确定控制方案的确定2021-12-12192021-12-1219过程控制 青海大学F选择原则：使系统总的开环放大系数保选择原则：使系统总的开环放大系数保持恒定持恒定F定值控制系统：定值控制系统：u假设扰动是冷流体或载热体的入口温度，负荷线假设扰动是冷流体或载热体的入口温度，负荷线移动移动u根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀u假设扰动是冷流体

15、的流量，负荷线变化假设扰动是冷流体的流量，负荷线变化u根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀F随动控制系统：随动控制系统：u负荷线不变，设定值变化负荷线不变，设定值变化u根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀综上分析，应选对数或抛物线特性的控制阀综上分析，应选对数或抛物线特性的控制阀控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择2021-12-12202021-12-1220过程控制 青海大学F被控变量被控变量(1) (1) 被加热被加热/ /冷却介质的出口温度（无相变）；冷却介质的出口温度（无相变）；(2) (2)

16、 加热加热/ /冷却所需的热量（有相变），如精馏塔冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再沸器的蒸发量。底再沸器的蒸发量。F控制变量控制变量(1) (1) 调载热体的流量；调载热体的流量； (2) (2) 调节传热平均温差；调节传热平均温差；(3) (3) 调传热面积；调传热面积；(4) (4) 将工艺介质分路，一路经将工艺介质分路，一路经换热，另一路走旁路。换热，另一路走旁路。换热器的控制问题换热器的控制问题2021-12-12212021-12-1221过程控制 青海大学凝液蒸汽TCTCLC氨气液氨改变传热系数改变传热系数K K 和和平均温差平均温差T Tm m 改变平均温差改变平均温差T

17、Tm m 换热器的控制方案换热器的控制方案2021-12-12222021-12-1222过程控制 青海大学TC蒸汽凝液TC载热体工艺介质改变传热面积Fm 换热器的控制方案换热器的控制方案2021-12-12232021-12-1223过程控制 青海大学F被控变量：工艺介质的出口温度。被控变量：工艺介质的出口温度。F控制变量：燃料油或燃料气的流量。控制变量：燃料油或燃料气的流量。F主要干扰：主要干扰：工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/ /燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的燃料

18、油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。阻力，炉膛压力等。加热炉的控制问题加热炉的控制问题2021-12-12242021-12-1224过程控制 青海大学FCTCPCPC回油燃料油雾化蒸汽工艺介质加热炉的单回路控制加热炉的单回路控制2021-12-12252021-12-1225过程控制 青海大学TCTC燃料油进料出料FCTC进料出料燃料油出口温度对炉膛温度的出口温度对炉膛温度的串级控制串级控制出口温度对燃料油流出口温度对燃料油流量的串级控制量的串级控制加热炉的串级控制（一）加热炉的串级控制（一）2021-12-12262021-12-1226过程控制 青海大学TC进料出料燃料油PCTC进料出料燃料油出口温度对燃料油压力出口温度对燃料油压力的串级控制的串级控制采用浮动阀的控制方采用浮动阀的控制方案案加热炉的串级控制（二）