強(qiáng)明輝 韓春春 張彥龍

(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院,蘭州 730050)

換熱器又稱熱交換器，是使熱量從熱流體傳遞給冷流體的節(jié)能設(shè)備，使流體溫度達(dá)到流程規(guī)定指標(biāo)，滿足過程工藝條件的需要。目前，換熱器廣泛應(yīng)用于化工、石油、電子及暖通等工業(yè)領(lǐng)域，其中又以間壁式換熱器中的板式換熱器應(yīng)用最為廣泛[1]。

換熱器的傳熱性能和流體阻力性能是衡量其整體性能的主要指標(biāo)，為了檢驗(yàn)換熱器的傳熱品質(zhì)，需要借助熱工性能測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)[2]，即建立一個(gè)滿足換熱器設(shè)計(jì)工況的溫度和流量條件，測(cè)試在此工況條件下?lián)Q熱器的傳熱和流動(dòng)阻力性能[2]。

現(xiàn)有的換熱器性能試驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試手段和控制方法相對(duì)落后，存在測(cè)試精度低、成本高及時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，因此研制一套自動(dòng)化程度高、測(cè)量準(zhǔn)確、適用范圍廣的換熱器性能試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)具有十分重要的意義。

換熱器的性能測(cè)試在其研發(fā)制造、產(chǎn)品試驗(yàn)和科研教學(xué)中都是必不可少的。根據(jù)熱平衡原理，即在熱流體放出的熱量與冷流體獲得的熱量基本相等或相對(duì)誤差在一定范圍內(nèi)的情況下，實(shí)時(shí)測(cè)量與換熱器性能有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如溫度、流量及壓力等，利用計(jì)算機(jī)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，計(jì)算總傳熱系數(shù)和流動(dòng)阻力，判斷換熱器的性能[3]。

換熱器試驗(yàn)過程的測(cè)試數(shù)據(jù)分為可直接讀取數(shù)據(jù)和計(jì)算所得數(shù)據(jù)。通過計(jì)算所得的數(shù)據(jù)有冷熱流體流速、冷熱流體換熱量、對(duì)數(shù)平均溫差、熱平衡誤差和傳熱系數(shù)[3]。

換熱器的傳熱基本方程為：

Q=KAΔtm

(1)

熱平衡方程為：

熱流體的放熱量Qh=qmhcph(th1-th2)

冷流體的吸熱量Qc=qmccpc(tc2-tc1)

理想情況下，即忽略熱損失時(shí)，有：

Qh=Qc=Q

(2)

但在實(shí)際應(yīng)用中，換熱器在使用一段時(shí)間后，其傳熱表面會(huì)積存污垢，此時(shí)Qh=Qc+Qs，其中Qs為熱損失。且存在熱平衡相對(duì)誤差ΔQ：

ΔQ=|(Qh-Qc)/Qc|×100%

(3)

針對(duì)液-液無相變用換熱器性能試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算方法如下：

冷流體流速vc=qVc/Sc

(4)

熱流體流速vh=qVh/Sh

(5)

對(duì)數(shù)平均溫差Δtm(℃)為：

(6)

總傳熱系數(shù)K(W/(m2·K))為：

K=(Qh+Qc)/(2AΔtm)

(7)

式中A——傳熱面積，m2；

cpc、cph——冷、熱流體的定壓比熱容，J/(kg·K)；

qmc、qmh——冷、熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；

qVc、qVh——冷、熱流體的體積流量，m3/s；

Q——熱負(fù)荷，W；

Sc、Sh——冷、熱側(cè)流道截面積，m2；

tc1、tc2——冷流體進(jìn)、出口溫度，℃；

th1、th2——熱流體進(jìn)、出口溫度，℃；

vc、vh——冷、熱側(cè)流體板間流速，m/s。

在書籍制作教學(xué)過程中，教師通過課堂調(diào)研收集的方式，使學(xué)生體會(huì)手工書制作中視覺和觸感的重要性，幫助學(xué)生更好地體會(huì)手工書籍形與神融合的整體美感。手工書籍的制作過程，是學(xué)生構(gòu)思不斷改進(jìn)，草圖不斷調(diào)整以及形態(tài)反復(fù)嘗試的實(shí)踐活動(dòng)。學(xué)生能夠通過各種工藝和技能的構(gòu)思和實(shí)踐，并融入自身對(duì)于手工書制作的認(rèn)知，展現(xiàn)出手工書籍制作者的個(gè)性特征。

當(dāng)ΔQ<5%，K的測(cè)試誤差小于10%時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析計(jì)算。

2 總體方案

2.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和換熱器性能試驗(yàn)原理，在對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上搭建換熱器綜合試驗(yàn)臺(tái)，此試驗(yàn)臺(tái)主要針對(duì)化工生產(chǎn)中以液-液為傳熱介質(zhì)的板式換熱器進(jìn)行性能測(cè)試。液-液無相變用換熱器測(cè)試系統(tǒng)工藝原理和測(cè)控點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 液-液無相變用換熱器測(cè)試系統(tǒng)工藝原理和測(cè)控點(diǎn)分布

2.2 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)以PLC為核心，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)控。PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、流量和壓力信號(hào)的采集、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制和不同換熱器試驗(yàn)的工況切換控制。工控機(jī)與PLC通過Profibus-DP實(shí)現(xiàn)通信，完成換熱器試驗(yàn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及檢驗(yàn)報(bào)告的生成、打印等功能。換熱器性能試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 換熱器性能試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 控制目標(biāo)和試驗(yàn)過程

換熱器性能測(cè)試的重點(diǎn)在于建立滿足一定溫度和流量條件的測(cè)試工況。筆者主要研究換熱器熱側(cè)進(jìn)口溫度和冷側(cè)進(jìn)口溫度的快速穩(wěn)定控制方法，以提高換熱器測(cè)試效率。

試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定換熱器冷熱側(cè)進(jìn)口介質(zhì)流量，控制換熱器冷熱側(cè)進(jìn)口溫度快速穩(wěn)定到檢測(cè)工況設(shè)定值，然后檢測(cè)換熱器冷熱側(cè)出口溫度、出口流量和壓差。按照換熱器的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，改變換熱器冷熱側(cè)進(jìn)口流量，檢測(cè)幾組數(shù)據(jù)，然后分析計(jì)算傳熱性能和流體阻力性能，評(píng)估換熱器的總體性能，達(dá)到監(jiān)督檢驗(yàn)換熱器性能的目的。試驗(yàn)過程中控制換熱器冷熱側(cè)進(jìn)口溫度快速穩(wěn)定是研究的關(guān)鍵。

3 控制方案和換熱器的數(shù)學(xué)模型

以蒸汽加熱器為對(duì)象，將蒸汽流量作為控制量，將被加熱介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng)[4]。

3.1 數(shù)學(xué)模型的低階近似

換熱器是一種慣性和時(shí)間滯后均較大，且很難用解析法建立數(shù)學(xué)模型的非線性復(fù)雜系統(tǒng)[4]。

從嚴(yán)格的傳熱理論分析，換熱器的傳熱過程需要采用偏微分方程來描述。但換熱器動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜，用偏微分方程求解復(fù)雜，且所得模型階次較高，很難用于實(shí)際計(jì)算和控制。因此筆者采用低階近似法來處理復(fù)雜的高階模型[4]，將動(dòng)態(tài)特性用于一階滯后環(huán)節(jié)，具體描述為：

(8)

式中K——放大系數(shù)；

T——時(shí)間常數(shù)；

τ——滯后時(shí)間。

3.2 K、T、τ的確定

一般可通過階躍響應(yīng)法測(cè)定輸出階躍響應(yīng)曲線(圖3)來確定參數(shù)，求得換熱器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

圖3 換熱器輸出階躍響應(yīng)曲線

在圖3中找出系統(tǒng)輸出達(dá)到給定輸入的28.3%和63.2%的兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間t1和t2，然后計(jì)算3個(gè)參數(shù)：

K=Δy/R

(9)

T=1.5(t2-t1)

(10)

τ=t2-T

(11)

式中R——階躍輸入幅值；

Δy——系統(tǒng)輸出響應(yīng)，Δy=y(∞)-y(0)。

將計(jì)算得到的3個(gè)參數(shù)代入式(8)，可得換熱器動(dòng)態(tài)模型為：

(12)

4 模糊控制在換熱器溫度控制中的應(yīng)用

模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方法，核心部分為模糊控制器。模糊控制通過模糊邏輯推理，模仿人的控制經(jīng)驗(yàn)并將其形式化，變成計(jì)算機(jī)可以接受的控制模型，也是一種仿人控制方法[4]。

4.1 模糊控制原理

模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其基本原理如圖4所示，模糊控制器原理如圖5所示。

圖4 模糊控制系統(tǒng)基本原理

圖5 模糊控制器原理

4.2 模糊控制器

4.2.1結(jié)構(gòu)

由圖5可知，選取誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，選取控制量u作為模糊控制器的輸出變量。

對(duì)溫度誤差E、誤差變化率EC和控制量U的模糊子集進(jìn)行定義：E的模糊集{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}；EC和U的模糊集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；E的模糊子集區(qū)分了NO和PO，是為了提高穩(wěn)態(tài)精度。

模糊子集的隸屬度函數(shù)分別為：NB取Z形隸屬度函數(shù)，PB取S形隸屬度函數(shù)，其余模糊子集均取三角形隸屬度函數(shù)。清晰化方法選擇Centroid，即重心法。

4.2.2參數(shù)的確定

比例因子ke、kec和ku對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響很大[4]。ke增大可使系統(tǒng)上升速率變快，但過大會(huì)使超調(diào)量增大，過渡時(shí)間變長(zhǎng)，甚至產(chǎn)生振蕩；kec反映對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變化的抑制能力，減小kec會(huì)使系統(tǒng)上升速率變快，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)量增大，影響穩(wěn)定性；ku相當(dāng)于系統(tǒng)總的放大倍數(shù)，在控制器設(shè)置不變的情況下，增大ku會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量增大乃至發(fā)生振蕩。

綜合考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，取E和EC的論域?yàn)閇-3,3]，U的論域?yàn)閇1,7]，由計(jì)算和調(diào)試得ke=3，kec=15，ku=0.25。

5 仿真分析

利用Matlab的Fuzzy Logic Toolbox建立模糊推理系統(tǒng)(Fuzzy Inference System,FIS)，并將FIS嵌入Simulink仿真模型的模糊控制器模塊中，實(shí)現(xiàn)與Simulink的連接并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真曲線

從圖6可以看出，模糊控制算法優(yōu)于PID控制算法，可以實(shí)現(xiàn)換熱器冷、熱側(cè)入口溫度快速穩(wěn)定的目的。

6 結(jié)束語

分析了換熱器性能試驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)了換熱器性能試驗(yàn)測(cè)控方案。針對(duì)控制要求，研究了PID算法和模糊控制算法在換熱器試驗(yàn)過程溫度控制中的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明，模糊控制算法具有抑制超調(diào)及減少調(diào)節(jié)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量的快速穩(wěn)定，提高試驗(yàn)效率。

[1] 史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2009:4～10.

[2] 王曉,張寶懷.基于LabVIEW的換熱器性能試驗(yàn)裝置測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45(4):309～312.

[3] 郭榮春.板式換熱器測(cè)試系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[4] 張亞萌.智能模糊控制技術(shù)在換熱器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].天津:天津大學(xué),2005.

[5] 毛衛(wèi)崗.模糊PID在擠出機(jī)壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(11):1264～1266.