换热器各通道增益的机理建模计算方法
【专利摘要】本发明涉及一种换热器各通道增益的机理建模计算方法，用于换热器的机理建模，或在系统辨识建模时用于确定换热器各通道增益的取值范围，所述的计算方法基于换热器的工艺过程机理，根据换热器的结构参数及热力参数，计算出各通道的增益。与现有技术相比，本发明具有简单、高效等优点。
【专利说明】
换热器各通道増益的机理建模计算方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种换热器建模技术，尤其是设及一种换热器各通道增益的机理建模 计算方法。
【背景技术】
[0002] 换热器是一种重要的工业设备，在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中 都有广泛应用，其作用在于加热冷介质或冷却热介质至合适的工艺参数。为了设计换热器 控制系统，需要建立换热器的数学模型，各过程通道的增益是换热器数学模型的重要参数。
[0003] 建立换热器动态数学模型的方法通常可W分为两类:机理建模方法和系统辨识方 法。机理建模方法是根据换热器工艺过程所遵循的物理、化学规律，建立其数学模型；系统 辨识方法则将换热器视为一个"黑箱"，根据测量的输入输出数据，按照事先确定的准则在 模型集中选出一个与数据吻合最好的模型。
[0004] 运用系统辨识方法建立换热器的数学模型，解决好W下两个问题十分重要：1)确 定换热器模型的结构;2)确定待估计模型参数的范围。选择合理的模型结构是建立准确的 换热器模型的重要前提;而恰当地确定模型参数的范围，可W显著提高参数估计的精度和 速度。目前，对运两个问题尚缺乏完善的解决方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单、高效的换 热器各通道增益的机理建模计算方法。
[0006] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0007] -种换热器各通道增益的机理建模计算方法，用于换热器的机理建模，或在系统 辨识建模时用于确定换热器各通道增益的取值范围，所述的计算方法基于换热器的工艺过 程机理，根据换热器的结构参数及热力参数，计算出各通道的增益。
[000引所述的换热器的结构参数及热力参数包括:换热面的物性参数、换热面积、换热系 数;冷、热介质的物性参数;换热器的工作点参数，冷、热介质流量及洽值。
[0009] 所述的冷、热介质的物性参数包括定压比热容。
[0010] 该计算方法对换热器的特点作如下限定：
[0011] (1)换热器的冷、热介质均为单相，无相变发生；
[0012] (2)冷、热介质与换热面间的传热方式均为对流换热。
[0013] 所述换热器的工艺过程如附图1所示，该计算方法所设及的过程通道增益KiQ = l，2,3,4,5,6,7,8)、Kj(j = a，b，c，d)的具体含义见表 1 及附图 2。
[0014] 该计算方法具体包括W下步骤：
[0015] 对换热器中的冷介质分别应用质量守恒定律和能量守恒定律可得：
[0016] Dcs, in-Dcs, OUt = O (1)
[0017] Dcs, inHcs, in~Dcs, inHcs, out+Qcs = 〇 (2)
[001引式（1)和式（2)中，D为介质流量，H为介质比洽，Q为换热量；下脚标CS代表冷介质， in代表入口，out代表出口；
[0019] 将式(1)代入式(2)，并将式(2)线性化后得：
[0020] Cp, CS ( Tcs, in-Tcs'out) I 0 A Dcs'in+Cp'csDcs I 0 A Tcs'in+ A Qcs 二 Cp,csDcs|〇ATcs,out (3)
[0021] 式中，Cp为定压比热容，T为溫度;下脚标0代表工作点；
[0022] 进而得到K。的计算公式：
[002；3]
(4.)
[0024]式(2)中的对流换热量根据化Wton冷却公式计算：
[002引 Qcs = OcsA (Tw-Tcs'。ut)巧）
[00%]式中，a为换热系数，A为换热面积;下脚标W代表换热面；
[0027]将式(5)和式(1)代入式(2)，并取换热面溫度Tw不变，将式(2)线性化后得：
[002引 Cp, CS ( Tcs, in-Tcs, out) I 0 A Dcs, in+Cp, csDcs I 0 A Tcs, in = ( Cp, csDcs+a csA) 10 A Tcs, out (6)
[0029] 进而得到Ki和拉的计算公式：
[0030] (7)
[0031] (8)
[0032 ]取换热面溫度Tw不变，将式巧)线性化后得：
[0033] A Qcs = -QcsA A Tcs,out (9)
[0034] 进而得到Ka的计算公式：
[0035]
W)[0036] 对热介质侧做类似推导，得到W下增益的计算公式：
[0037] (11)
[003引 （1苟
[0039] (13)
[0040] (14)
[0041 ] 巧UU生巧U4;甲，h脚称hs代表热介质；
[0042] 根据图2,得到Ks至Ks的计算公式：
[0043] Ks = KiKaKb (15)
[0044] Ks = KsKaKb (16)
[0045] K?=拉 K<iKc (17)
[0046] Ks = K 化化。（18)。
[0047]
[004引与现有技术相比，本发明主要基于换热器的工艺过程机理，根据换热器的结构参 数及热力参数，即可计算出各通道的增益，计算结果对于确定换热器各通道增益的范围具 有较强的指导作用和实用价值。
【附图说明】
[0049] 图1为换热器工艺过程示意图；
[0050] 图2为换热器各通道增益计算关系图。
【具体实施方式】
[0051 ]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0052] 实施例
[0053] 换热器的工艺过程如图1所示，冷、热介质分别流过换热器的不同通道，同时通过 换热面进行热量交换。换热器工艺的目的，或者是利用热介质加热冷介质，或者是利用冷介 质冷却热介质。对所考虑的换热器的特点作如下限定：
[0054] (1)换热器的冷、热介质均为单相，无相变发生。
[0055] (2)冷、热介质与换热面间的传热方式均为对流换热。
[0056] 表1列出了换热器主要的过程通道。从换热器的工艺过程机理出发，根据换热器的 结构参数和热力参数，可W计算出运些通道的增益。图2给出了各通道增益的计算关系图。
[0化7] 亲1
[0化8;
[0059] 本发明提出了一个换热器各过程通道增益的计算方法，该方法的具体实施步骤 为：
[0060] 获取换热器的结构参数及热力参数。所需参数主要有:换热面的物性参数、换热面 积、换热系数;冷、热介质的物性参数，如定压比热容;换热器的工作点参数，冷、热介质流量 及洽值，等。
[0061] 根据式(4)、式(7)、式(8)、式(10)及式(11)至式(18)，计算出换热器各过程通道的 增益 KiQ = I, 2,3,4,5,6,7,8)。
【主权项】
1. 一种换热器各通道增益的机理建模计算方法，用于换热器的机理建模，或在系统辨 识建模时用于确定换热器各通道增益的取值范围，其特征在于，所述的计算方法基于换热 器的工艺过程机理，根据换热器的结构参数及热力参数，计算出各通道的增益。2. 根据权利要求1所述的一种换热器各通道增益的机理建模计算方法，其特征在于，所 述的换热器的结构参数及热力参数包括:换热面的物性参数、换热面积、换热系数;冷、热介 质的物性参数;换热器的工作点参数，冷、热介质流量及洽值。3. 根据权利要求2所述的一种换热器各通道增益的机理建模计算方法，其特征在于，所 述的冷、热介质的物性参数包括定压比热容。4. 根据权利要求1所述的一种换热器各通道增益的机理建模计算方法，其特征在于，该 计算方法对换热器的特点作如下限定： (1) 换热器的冷、热介质均为单相，无相变发生； (2) 冷、热介质与换热面间的传热方式均为对流换热。5. 根据权利要求1所述的一种换热器各通道增益的机理建模计算方法，其特征在于，该 计算方法具体包括以下步骤： 对换热器中的冷介质分别应用质量守恒定律和能量守恒定律可得： Dcs, in-Dcs, out - 0 ( 1 ) Dcs，inHcs，in_Dcs，inHcs，out+Qcs - 0 ( 2 ) 式（1)和式(2)中，D为介质流量，H为介质比焓，Q为换热量;下脚标cs代表冷介质，in代 表入口，out代表出口； 将式(1)代入式(2)，并将式(2)线性化后得： Cp，cs ( Tcs, in_Tcs,out) | 0 Δ Dcs, in+Cp, csDcs | 0 Δ Tcs, in+ Δ Qcs - Cp,csDcs | 0 Δ Tcs,out ( 3 ) 式中，心为定压比热容，T为温度;下脚标0代表工作点； 进而得到K。的计算公式：(4) 式(2)中的对流换热量根据Newton冷却公式计算： Qcs一ClcsA(Tw-Tcs, out) (5) 式中，α为换热系数，A为换热面积;下脚标w代表换热面； 将式(5)和式(1)代入式(2)，并取换热面温度Tw不变，将式⑵线性化后得： Cp，cs ( Tcs, in_Tcs, out) | 0 Δ Dcs, in+Cp, csDcs | 0 Δ Tcs, in - ( Cp, csDcs+ClcsA ) | 0 Δ Tcs, out ( 6 ) 进而得到Kl和K2的计算公式：取换热面温度Iw不变，将式(5)线性化后得： A Qcs - -QcsA Δ Tcs,〇ut (9) 进而得到1的计算公式：(U)) 对热介质侧做类似推导，得到以下增益的计算公式：式(11)至式(14)中，下脚标hs代表热介质； 得到K5至Ks的计算公式： K5 = KlKaKb (15) K6 = K2KaKb (16) K7 = K3KdKc (17) K8 = K4KdKc (18)〇
【文档编号】G06F17/50GK105956329SQ201610369509
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】康英伟, 归数, 归一数, 杨平, 陈欢乐, 李芹, 王松, 于会群, 王念龙, 徐春梅, 吴周晶, 余洁, 张经纬
【申请人】上海电力学院, 上海明华电力技术工程有限公司