产品传热调节对象优化方案

如图2-25所示，被加热物料不断地通过调节对象。温度自动调节系统在于保持物料出口的温度T是常数。对这个自动调节系统的主要干扰，是加热物料的流量q_Vp和物料进口温度T_pi。由于假设是在绝热的情况下，故对周围环境的热损失可以忽略不计。

图2-25 产品传热的温度自动调节系统

a）管式加热炉 b）原理图

在这种情况下，管路系统的压力变化类似于图2-24b所示情况。

1.调节对象的动态特性

假设：

1）加热过程是一个参数集中系统。

2）可以忽略在加热设备壁上的热积累。

3）燃料的燃烧是无损失的。

这些假设是很苛刻的，但根据这些假设，可以经过不太复杂的数字推导，得到有实用价值的结果。

在上述假设条件下，图2-25中的调节对象的热平衡如下：

q_mpΔHΔt=q_mpc_p（T-T_pi）Δt-mc_pΔT （2-39）

式中，q_mp为被加热物料的质量流量（kg/h）；m为整个加热系统的质量（kg）；T_pi为物料入口温度（K）；

其他符号的含义同前。

用Δt除式（2-39），并取极限，得

其中，a=m/q_mp。

用与2.4.1中同样的方法，对于燃料流量给出阶跃变化Δq_m，微分方程（2-41）的解为

式中，（T-T_pi）代表温度的变化。当T=T₀时，燃料的流量q_m=q_m0。

以表示Δq_m的公式（2-32）代入式（2-42），得

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其中，b=（dq_m/dh）（ΔQ/q_mpc_p）是调节对象——调节阀子系统的传递系数。

2.选择调节阀的最佳特性

如图2-26所示，对于调节阀RR的干扰有Δp_r和ρ。和前节所述一样，密度ρ的影响可以忽略不计。对于燃烧器的干扰有热量ΔQ。直接作用于调节对象的干扰有流量q_mp和物料的入口温度T_pi。环境温度也是干扰，但它一般可忽略不计。

（1）物料的入口温度T_pi变化 在这种情况下，假设Δp_r、ΔQ和q_p是常数，则采用线性调节阀，可导出一个与调节阀的开度h无关的传递系数b和时间常数a。因此选择线性特性代表了这种情况的解答。

图2-26 加热物料的调节系统功能图

ϕ—燃烧器AZ产生的热流量 T—物料在炉子CI中加热的温度 T_T—温度变送器TT产生的信号

（2）热量ΔQ变化 假设Δp_r、q_mp和T_pi是常数。这种情况与2.4.1相同。经同样推理可知，采用对数调节阀是这种情况的解答。

（3）调节阀上的压力损失Δp_r的变化 假设ΔQ、T_pi和q_p是常数。这种情况按2.4.1节中推理可知，采用对数调节阀是最佳的解答。

（4）加热物料流量q_mp的变化 假设ΔQ、T_pi和Δp_r是常数，根据b和a的关系式：

可见a和b都是与流量q_mp成反比的。调节对象与干扰q_mp之间的关系是非线性的。当t=0时，根据调节对象的时间响应曲线计算式（2-43），得

对于线性调节阀有dq_m/dh=C，此处C是一个常数。将dq_m/dh=C和a=m/q_mp代入式（2-45），得

上式证明在初始状态，斜率dT/dt不依赖于流量q_mp。这说明在初始阶段，调节对象EA处于过渡状态，对于微小时间t，EA犹如一个线性积分元件。其解为

从这个计算中可知，线性调节阀是要找的答案。它保证对于EA+RR系统有一个近似的线性特性。

从2.4.1节和2.4.2节中分析得出的结果，汇集在表2-4中。这个表中所用的符号与2.4.1节和2.4.2节中相同。利用这个表，按照前面介绍的方法，能够迅速确定各种情况下的最佳固有特性。

表2-4 温度自动调节系统最佳调节阀特性的选择