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1、 .中北大学课 程 设 计 说 明 书学生： 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年1月10日 课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 高强
2、陆辉山 系 主 任： 黄晋英 下达任务书日期: 2013年12月30日课 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与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；综合运用专业与基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（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设计容和要
3、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与系统的构成方式，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
4、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。3设计工作任务与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过程装备控制技术与其应用 王毅 主编化学工业2过程自动化与仪表 俞金寿主编化学工业3工业过程控制工程 王树青主编化学工业4控制仪表与装置 吴勤勤主编化学工业5过程控制仪表 徐春山主编冶金工业6过程装备成套技术设计指南工程 黄振仁主编化学工业7过程控制装置 永德主编化学工业8化工单元过程与设备课程设计
5、匡国柱主编化学工业9化工设备设计设计手册（上、下） 朱有庭主编化学工业10工业过程检测与控制 孟华主编化学工业5设计成果形式与要求：提供课程设计说明书一份，要求容与设计过程相符，且格式要符合规定要求；系统控制流程图一份；6工作计划与进度：2013年12月30日 -2014年1月2日 确定系统整体控制方案以与系统的构成方式，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
6、目 录一换热器工作原理与结构特点11.1换热器的简介与分类11.2换热器的控制方法1二控制方案的选择32.1传递函数的确定与被控对象的特性分析3 2.1.1 被控对象静态特性分析42.1.2 被控对象动态特性分析6三仪表的选型与参数的确定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各个环节传递函数与各个参数的确定14五课程设计总结18六主要参考文献19 / 一 换热器工作原理与结构特点1.1换热器的简介与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
7、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、瓷、玻璃等非金属材料以与不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制
8、成。但是用石墨、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111.2 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
9、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容，因此有下列关系 （1-19）整理后得（1-20）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 一定的情况下，影响冷流体出口温度的因素主要为传热系数与平均温差。控制载流体流量实质上是改变。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是通过改变来控制工艺介质的出口温度的。改变
10、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，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，可采用此控制方案。它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
11、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。所以反应与时，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方程来看，使传热系数和传热平均温差基本保持不变，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
12、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 传递函数的确定与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，而分别为热流体和冷流体的比热容。3自动控制原理传递函数部分2.1.1被控对象静态特性分析对象的静态特性就是要确定之间
13、的函数关系。静态特性的求得，可以作为控制方案设计时系统的扰动分析。静态放大系数也能作为系统整定分析，以与控制阀流量特性选择的依据。静态特性推导的两个基本方程式一热量平衡关系式与传热速率方程式为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，则热流体失去的热量应该等于冷流体吸收的热量，为 （1-1）式中，为传热速率(单位时间传递的热量)；为质量流量；为比热容；为温度。式中的下标处 1 为载热体；2 为冷流体；为入口；为出口。另外，传热过程中的为 （1-2）式中，为传热系数；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 （1-3）在，其误差在5%以，可采用算数平均值来代替。算术平均值为： （1-4）对上述公式进行整理后得到：（1-5）上式为逆流、单程列管式换热器静态特性的基本表达式。其中各通道的静态放大倍数均可由此式推出：(l)热流体入口温度对出口温度的影响，即通道的静态放大倍数。对上式进行增量化，令，则可得:（1-6）由式可求得通道的静态放大倍数为:（1-7
