文档介绍：1 换热器工作原理及结构特点
换热器(英语翻译:heat exchanger),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。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即:混合式、蓄热式和间壁式。在三类换热器中,间壁式换热器应用最多。
1、混合式换热器:利用冷、热流体直接混合的作用进行热量的交换。这类交换器 的结构简单、价格前便宜、常做成塔状。例如:冷水塔(凉水塔)、造粒塔、气流干燥 装置、流化床等。 
2、蓄热式换热器:在这类换热器中,能量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完 成的。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大,故较适用于气气热交换 的场合。主要用于石油化工生产中的原料气转化和空气余热。 
3、间壁式换热器:所谓间壁式换热器,是指两种不同温度的流体在固定的壁面(称 为传热面)相隔的空间里流动,通过壁面的导热和壁表面的对流换热进行热量的传递。 间壁式换热器的传热面大多采用导热性能良好的金属制造。在某些场合由于防腐的需要,也有用非金属(如石墨,聚四乙烯等)制造的。这是工业制造最为广泛应用的一类 换热器。按照传热面的形状与结构特点它还可分为: 
(1)管式换热器:如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。  
(2)板面式换热器:如板式、螺旋板式,、板壳式等。  
(3)扩展表面式换热器:如板翅式、管翅式、强化的传热管等。
换热系统中,生产过程需要对系统的一些参数进行控制,其中,换热器出口介质的温度是最为主要、最为常见的控制对象,也是关系工艺产品质量的重要因素之一。目前,对温度的控制大都采用传统的PID调节器。但是,由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性的特点,而且整个控制过程与环境条件及换热系统本身等因素密切相关,是一个典型的参数时变的非线性系统,所以,要寻求一个更好地控制办法以满足工业生产的需要。[2]
本次课程设计我要完成换热器出口温度单回路控制系统设计,单回路控制系统又称简单控制系统,是指由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统,方框图如下:
图1、单回路控制系统方框图
单回路控制系统结构简单、易于分析设计,投资少、便于施工,并能满足一般生产过程的控制要求,因此在生产中得到广泛应用。
设计一个控制系统,首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特性外,对于工艺过程、设备等也需要比较深入的了解;在此基础上,确定正确的控制方案,包括合理选择被控变量与操纵变量,选择合适的检测变送原件及检测位置,选用恰当的执行器、调节器以及调机器控制规律等;最后将调节器的参数整定到最佳值。[1]
2、换热器温度控制原理以及控制方案的确定
换热器温度控制过程有如下特点:换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象组成的闭合回路。被调参数经检测元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号,测量值与给定值的差值送入调节器,调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。
换热器温度控制系统的工艺流程如下:冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程,通过热传导,从而使冷流体的出口温度升高。冷流体通过循环泵流经换热器的壳程,出口温度稳定在设定值附近。热流体通过多级泵流经换热器的管程,与冷流体热交换后流回蓄水池,循环使用。
从控制任务要求可知,换热器温度控制系统是单点、恒值控制。且题目要求用单回路控制系统,控制范围和控制精度要求一般,功能上无特殊要求,采用广泛使用的PID控制。
图2 PID控制系统原理图
PID控制是偏差比例(P)、偏差积分(I)、偏差微分(D)控制的简称。控制系统由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差,将偏差比例、积分和微分控制,通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器。其控制规律为
其传递函数形式为:
3、被控对象特性研究
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。
被控变量的选择
被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数。在换热器出口温度单回路控制系统设计中,当然选择出口温度作为被控变量,因为我们要得到流体稳定的出口温度。
操纵变量的选择