换热器动态特性的研究

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2009-1-2 10:37:22 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器

 

基于MATLAB软件的SIMULINK仿真模型库,对换热器动态特性进行了研究和仿真。通过仿真,能够得到换热器动态特性仿真曲线,从而可以最大程度地回收能量转换过程中的余热,提高热动力装置效率。  

关键词 换热器 动态特性 仿真 SIMULINK

1 前言

  为了提高热动力装置的效率,必须尽可能地回收在能量转换过程中的余热,应用大量的各种各样的热交换器,将大量的燃气余热回收,用于产生蒸汽,或用于加热给水。这些热交换器都是具有分布参数的对象,有其特殊的动态特性。本文叙述了换热器动态特性的建立以及运用MATLAB软件中提供的SIMULINK对动态特性进行了模拟,使我们能清楚地看到当热物流和冷物流进口温度出现扰动时,对冷物流出口温度的影响。我们能根据这一扰动,配置合适的控制系统,使得热物流和冷物流的进口温度及时地得到调节,从而使冷物流的出口温度达到所需的要求,提高出口蒸汽或给水的质量,达到最大程度地利用能量的目的。

2 模型的建立

2.1 基本假定
  (1)动态方程的推导以逆流式换热器为出发点,因为在生产上所应用的换热器基本属于这种类型。
  (2)空气流量Gk,燃气流量Gr,以及空气侧与燃气侧的传热膜系数αk与αr,在过程中不变。详细分析表明,上述参数的变化所引起的换热器出口参数的变化是不大的,可忽略不计。
  (3)在换热器中,空气与燃气的热容量比换热器金属壁面的热容量要小得多,故在计算中亦可忽略不计。
2.2 沿换热器行程温度按线性分布的微分方程组
  在图1中,T4为换热器的热物流进口温度(单位为K,下同),T4′为热物流出口温度,T2与T2′分别为换热器冷物流的进口与出口温度,Thp是金属壁面的平均温度。假设热交换在热物流、壁面以及冷物流的平均温度之间进行,则可写出以下方程[1]:



  式(1)、(2)、(3)中共有五个变量,即T4、T4′、T2、T2′和Thp,我们感兴趣的是,当T4与T2变化时T2′的响应。所以,采用增量方程消去中间变量Thp和T4′,便可得到T4、T2与T2′之间的传递函数。下面叙述其推导过程。
  由式(1)有





  将式(6)写成增量形式并进行拉普拉斯变换,得
   ΔT2′=2κ2+κΔThp+2-κ2+κΔT
2(10)将式(9)代入式(10),经整理后有



T40和T20、T20′分别为热物流的进口温度常数和冷物流的进、出口温度常数。
  现在,我们就得出了热物流和冷物流的进口温度对冷物流出口温度的影响函数,并用拉普拉斯形式表现出来。利用式(12),结合MATLAB的SIMULINK就能够合理地得出这些变量之间的关系,为进一步分析冷、热物流间的传热提供依据。

3 SIMULINK的仿真实现

3.1 SIMULINK简介
  SIMULINK是MATLAB的一个附加组件,为用户提供了一个建模与仿真的工作平台。
SIMULINK采用模块组合的方法来创建动态系统的计算机模型,其重要的特点是快速、准确。SIMULINK为用户提供了比较全面的帮助系统,以方便用户应用模块库。由此可见,SIMULINK是一种强有力的仿真工具。
3.2 换热器的SIMULINK模拟
  现就对某一换热器的出口冷物流进行模拟。其参数如下:
  热物流的进口温度:T40=732.4K;
  冷物流的进口温度:T20=593K;
  冷物流的出口温度:T20′=703K;
  Gk Gr=17kg/s,Fr=1990m2,Fk=


  根据式(12),结合SIMULINK,我们得到热物流进口温度有一阶跃扰动时对冷物流出口温度影响的程序方块图,如图2所示。运行这一程序方块图,得到热物流进口温度扰动对冷物流出口温度影响的仿真曲线,如图3所示。



  当冷物流进口温度出现一个阶跃扰动时,同样也会影响冷物流出口温度的变化,图4即为SIMULINK程序方块图。



  运行这一程序方块图,得到冷物流进口温度扰动对冷物流出口温度影响的仿真曲线,如图5所示。



4 结论

  系统的动态特性计算机仿真结果与试验结果基本一致,证明了此仿真方法是可行的,同时借助MATLAB软件的强大功能,能大大缩短研究工作的进程和减少费用。随着计算机技术的加速发展,计算机仿真作为动态特性研究的一种手段在许多领域得到了广泛的应用。  在用能方面我们打破常规思维,对大型热工设备建立一定的数学模型,利用计算机仿真软件就能够得到只有通过试验才能拟合的图形。仿真得到的图形能够更准确、更有效地反映出系统的动态特性,并且在计算机中就能进行调节,使之达到稳定的结果,从而大大节约试验费用和时间。随着计算机仿真技术与能源技术的不断结合,一定会使我国的能源得到更合理的利用。
 



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