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換熱器動態特性的研究與仿真

點擊:1345 日期:[ 2014-04-26 22:55:14 ]
作者:程向榮 種亞奇  摘 要 基于MATLAB軟件的SIMULINK仿真模型庫,對換熱器動態特性進行了研究和仿真。通過仿真,能夠得到換熱器動態特性仿真曲線,從而可以最大程度地回收能量轉換過程中的余熱,提高熱動力裝置效率。  關鍵詞 換熱器 動態特性 仿真 SIMULINK1 前言  為了提高熱動力裝置的效率,必須盡可能地回收在能量轉換過程中的余熱,應用大量的各種各樣的熱交換器,將大量的燃氣余熱回收,用于產生蒸汽,或用于加熱給水。這些熱交換器都是具有分布參數的對象,有其特殊的動態特性。本文敘述了換熱器動態特性的建立以及運用MATLAB軟件中提供的SIMULINK對動態特性進行了模擬,使我們能清楚地看到當熱物流和冷物流進口溫度出現擾動時,對冷物流出口溫度的影響。我們能根據這一擾動,配置合適的控制系統,使得熱物流和冷物流的進口溫度及時地得到調節,從而使冷物流的出口溫度達到所需的要求,提高出口蒸汽或給水的質量,達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)動態方程的推導以逆流式換熱器為出發點,因為在生產上所應用的換熱器基本屬于這種類型。  (2)空氣流量Gk,燃氣流量Gr,以及空氣側與燃氣側的傳熱膜系數αk與αr,在過程中不變。詳細分析表明,上述參數的變化所引起的換熱器出口參數的變化是不大的,可忽略不計。  (3)在換熱器中,空氣與燃氣的熱容量比換熱器金屬壁面的熱容量要小得多,故在計算中亦可忽略不計。2.2 沿換熱器行程溫度按線性分布的微分方程組  在圖1中,T4為換熱器的熱物流進口溫度(單位為K,下同),T4′為熱物流出口溫度,T2與T2′分別為換熱器冷物流的進口與出口溫度,Thp是金屬壁面的平均溫度。假設熱交換在熱物流、壁面以及冷物流的平均溫度之間進行,則可寫出以下方程[1]:  式(1)、(2)、(3)中共有五個變量,即T4、T4′、T2、T2′和Thp,我們感興趣的是,當T4與T2變化時T2′的響應。所以,采用增量方程消去中間變量Thp和T4′,便可得到T4、T2與T2′之間的傳遞函數。下面敘述其推導過程。  由式(1)有  將式(6)寫成增量形式并進行拉普拉斯變換,得   ΔT2′=2κ2+κΔThp+2-κ2+κΔT2(10)將式(9)代入式(10),經整理后有T40和T20、T20′分別為熱物流的進口溫度常數和冷物流的進、出口溫度常數。  現在,我們就得出了熱物流和冷物流的進口溫度對冷物流出口溫度的影響函數,并用拉普拉斯形式表現出來。利用式(12),結合MATLAB的SIMULINK就能夠合理地得出這些變量之間的關系,為進一步分析冷、熱物流間的傳熱提供依據。3 SIMULINK的仿真實現3.1 SIMULINK簡介  SIMULINK是MATLAB的一個附加組件,為用戶提供了一個建模與仿真的工作平臺。SIMULINK采用模塊組合的方法來創建動態系統的計算機模型,其重要的特點是快速、準確。SIMULINK為用戶提供了比較全面的幫助系統,以方便用戶應用模塊庫。由此可見,SIMULINK是一種強有力的仿真工具。3.2 換熱器的SIMULINK模擬  現就對某一換熱器的出口冷物流進行模擬。其參數如下:  熱物流的進口溫度:T40=732.4K;  冷物流的進口溫度:T20=593K;  冷物流的出口溫度:T20′=703K;  Gk Gr=17kg/s,Fr=1990m2,Fk=  根據式(12),結合SIMULINK,我們得到熱物流進口溫度有一階躍擾動時對冷物流出口溫度影響的程序方塊圖,如圖2所示。運行這一程序方塊圖,得到熱物流進口溫度擾動對冷物流出口溫度影響的仿真曲線,如圖3所示。  當冷物流進口溫度出現一個階躍擾動時,同樣也會影響冷物流出口溫度的變化,圖4即為SIMULINK程序方塊圖。  運行這一程序方塊圖,得到冷物流進口溫度擾動對冷物流出口溫度影響的仿真曲線,如圖5所示。4 結論  系統的動態特性計算機仿真結果與試驗結果基本一致,證明了此仿真方法是可行的,同時借助MATLAB軟件的強大功能,能大大縮短研究工作的進程和減少費用。隨著計算機技術的加速發展,計算機仿真作為動態特性研究的一種手段在許多領域得到了廣泛的應用。  在用能方面我們打破常規思維,對大型熱工設備建立一定的數學模型,利用計算機仿真軟件就能夠得到只有通過試驗才能擬合的圖形。仿真得到的圖形能夠更準確、更有效地反映出系統的動態特性,并且在計算機中就能進行調節,使之達到穩定的結果,從而大大節約試驗費用和時間。隨著計算機仿真技術與能源技術的不斷結合,一定會使我國的能源得到更合理的利用。參 考 文 獻 1 倪維斗.動力系統建模與控制的基本問題.北京:科學出版社,1996. 2 張森.MATLAB仿真技術與實例應用教程.北京:機械工業出版社,2004.
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