基于Simulink環(huán)境的殼管式換熱器動(dòng)態(tài)分析

[摘要]殼管式換熱器在化工和食品行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，對其分析的方法與手段也有很多。在本文中，作者嘗試建立起殼管式換熱器的傳遞函數(shù)，并利用 Matlab 分析軟件中的 Simulink 模塊對其分析與仿真，通過得到的動(dòng)態(tài)特性仿真曲線，為提高換熱器的使用效率提供一些依據(jù)。
　　[關(guān)鍵詞]殼管式換熱器；動(dòng)態(tài)特性；simulink
　　化工、食品等生產(chǎn)過程中的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)涉及比較多的換熱器，換熱器具有分布參數(shù)的對象，有其特殊的動(dòng)態(tài)特性。本文敘述的是常用的殼管式換熱器動(dòng)態(tài)特性的建立，并應(yīng)用Matlab 軟件中提供的 Simulink 對其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬，觀察當(dāng)熱流體和冷流體進(jìn)口溫度出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，對冷流體出口溫度的影響趨勢。根據(jù)影響的趨勢，合理配置控制系統(tǒng)，使得熱流體和冷流體的進(jìn)口溫度及時(shí)地得到調(diào)節(jié)。
　　1 殼管式換熱器的結(jié)構(gòu)
　　殼管式換熱器的傳熱面由一系列的管束構(gòu)成，管束的兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)。外殼兩端有封頭，一種流體從進(jìn)口封頭流進(jìn)管子里，再經(jīng)出口封頭流出，這條路徑稱為管程；另一種流體從外殼上的連接管進(jìn)出換熱器，這條路徑稱為殼程。管程流體和殼程流體互不摻混，僅通過管壁交換熱量，外殼內(nèi)一般裝有折流擋板，以改善殼程的換熱。
　　2 建立模型
　　2.1 基本假定
　　(1)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)以單殼程—雙管程的殼管式換熱器（圖1 示）作為分析對象和出發(fā)點(diǎn)，熱交換在熱流體、壁面以及冷流體的平均溫度之間進(jìn)行。(2)在理想狀態(tài)下，熱、冷流體的質(zhì)量流量 ms1、ms2，以及熱、冷流體傳熱系數(shù) K1、K2，在整個(gè)過程反應(yīng)中變化不大，可以忽略不計(jì)。(3)換熱器中殼程的工作介質(zhì)是制冷劑，管程的工作介質(zhì)是循環(huán)用水。
                     
     2.2 線性系統(tǒng)下傳遞函數(shù)的獲取
     在圖 1 中，Thin為熱流體進(jìn)口溫度，Thout為熱流體出口溫度，Tcin 與 Tcout 分別為冷流體的進(jìn)口與出口溫度，Thp 是金屬壁面的平均溫度。按照假設(shè)的條件，有以下式子：
             
              
      傳遞函數(shù)用拉普拉斯的形式表現(xiàn)出來，結(jié)合 Matlab 中的Simulink 工具庫便能合理得出變量之間的關(guān)系。
    3 SIMULINK 的仿真實(shí)現(xiàn)
    3.1 Simulink 簡介
    Simulink 為用戶提供的模塊包括一般線性、非線性控制系統(tǒng)所需的模塊，這使得用戶可以輕易地對感興趣的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并得出希望的結(jié)果。Simulink 環(huán)境是 1990 年前后由MathWorks 公司推出的產(chǎn)品，原名 SimuLAB，1992 年改為Simulink，其名字有兩重含義，仿真(simu)與模塊連接（link），表示該環(huán)境可以用框圖的方式對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。它提供的各種控制系統(tǒng)仿真的模塊支持一般的控制系統(tǒng)仿真，此外還提供可各種工程應(yīng)用可能使用的模塊，可以直接進(jìn)行建模與仿真實(shí)現(xiàn)。
    3.2 換熱器的模擬參數(shù)和實(shí)現(xiàn)
    殼管式換熱器運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)見表 1。
    根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)，容易得到：κ = 0.06；M =124.6(s)。
    按照上面的結(jié)果和式(8)，我們得出了其中的傳遞函數(shù)最終式，結(jié)合simulink 工具庫，有熱流體進(jìn)口溫度有一階躍擾動(dòng)時(shí)對冷流體溫度影響的程序方塊圖。如圖 2 所示。
    運(yùn)行程序方塊圖，得出熱流體進(jìn)口溫度擾動(dòng)對冷流體出口溫度影響的仿真曲線，如圖 3 所示。
    同樣的，當(dāng)冷流體進(jìn)口溫度出現(xiàn)一個(gè)階躍擾動(dòng)時(shí)，也會(huì)影響冷流體出口溫度的變化，如圖 4 所示。
    運(yùn)行這一程序方塊圖，得到冷流體進(jìn)口溫度擾動(dòng)對冷流體出口溫度影響的仿真曲線，如圖 5 所示。
              
              
              
    4 結(jié)論
    從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，在熱、冷流體進(jìn)口溫度擾動(dòng)下，冷流體出口溫度的變化均隨時(shí)間的變化成遞增趨勢，而冷流體進(jìn)口溫度擾動(dòng)還對冷流體出口溫度有一增益影響，仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，可見該分析方法可行。借助成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)建立起一些化工設(shè)備的模型，應(yīng)用仿真軟件得到只有通過試驗(yàn)才能擬合的圖形，仿真得到的圖形能夠準(zhǔn)確、有效的反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并在計(jì)算機(jī)中得到調(diào)節(jié)，達(dá)到我們想要的結(jié)果，并利用得到的結(jié)果調(diào)節(jié)使用中的殼管式換熱器，使之有效使用。