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基于Simulink环境的壳管式换热器动态分析点击：2009 日期：[ 2014-04-26 22:13:52 ] |
| 基于Simulink环境的壳管式换热器动态分析 1.朱建锋 2 张静 （1．广东省食品工业研究所，广东 广州 510308；2．南京钢铁联合有限公司，江苏 南京 210035） [摘要]壳管式换热器在化工和食品行业中有着广泛的应用，对其分析的方法与手段也有很多。在本文中，作者尝试建立起壳管式换热器的传递函数，并利用 Matlab 分析软件中的 Simulink 模块对其分析与仿真，通过得到的动态特性仿真曲线，为提高换热器的使用效率提供一些依据。 [关键词]壳管式换热器；动态特性；simulink 化工、食品等生产过程中的有机化学反应涉及比较多的换热器，换热器具有分布参数的对象，有其特殊的动态特性。本文叙述的是常用的壳管式换热器动态特性的建立，并应用Matlab 软件中提供的 Simulink 对其动态特性进行模拟，观察当热流体和冷流体进口温度出现扰动时，对冷流体出口温度的影响趋势。根据影响的趋势，合理配置控制系统，使得热流体和冷流体的进口温度及时地得到调节。 1 壳管式换热器的结构 壳管式换热器的传热面由一系列的管束构成，管束的两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。外壳两端有封头，一种流体从进口封头流进管子里，再经出口封头流出，这条路径称为管程；另一种流体从外壳上的连接管进出换热器，这条路径称为壳程。管程流体和壳程流体互不掺混，仅通过管壁交换热量，外壳内一般装有折流挡板，以改善壳程的换热。 2 建立模型 2.1 基本假定 (1)传递函数的推导以单壳程—双管程的壳管式换热器（图1 示）作为分析对象和出发点，热交换在热流体、壁面以及冷流体的平均温度之间进行。(2)在理想状态下，热、冷流体的质量流量 ms1、ms2，以及热、冷流体传热系数 K1、K2，在整个过程反应中变化不大，可以忽略不计。(3)换热器中壳程的工作介质是制冷剂，管程的工作介质是循环用水。 2.2 线性系统下传递函数的获取 在图 1 中，Thin为热流体进口温度，Thout为热流体出口温度，Tcin 与 Tcout 分别为冷流体的进口与出口温度，Thp 是金属壁面的平均温度。按照假设的条件，有以下式子： 传递函数用拉普拉斯的形式表现出来，结合 Matlab 中的Simulink 工具库便能合理得出变量之间的关系。 3 SIMULINK 的仿真实现 3.1 Simulink 简介 Simulink 为用户提供的模块包括一般线性、非线性控制系统所需的模块，这使得用户可以轻易地对感兴趣的系统进行仿真，并得出希望的结果。Simulink 环境是 1990 年前后由MathWorks 公司推出的产品，原名 SimuLAB，1992 年改为Simulink，其名字有两重含义，仿真(simu)与模块连接（link），表示该环境可以用框图的方式对系统进行仿真。它提供的各种控制系统仿真的模块支持一般的控制系统仿真，此外还提供可各种工程应用可能使用的模块，可以直接进行建模与仿真实现。 3.2 换热器的模拟参数和实现 壳管式换热器运行的各个参数数据见表 1。 根据表 1 数据，容易得到：κ = 0.06；M =124.6(s)。 按照上面的结果和式(8)，我们得出了其中的传递函数最终式，结合simulink 工具库，有热流体进口温度有一阶跃扰动时对冷流体温度影响的程序方块图。如图 2 所示。 运行程序方块图，得出热流体进口温度扰动对冷流体出口温度影响的仿真曲线，如图 3 所示。 同样的，当冷流体进口温度出现一个阶跃扰动时，也会影响冷流体出口温度的变化，如图 4 所示。 运行这一程序方块图，得到冷流体进口温度扰动对冷流体出口温度影响的仿真曲线，如图 5 所示。 4 结论 从实验结果看，在热、冷流体进口温度扰动下，冷流体出口温度的变化均随时间的变化成递增趋势，而冷流体进口温度扰动还对冷流体出口温度有一增益影响，仿真分析结果与试验结果基本一致，可见该分析方法可行。借助成熟的计算机技术建立起一些化工设备的模型，应用仿真软件得到只有通过试验才能拟合的图形，仿真得到的图形能够准确、有效的反映系统的动态特性，并在计算机中得到调节，达到我们想要的结果，并利用得到的结果调节使用中的壳管式换热器，使之有效使用。 参考文献 [1]谭天照，麦本熙，丁惠华．化工原理(第二版)[M]．北京：化学工业出版 社，1990．199-211． [2]王益群，钟毓宁．机械控制工程基础[M]．武汉：武汉理工大学出版社， 2001．6-20． [3]薛定宇．控制系统计算机辅助设计－MATLAB 语言与应用[M]．北京：科学出版社，2003．183-198． [4]毛希澜，等．换热器设计[M]．上海：上海科学技术出版社，1988．129-134．（本文文献格式：朱建锋，张静．基于 Simulink 环境的壳管式换热器动态特性的分析[J]．广东化工，2007，34(7)：46-48） |
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