热处理车间温度控制系统研究

廖阳明

(广西生态工程职业技术学院，广西 柳州 545004)

热处理车间温度控制系统研究

廖阳明

(广西生态工程职业技术学院，广西 柳州 545004)

针对热处理车间中液体温度的控制需求，文章提出了一种基于膜片式的温度控制方案。详细介绍了该温度控制系统的基本原理，并对膜片式热交换器建立模型，对温度控制系统进行仿真和分析，测试结果表明温度控制方案稳定有效，达到了预期效果。

热处理车间；温度控制系统；膜片式热交换器；监测器；调校

（一）前言

在热处理车间中，需要将高温的液体进行温度控制，当其温度超过预先设定的警戒值时，通过一定的措施使其温度快速下降，达到预期要求。当然，如果液体的温度不够，也需要升高其温度。在传统的实现方案中，往往是选择膜片式热交换器实现上述温度控制过程。该方案的制冷剂从两个制冷剂罐提供给热交换器，一个制冷剂罐的温度稍高，另一个制冷剂罐的温度稍低。通过改变两种制冷剂的混合比率能够控制制冷剂的温度，该方法能够达到恒温控制，然而两个冷却罐需要充足的空间来进行安装，除此之外，还需要大量的能耗来冷却两个罐中的制冷剂。在控制过程中，温度控制通过PID控制器实现。然而，PID控制器的响应速度较慢，且在干扰条件下不够稳定。

为此，本文提出了一种新的制冷方法，制冷单元提供的制冷剂直接供给膜片式热交换器。为了提高响应速度和控制的精确性，在控制中引入了监测器和调校器。尽管仿真和实验在真实的工厂中进行，但本文提出的方法可以应用于真实的热处理车间。

（二）基于膜片式热交换的温度控制原理

1.温度控制基本原理

温度控制的目标有三个：一是实现1～15℃这样较大范围的温度控制；二是能够保持温度稳定，上下浮动范围不超过1℃；三是当负荷或者液体流量变化时仍能保持温度恒定。

本文提出了如图 1所示的温度控制框图。该方法不需要制冷剂罐，直接应用制冷单元的膜片式热交换器。通过改变制冷剂流量控制热交换器出口处液体的温度，使用旁通阀调校制冷剂流量。为了提高响应时间和控制的精确性，本文使用了一个监测器和一个调校器。

图1 基于膜片式热交换的温度控制框图

2.膜片式热交换器模型建立

本文给出了膜片式热交换器的模型，膜片式热交换器由多个膜片构成。在热处理车间，膜片式热交换器的膜片总共4个，液体和制冷剂在膜片间的间隙中相向流动，彼此交换热量。由于热交换器有多个间隙，总的路径比较长，因此膜片式热交换器模型由四个单元组成，如图2所示。

图2 膜片热交换器模型

根据图2所示的模型，可以建立液体在交换器中的热交换关系式：

式中T0是热交换器入口处液体的温度，T1T2T3T4分别是四个单元出口处的液体温度，Tb0是热交换器入口处的制冷剂温度，Tb1Tb2Tb3Tb4分别是四个单元出口处的制冷剂温度，Tm1Tm2Tm3Tm4分别是每个热交换单元的膜片温度，C是液体的特定热量，是液体的重力，G是液体的重量流量。V1V2V3V4分别是热交换器每个单元的容量，h1h2h3h4分别是热交换器每个单元的热传导率，hb1hb2hb3hb4分别是热交换器每个单元的液体的表面热传导，Ab1Ab2Ab3Ab4分别是热交换器每个单元制冷剂的热传导率， Cm是特定膜片的质量，Gm1Gm2Gm3Gm4分别是热交换器每个单元的膜片质量。

在此模型中，监测器估算热交换器内的液体和制冷剂温度，这些内部状态作为反馈信号完成控制。另外，量测的液体温度和制冷剂温度表示如下，其中T是温度计的时间常量。

方程1到方程10合并后可以得到膜片热交换器模型关系式：

x是状态向量

u是控制向量，w是干扰向量。

Qw是液体流量，T0是热交换器入口处液体流量的温度，Tb0是热交换器入口处制冷剂的温度。

（三）温度控制系统关键模块设计

1.温度控制系统中监测器设计

观测向量表示如下：

状态向量x(t)是监测器的估计值，用如下方程表示：

其中K是监测器增益。

2.温度控制系统中调校器设计

控制框图如图3所示，输出向量 是热交换器出口处液体流的温度，因此：

相应地，

图3 温度控制系统中调校器控制流程

为了使偏差为零，使用如下积分：

由此得出：

从方程19和方程20，可以得到如下状态方程：

其中：

制冷剂流量u(t)如下表示，其中是调校器增益。

f是积分器的反馈增益， F是状态向量x的状态反馈增益。状态向量x(t)由监测器输出得到。

（四）仿真与测试

为了测试本文设计的稳定控制方案的性能，本文进行了仿真和测试。在仿真中，主要验证了以下情况：常量负荷与浮动负荷下的表现，不同的目标温度下制冷剂温度的浮动情况。

仿真条件设置如下：

液体初始温度30℃，制冷剂初始温度-1℃，温度计时间常量是5秒。

1.负荷浮动

液体的目标温度设定为 1℃，负荷也就是液体流量，从100%（500L/s）变为0%。100%流量持续120秒，0%流量持续80秒，按如此流量图案重复进行。

仿真结果如图 4所示。通过仿真，我们可以看到在开始的几秒钟，液体温度在±0.5℃幅度内浮动。在仿真的开始阶段，制冷剂的温度会较剧烈变化，其原因是热交换膜片的温度和制冷剂的温度不同所引起。因此，需要一段时间后才能实现对液体温度的控制。

图4 流量变化条件下的仿真结果

2.目标温度浮动

在仿真中，还验证了我们的方法是否适用于大范围的目标温度控制，我们选择了1℃、6℃、10℃三个目标温度。

指定的目标温度越高，所需的制冷剂越少，这就意味着目标温度越高，增益越小，因此在仿真中，对每个目标温度调整增益参数。

仿真结果表明在液体流量开始的时刻，温度有所波动。越高的目标温度，波动越大。估计可能的原因是较高目标温度的增益较小，响应速度比较慢。

3.实验测试

为了验证本文所提方法的效率，在实验车间进行了一次测试。

测试条件是：液体初始温度是52℃，制冷剂温度是12℃，液体冷却的目标温度是 15℃。液体流量从 100%降低到 0%，100%的流量持续120秒，然后是80秒的零流量，重复上述流量图案。

测试结果与仿真结果的对比如图5所示。

图5 测试结果和仿真结果比较

量测温度在±1℃范围内浮动，因此可以确定达到了设定目标。但是在实验中，温度浮动大于仿真结果，其原因可能是以下两点：

（1）温度计位置设置不是理想的，由于热交换器结构的限制，温度计距离热交换器的出口和入口100mm，这可能导致量测错误。

（2）实验中量测和控制的延时大于仿真环境，这也可能导致量测错误。

当我们的方法应用于实际系统的时候，上述问题不可避免，因此，应该仔细设计和安装系统组件，以便精确控制，并获得理想的量测结果。

（五）总结

在瓶罐热处理车间，液体应该被冷却到合适的温度，而膜片式热交换器通常被用于完成这样的冷却过程。本文提出了一种新的冷却方法，制冷机单元的冷却液直接应用于膜片式热交换器，冷却液流通过一个旁通的阀门控制。为了提高控制的响应和精确性，引入一个监测器和调校器。尽管仿真和实验是在实验室中完成的，但也认为本文提出的方法同样也适用于实际的热处理车间。

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TP183,TK223.74

B

1008-1151(2011)04-0139-03

2011-01-21

2010年广西教育厅科研项目（编号：201010LX641；项目名称：制冷剂分装机的研制）

廖阳明（1965－），男，广西生态工程职业技术学院水电基建科工程师，研究方向为水电基建管理及电工电子技术工作。