熱處理車間溫度控制系統研究

廖陽明

(廣西生態工程職業技術學院，廣西 柳州 545004)

熱處理車間溫度控制系統研究

廖陽明

(廣西生態工程職業技術學院，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。詳細介紹了該溫度控制系統的基本原理，并對膜片式熱交換器建立模型，對溫度控制系統進行仿真和分析，測試結果表明溫度控制方案穩定有效，達到了預期效果。

熱處理車間；溫度控制系統；膜片式熱交換器；監測器；調校

（一）前言

在熱處理車間中，需要將高溫的液體進行溫度控制，當其溫度超過預先設定的警戒值時，通過一定的措施使其溫度快速下降，達到預期要求。當然，如果液體的溫度不夠，也需要升高其溫度。在傳統的實現方案中，往往是選擇膜片式熱交換器實現上述溫度控制過程。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，該方法能夠達到恒溫控制，然而兩個冷卻罐需要充足的空間來進行安裝，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。然而，PID控制器的響應速度較慢，且在干擾條件下不夠穩定。

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。為了提高響應速度和控制的精確性，在控制中引入了監測器和調校器。盡管仿真和實驗在真實的工廠中進行，但本文提出的方法可以應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

溫度控制的目標有三個：一是實現1～15℃這樣較大范圍的溫度控制；二是能夠保持溫度穩定，上下浮動范圍不超過1℃；三是當負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，使用旁通閥調校制冷劑流量。為了提高響應時間和控制的精確性，本文使用了一個監測器和一個調校器。

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

根據圖2所示的模型，可以建立液體在交換器中的熱交換關系式：

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率，hb1hb2hb3hb4分別是熱交換器每個單元的液體的表面熱傳導，Ab1Ab2Ab3Ab4分別是熱交換器每個單元制冷劑的熱傳導率， Cm是特定膜片的質量，Gm1Gm2Gm3Gm4分別是熱交換器每個單元的膜片質量。

在此模型中，監測器估算熱交換器內的液體和制冷劑溫度，這些內部狀態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系式：

x是狀態向量

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）溫度控制系統關鍵模塊設計

1.溫度控制系統中監測器設計

觀測向量表示如下：

狀態向量x(t)是監測器的估計值，用如下方程表示：

其中K是監測器增益。

2.溫度控制系統中調校器設計

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：

相應地，

圖3 溫度控制系統中調校器控制流程

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，可以得到如下狀態方程：

其中：

制冷劑流量u(t)如下表示，其中是調校器增益。

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

（四）仿真與測試

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

仿真條件設置如下：

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.負荷浮動

液體的目標溫度設定為 1℃，負荷也就是液體流量，從100%（500L/s）變為0%。100%流量持續120秒，0%流量持續80秒，按如此流量圖案重復進行。

仿真結果如圖 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對液體溫度的控制。

圖4 流量變化條件下的仿真結果

2.目標溫度浮動

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

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

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

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℃，液體冷卻的目標溫度是 15℃。液體流量從 100%降低到 0%，100%的流量持續120秒，然后是80秒的零流量，重復上述流量圖案。

測試結果與仿真結果的對比如圖5所示。

圖5 測試結果和仿真結果比較

量測溫度在±1℃范圍內浮動，因此可以確定達到了設定目標。但是在實驗中，溫度浮動大于仿真結果，其原因可能是以下兩點：

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

（2）實驗中量測和控制的延時大于仿真環境，這也可能導致量測錯誤。

當我們的方法應用于實際系統的時候，上述問題不可避免，因此，應該仔細設計和安裝系統組件，以便精確控制，并獲得理想的量測結果。

（五）總結

在瓶罐熱處理車間，液體應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和精確性，引入一個監測器和調校器。盡管仿真和實驗是在實驗室中完成的，但也認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，廣西生態工程職業技術學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工作。