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【摘 要】随着自动控制理论的高速发展，自动装置在各领域的运用也日益广泛。生产过程自动化的程度已经成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。笔者对控制系统在换热器种的应用做了一些探讨，运用示意图和方块图的形式表达了自动控制系统在换热器中的使用，希望可以为换热器在自动控制方面的研究提供借鉴。
【关键词】换热器;控制系统;自动化;设备
1. 引言
换热器是一种能量互相利用且能保证尽量充分利用的设备，物料之间的能量传递即是通过换热设备完成的。它在化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他工业部门被广泛使用[1，2]。正是由于这种高需求、高要求，换热器的研发设计生产都面临很大的挑战。近些年来，各国对换热器的研究都取得了很大进展。在大型化的同时也提高了产品的换热效率，更加体现节能减排。世界大型管壳式换热器直径已经突破5米，出现了换热面积超过10000平方米的超大型管壳式换热器;在产品类型上，为提高换热器传热效率，各种新型换热器产品层出不穷。螺旋折流板换热器、双纹管换热器、丝状花内插物换热器、变形翅片管换热器、喷涂翅片管冷却器、非钎焊金属丝缠绕翅片管换热器、螺旋绕管式换热器、带扭带插入物的湍流增强式换热器、麻花扁管换热器、提箱式全焊板式换热器、防振结构换热器等新产品不断推向市场。目前，大型可拆式板壳式换热器、新型节能焊接板式换热器、系统集成应用换热机组、强化传热管式换热器、板式蒸发器等产品日益成为市场的主流[3，4，5]。在材料应用上，未来随着原材料价格的变动，更经济、更耐腐蚀的新型材料制成的换热器产品将日益增长。超级奥氏体不锈钢已在国外获得大量使用，钛合金、镍合金、铜合金、石墨等可适应更苛刻工作环境和要求的新材料制成的换热器产品日益增长[6]。同时，在板式换热器领域，使用板片的材料越来越薄，向更节省材料、更经济、更低成本的方向发展。然而，换热器的换热过程都是在一定的温度、压力、浓度等工艺条件下进行的。为此，如果我们通过自动控制对这些工艺变量进行控制，就可以大大提高其安全性、经济性和稳定性[7，8]。
2. 节阀参数计算
已知流体介质为氟利昂，在最大流量条件下的计算数据为：qm=6000 kg/h，ρs=43.5kg/m3，k=1.14，P1=0.8MPa，P2=0.38MPa， D1=D2=80mm，其中qm为阀门流体流量，ρs 为流体密度，k为压缩流体的绝热指数，P1 和P2分别为阀门两端的压力， D1和D2为接管直径。选用流开型的直通单座阀。
2.1判别是否阻塞流
FK=k/1.4=1.14/1.4=0.814
其中，FK为比热容比系数，k为比热容比系数。
XT（临界压差）值查表可得XT =0.72，则压差比X可计算为：
（1）
则：
（2）
说明处于非阻塞流状态。
2.2流量系数Cmax的计算
对于蒸汽，满足如下条件：
（3）
其中qms为每小时流经调节阀的流量数。
，则
（4）
初选用C100=32，Dg=80，dg=80，其中： C为流量系数，Dg为公称直径，dg为阀座直径，
2.3管件形状修正判别
根据D=D1=D2=80mm
（5）
可不必做此项修正
故选用 C100=32，Dg=80，dg=80的直通单座阀
3. 控制回路设计
前馈控制又称扰动补偿，其基本概念是测量进入过程的干扰，并按其信号产生合适的控制操作去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。
如图1所示，当入口流量发生变化时，立即对调节阀进行操作，甚至可以在出口温度还没有变化前就及时将流量的扰动补偿了[9]。这个自动装置就称为前馈控制器或扰动补偿器。前馈控制系统可以用如图2的方框图表示。
从图2可以看出，扰动作用到输出被控变量Y之间存在着两个传递通道：一个是f从对象扰动通道G1去影响被控变量Y;另一个是从f出发经过测量装置和补偿器产生调节作用，经过对象调节通道G2去影响被控变量Y，调节作用和扰动作用对被控变量的影响是相反的。这样，在一定条件下，就有可能使补偿通道的作用很好地抵消扰动f对被控变量的影响，使得被控变量Y不依赖于扰动f。这里首先要求测量装置要十分精确地测出扰动f，还要求对被控对象特性有充分的了解，以及这个补偿装置的调节规律是可以实现的。在满足了这些条件之后，才有可能完全抵消扰动f对Y的影响[10-13] 。
图1换热器前馈控制示意图
图2 前馈控制方块图
在理论上，前馈控制可以实现被控变量的不變性，但在工程实际中由于扰动数目较多，前馈控制精度有限，仪表实现前馈控制时作了近似处理等，导致前馈系统依然会存在误差。为了提高前馈控制的精度，还可以增添一个蒸汽流量的闭合回路，使前馈控制器的输出改变这个流量回路的设定值[15]。这样构成的系统称为前馈—串级控制系统，其方块图如图3所示。
图3 换热器前馈—串级控制系统方块图
4.结论
通过对换热器设备使用自动控制系统，用测量仪表、控制仪表、自动调节阀分别代替了人工控制中的观察、思考、和手动操作，实现了对换热器操作的自动控制，提高了产品的质量，降低了能耗和生产成本，改善了劳动条件，减轻了劳动强度并且增加了换热器使用的安全系数。
参考文献：
[1]冯国红， 曹艳芝， 郝红.管壳式换热器的研究进展[J]. 化工技术与开发，2009， 38（6）： 41-44.
[2]刘明言， 林瑞泰， 李修伦. 管壳式换热器工艺设计的新挑战[J]. 化学工程， 2011， 33（1）：17-19.
[3]解小銮.管壳式换热器设计的几个问题[J]. 石油和化工设备， 2008， 14（5）： 22-24.
[4]董其伍，刘敏珊， 苏立建. 管壳式换热器研究进展[J]. 化工设备与管道，2006，43（6）： 18-22.
[5]宿徽， 赵渤亭. 管壳式换热器设计的几个问题及解决[J]. 石油和化工设备， 2009， 10： 23-24.
[6]黄蕾， 黄庆军. 世界换热器产业发展现状综述[J]. 石油和化工设备， 2001，3： 6-10.
[7]R. Mukherjee. Broaden your heat exchanger design skills[J]. Chemical Engineering Progress， 2005， 40（3）： 253-261.
[8]姜立清. 板式换热器结垢的原因分析、清洗及保护方法[J]. 黑龙江科技信息， 2008， 4： 15.
[9]黄庆军， 任俊超， 苏是， 黄蕾. 中国换热器产业现状及发展趋势[J]. 石油与化工设备， 2010，1： 51-56.
[10]董其伍， 刘敏珊， 苏立建. 壳式换热器研究进展[J]. 内蒙古石油化工， 2011， 43（6）： 80-83.
[11]王凝岚， 袁笳丽， 芦柯京. 换热器集流室接口位置对其流动阻力的影响[J].车辆与动力技术， 2012， 3： 1-5.
[12]王锦标. 计算机控制系统[M]. 北京： 清华大学出版社， 2004.
[13]王毅，张早校. 过程装备控制技术及应用[M]. 北京： 化学工业出版社， 2012.
【关键词】换热器;控制系统;自动化;设备
1. 引言
换热器是一种能量互相利用且能保证尽量充分利用的设备，物料之间的能量传递即是通过换热设备完成的。它在化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他工业部门被广泛使用[1，2]。正是由于这种高需求、高要求，换热器的研发设计生产都面临很大的挑战。近些年来，各国对换热器的研究都取得了很大进展。在大型化的同时也提高了产品的换热效率，更加体现节能减排。世界大型管壳式换热器直径已经突破5米，出现了换热面积超过10000平方米的超大型管壳式换热器;在产品类型上，为提高换热器传热效率，各种新型换热器产品层出不穷。螺旋折流板换热器、双纹管换热器、丝状花内插物换热器、变形翅片管换热器、喷涂翅片管冷却器、非钎焊金属丝缠绕翅片管换热器、螺旋绕管式换热器、带扭带插入物的湍流增强式换热器、麻花扁管换热器、提箱式全焊板式换热器、防振结构换热器等新产品不断推向市场。目前，大型可拆式板壳式换热器、新型节能焊接板式换热器、系统集成应用换热机组、强化传热管式换热器、板式蒸发器等产品日益成为市场的主流[3，4，5]。在材料应用上，未来随着原材料价格的变动，更经济、更耐腐蚀的新型材料制成的换热器产品将日益增长。超级奥氏体不锈钢已在国外获得大量使用，钛合金、镍合金、铜合金、石墨等可适应更苛刻工作环境和要求的新材料制成的换热器产品日益增长[6]。同时，在板式换热器领域，使用板片的材料越来越薄，向更节省材料、更经济、更低成本的方向发展。然而，换热器的换热过程都是在一定的温度、压力、浓度等工艺条件下进行的。为此，如果我们通过自动控制对这些工艺变量进行控制，就可以大大提高其安全性、经济性和稳定性[7，8]。
2. 节阀参数计算
已知流体介质为氟利昂，在最大流量条件下的计算数据为：qm=6000 kg/h，ρs=43.5kg/m3，k=1.14，P1=0.8MPa，P2=0.38MPa， D1=D2=80mm，其中qm为阀门流体流量，ρs 为流体密度，k为压缩流体的绝热指数，P1 和P2分别为阀门两端的压力， D1和D2为接管直径。选用流开型的直通单座阀。
2.1判别是否阻塞流
FK=k/1.4=1.14/1.4=0.814
其中，FK为比热容比系数，k为比热容比系数。
XT（临界压差）值查表可得XT =0.72，则压差比X可计算为：
（1）
则：
（2）
说明处于非阻塞流状态。
2.2流量系数Cmax的计算
对于蒸汽，满足如下条件：
（3）
其中qms为每小时流经调节阀的流量数。
，则
（4）
初选用C100=32，Dg=80，dg=80，其中： C为流量系数，Dg为公称直径，dg为阀座直径，
2.3管件形状修正判别
根据D=D1=D2=80mm
（5）
可不必做此项修正
故选用 C100=32，Dg=80，dg=80的直通单座阀
3. 控制回路设计
前馈控制又称扰动补偿，其基本概念是测量进入过程的干扰，并按其信号产生合适的控制操作去改变操纵变量，使被控变量维持在设定值上。
如图1所示，当入口流量发生变化时，立即对调节阀进行操作，甚至可以在出口温度还没有变化前就及时将流量的扰动补偿了[9]。这个自动装置就称为前馈控制器或扰动补偿器。前馈控制系统可以用如图2的方框图表示。
从图2可以看出，扰动作用到输出被控变量Y之间存在着两个传递通道：一个是f从对象扰动通道G1去影响被控变量Y;另一个是从f出发经过测量装置和补偿器产生调节作用，经过对象调节通道G2去影响被控变量Y，调节作用和扰动作用对被控变量的影响是相反的。这样，在一定条件下，就有可能使补偿通道的作用很好地抵消扰动f对被控变量的影响，使得被控变量Y不依赖于扰动f。这里首先要求测量装置要十分精确地测出扰动f，还要求对被控对象特性有充分的了解，以及这个补偿装置的调节规律是可以实现的。在满足了这些条件之后，才有可能完全抵消扰动f对Y的影响[10-13] 。
图1换热器前馈控制示意图
图2 前馈控制方块图
在理论上，前馈控制可以实现被控变量的不變性，但在工程实际中由于扰动数目较多，前馈控制精度有限，仪表实现前馈控制时作了近似处理等，导致前馈系统依然会存在误差。为了提高前馈控制的精度，还可以增添一个蒸汽流量的闭合回路，使前馈控制器的输出改变这个流量回路的设定值[15]。这样构成的系统称为前馈—串级控制系统，其方块图如图3所示。
图3 换热器前馈—串级控制系统方块图
4.结论
通过对换热器设备使用自动控制系统，用测量仪表、控制仪表、自动调节阀分别代替了人工控制中的观察、思考、和手动操作，实现了对换热器操作的自动控制，提高了产品的质量，降低了能耗和生产成本，改善了劳动条件，减轻了劳动强度并且增加了换热器使用的安全系数。
参考文献：
[1]冯国红， 曹艳芝， 郝红.管壳式换热器的研究进展[J]. 化工技术与开发，2009， 38（6）： 41-44.
[2]刘明言， 林瑞泰， 李修伦. 管壳式换热器工艺设计的新挑战[J]. 化学工程， 2011， 33（1）：17-19.
[3]解小銮.管壳式换热器设计的几个问题[J]. 石油和化工设备， 2008， 14（5）： 22-24.
[4]董其伍，刘敏珊， 苏立建. 管壳式换热器研究进展[J]. 化工设备与管道，2006，43（6）： 18-22.
[5]宿徽， 赵渤亭. 管壳式换热器设计的几个问题及解决[J]. 石油和化工设备， 2009， 10： 23-24.
[6]黄蕾， 黄庆军. 世界换热器产业发展现状综述[J]. 石油和化工设备， 2001，3： 6-10.
[7]R. Mukherjee. Broaden your heat exchanger design skills[J]. Chemical Engineering Progress， 2005， 40（3）： 253-261.
[8]姜立清. 板式换热器结垢的原因分析、清洗及保护方法[J]. 黑龙江科技信息， 2008， 4： 15.
[9]黄庆军， 任俊超， 苏是， 黄蕾. 中国换热器产业现状及发展趋势[J]. 石油与化工设备， 2010，1： 51-56.
[10]董其伍， 刘敏珊， 苏立建. 壳式换热器研究进展[J]. 内蒙古石油化工， 2011， 43（6）： 80-83.
[11]王凝岚， 袁笳丽， 芦柯京. 换热器集流室接口位置对其流动阻力的影响[J].车辆与动力技术， 2012， 3： 1-5.
[12]王锦标. 计算机控制系统[M]. 北京： 清华大学出版社， 2004.
[13]王毅，张早校. 过程装备控制技术及应用[M]. 北京： 化学工业出版社， 2012.