廖陽明

(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545004)

熱處理車間溫度控制系統(tǒng)研究

廖陽明

(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545004)

針對熱處理車間中液體溫度的控制需求，文章提出了一種基于膜片式的溫度控制方案。詳細(xì)介紹了該溫度控制系統(tǒng)的基本原理，并對膜片式熱交換器建立模型，對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，測試結(jié)果表明溫度控制方案穩(wěn)定有效，達(dá)到了預(yù)期效果。

熱處理車間；溫度控制系統(tǒng)；膜片式熱交換器；監(jiān)測器；調(diào)校

（一）前言

在熱處理車間中，需要將高溫的液體進(jìn)行溫度控制，當(dāng)其溫度超過預(yù)先設(shè)定的警戒值時，通過一定的措施使其溫度快速下降，達(dá)到預(yù)期要求。當(dāng)然，如果液體的溫度不夠，也需要升高其溫度。在傳統(tǒng)的實現(xiàn)方案中，往往是選擇膜片式熱交換器實現(xiàn)上述溫度控制過程。該方案的制冷劑從兩個制冷劑罐提供給熱交換器，一個制冷劑罐的溫度稍高，另一個制冷劑罐的溫度稍低。通過改變兩種制冷劑的混合比率能夠控制制冷劑的溫度，該方法能夠達(dá)到恒溫控制，然而兩個冷卻罐需要充足的空間來進(jìn)行安裝，除此之外，還需要大量的能耗來冷卻兩個罐中的制冷劑。在控制過程中，溫度控制通過PID控制器實現(xiàn)。然而，PID控制器的響應(yīng)速度較慢，且在干擾條件下不夠穩(wěn)定。

為此，本文提出了一種新的制冷方法，制冷單元提供的制冷劑直接供給膜片式熱交換器。為了提高響應(yīng)速度和控制的精確性，在控制中引入了監(jiān)測器和調(diào)校器。盡管仿真和實驗在真實的工廠中進(jìn)行，但本文提出的方法可以應(yīng)用于真實的熱處理車間。

（二）基于膜片式熱交換的溫度控制原理

1.溫度控制基本原理

溫度控制的目標(biāo)有三個：一是實現(xiàn)1～15℃這樣較大范圍的溫度控制；二是能夠保持溫度穩(wěn)定，上下浮動范圍不超過1℃；三是當(dāng)負(fù)荷或者液體流量變化時仍能保持溫度恒定。

本文提出了如圖 1所示的溫度控制框圖。該方法不需要制冷劑罐，直接應(yīng)用制冷單元的膜片式熱交換器。通過改變制冷劑流量控制熱交換器出口處液體的溫度，使用旁通閥調(diào)校制冷劑流量。為了提高響應(yīng)時間和控制的精確性，本文使用了一個監(jiān)測器和一個調(diào)校器。

圖1 基于膜片式熱交換的溫度控制框圖

2.膜片式熱交換器模型建立

本文給出了膜片式熱交換器的模型，膜片式熱交換器由多個膜片構(gòu)成。在熱處理車間，膜片式熱交換器的膜片總共4個，液體和制冷劑在膜片間的間隙中相向流動，彼此交換熱量。由于熱交換器有多個間隙，總的路徑比較長，因此膜片式熱交換器模型由四個單元組成，如圖2所示。

圖2 膜片熱交換器模型

根據(jù)圖2所示的模型，可以建立液體在交換器中的熱交換關(guān)系式：

式中T0是熱交換器入口處液體的溫度，T1T2T3T4分別是四個單元出口處的液體溫度，Tb0是熱交換器入口處的制冷劑溫度，Tb1Tb2Tb3Tb4分別是四個單元出口處的制冷劑溫度，Tm1Tm2Tm3Tm4分別是每個熱交換單元的膜片溫度，C是液體的特定熱量，是液體的重力，G是液體的重量流量。V1V2V3V4分別是熱交換器每個單元的容量，h1h2h3h4分別是熱交換器每個單元的熱傳導(dǎo)率，hb1hb2hb3hb4分別是熱交換器每個單元的液體的表面熱傳導(dǎo)，Ab1Ab2Ab3Ab4分別是熱交換器每個單元制冷劑的熱傳導(dǎo)率， Cm是特定膜片的質(zhì)量，Gm1Gm2Gm3Gm4分別是熱交換器每個單元的膜片質(zhì)量。

在此模型中，監(jiān)測器估算熱交換器內(nèi)的液體和制冷劑溫度，這些內(nèi)部狀態(tài)作為反饋信號完成控制。另外，量測的液體溫度和制冷劑溫度表示如下，其中T是溫度計的時間常量。

方程1到方程10合并后可以得到膜片熱交換器模型關(guān)系式：

x是狀態(tài)向量

u是控制向量，w是干擾向量。

Qw是液體流量，T0是熱交換器入口處液體流量的溫度，Tb0是熱交換器入口處制冷劑的溫度。

（三）溫度控制系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計

1.溫度控制系統(tǒng)中監(jiān)測器設(shè)計

觀測向量表示如下：

狀態(tài)向量x(t)是監(jiān)測器的估計值，用如下方程表示：

其中K是監(jiān)測器增益。

2.溫度控制系統(tǒng)中調(diào)校器設(shè)計

控制框圖如圖3所示，輸出向量 是熱交換器出口處液體流的溫度，因此：

相應(yīng)地，

圖3 溫度控制系統(tǒng)中調(diào)校器控制流程

為了使偏差為零，使用如下積分：

由此得出：

從方程19和方程20，可以得到如下狀態(tài)方程：

其中：

制冷劑流量u(t)如下表示，其中是調(diào)校器增益。

f是積分器的反饋增益， F是狀態(tài)向量x的狀態(tài)反饋增益。狀態(tài)向量x(t)由監(jiān)測器輸出得到。

（四）仿真與測試

為了測試本文設(shè)計的穩(wěn)定控制方案的性能，本文進(jìn)行了仿真和測試。在仿真中，主要驗證了以下情況：常量負(fù)荷與浮動負(fù)荷下的表現(xiàn)，不同的目標(biāo)溫度下制冷劑溫度的浮動情況。

仿真條件設(shè)置如下：

液體初始溫度30℃，制冷劑初始溫度-1℃，溫度計時間常量是5秒。

1.負(fù)荷浮動

液體的目標(biāo)溫度設(shè)定為 1℃，負(fù)荷也就是液體流量，從100%（500L/s）變?yōu)?%。100%流量持續(xù)120秒，0%流量持續(xù)80秒，按如此流量圖案重復(fù)進(jìn)行。

仿真結(jié)果如圖 4所示。通過仿真，我們可以看到在開始的幾秒鐘，液體溫度在±0.5℃幅度內(nèi)浮動。在仿真的開始階段，制冷劑的溫度會較劇烈變化，其原因是熱交換膜片的溫度和制冷劑的溫度不同所引起。因此，需要一段時間后才能實現(xiàn)對液體溫度的控制。

圖4 流量變化條件下的仿真結(jié)果

2.目標(biāo)溫度浮動

在仿真中，還驗證了我們的方法是否適用于大范圍的目標(biāo)溫度控制，我們選擇了1℃、6℃、10℃三個目標(biāo)溫度。

指定的目標(biāo)溫度越高，所需的制冷劑越少，這就意味著目標(biāo)溫度越高，增益越小，因此在仿真中，對每個目標(biāo)溫度調(diào)整增益參數(shù)。

仿真結(jié)果表明在液體流量開始的時刻，溫度有所波動。越高的目標(biāo)溫度，波動越大。估計可能的原因是較高目標(biāo)溫度的增益較小，響應(yīng)速度比較慢。

3.實驗測試

為了驗證本文所提方法的效率，在實驗車間進(jìn)行了一次測試。

測試條件是：液體初始溫度是52℃，制冷劑溫度是12℃，液體冷卻的目標(biāo)溫度是 15℃。液體流量從 100%降低到 0%，100%的流量持續(xù)120秒，然后是80秒的零流量，重復(fù)上述流量圖案。

測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比如圖5所示。

圖5 測試結(jié)果和仿真結(jié)果比較

量測溫度在±1℃范圍內(nèi)浮動，因此可以確定達(dá)到了設(shè)定目標(biāo)。但是在實驗中，溫度浮動大于仿真結(jié)果，其原因可能是以下兩點：

（1）溫度計位置設(shè)置不是理想的，由于熱交換器結(jié)構(gòu)的限制，溫度計距離熱交換器的出口和入口100mm，這可能導(dǎo)致量測錯誤。

（2）實驗中量測和控制的延時大于仿真環(huán)境，這也可能導(dǎo)致量測錯誤。

當(dāng)我們的方法應(yīng)用于實際系統(tǒng)的時候，上述問題不可避免，因此，應(yīng)該仔細(xì)設(shè)計和安裝系統(tǒng)組件，以便精確控制，并獲得理想的量測結(jié)果。

（五）總結(jié)

在瓶罐熱處理車間，液體應(yīng)該被冷卻到合適的溫度，而膜片式熱交換器通常被用于完成這樣的冷卻過程。本文提出了一種新的冷卻方法，制冷機單元的冷卻液直接應(yīng)用于膜片式熱交換器，冷卻液流通過一個旁通的閥門控制。為了提高控制的響應(yīng)和精確性，引入一個監(jiān)測器和調(diào)校器。盡管仿真和實驗是在實驗室中完成的，但也認(rèn)為本文提出的方法同樣也適用于實際的熱處理車間。

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TP183,TK223.74

B

1008-1151(2011)04-0139-03

2011-01-21

2010年廣西教育廳科研項目（編號：201010LX641；項目名稱：制冷劑分裝機的研制）

廖陽明（1965－），男，廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院水電基建科工程師，研究方向為水電基建管理及電工電子技術(shù)工作。