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基于Simulink环境的壳管式换热器动态分析

作者: 2013年07月22日 来源: 浏览量:
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[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
[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。
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