传热设备的控制

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4.2 传热设备的控制方案
4.2.1 绪 论
传热过程在工业生产中应用极为广泛，有的是为了便于工艺介质达到生产工艺所规定的
温度，以利于生产过程的顺利进行，有的则是为了避免生产过程中能量的浪费。在实现传热
过程的各种设备中，蒸汽加热的浪费最多。目前，蒸汽加热换热器的控制仍采用传统的
PID 控制，以加热蒸汽的流量作为调节手段，以被加热工艺介质的出口温度作为被控量构
成控制系统[1]。
工业生产过程中，由于热量交换的设备称为传热设备。传热过程中冷热流体进行热量
交换时可以发生相变或不发生相变。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时发生。传热设备简况见表 2-1。
表 2-1 传热设备
传热设备的特性应包括传热设备的静态特性和传热设备的动态特性。静态特性设备输入
和输出变量之间的关系；动态特性是动态变化过程中输入和输出之间的关系。下面以换热器
为例简单介绍一下传热设备的基本原理。
4.2.2 换热器简介
（1） 换热器静态特性的基本方程式
① 热量衡算式
图 2-1 所示为换热器的基本原理。
图 4。2-1 换热器的基本原理
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由于换热器两侧没有发生相变，因此，可列出热量衡算式
G2c2(θ2i-θ2o)=G1c1(θ1o-θ1i) (2-1)
式中，下标 1 表示冷流体参数，2 表示在热流体参数。
②传热速率方程式
换热器的传热速率方程式为 q=UAmΔθm (2-2)
式中，Δθm 是平均温度差，对单程、逆流换热器，应采用对数平均式，表示为
(2-3)
但在大多数情况下，采用算术平均值已有足够精度，其误差小于 5%。算术平均温度差
表示为
(2-4)
③换热器静态特性的基本方程式
根据热量平衡关系，将式(2-4)代入式(2-2)，并与式(2-1)联立求解，得到换热器静态
特性的基本方程式
(2-5)
假设换热器的被控变量是冷流体的出口温度 θ1o，操纵变量是载热体的流量 G2，则式(2-
5)可改写为
(2-6)
（2） 换热器传热过程的动态特性
　 在工业生产中，生产负荷常常是在一定范围内不断变化的，由此决定了传热设备的运
行工况必须不断调节以与生产负荷变化相适应。以逆流、单程、列管式换热器为例，假定换
热过程中的热损失可忽略不计，则有控制通道的静特性：
(2-7)
T0，Ti ，TSi ——分别为工艺介质的出口、入口和加热蒸汽的温度
WS ，W ——分别为加热蒸汽和工艺介质的流率
CPS ，C ——分别为加热蒸汽和工艺介质的定压比热容