快速式换热器的传热与流动特性和温度控制技术

论文摘要

快速式换热器能够对由于流体流量的变化导致的流体温度变化进行快速调节而保持在设定的温度范围内。与普通换热器不同,快速式换热器不是单一的换热器,而是一个由基于前馈控制原理的温度控制阀和热交换器所组成的换热系统。由于快速式换热器具有体积小、重量轻、安装方便、占地面积小、无需常用的感温装置、反应速度快、节约能源等优点,广泛应用于石化、采暖、制冷空调、洗浴、生产及生活热水供应等系统中,是宾馆饭店、办公楼、小区、企业等部门常用的换热设备之一。快速式换热器的核心部件—温度调节混合阀是采用前馈式控制原理对温度进行控制的。它使用一种带有压差感应装置的混合阀替代传统的温度控制阀和温度传感器来实现温度的自动控制。在使用过程中通过感应混合阀出口的压力来调节冷、热水的流量,通过调节冷、热水的混合比对出口水的温度进行调节,无温度响应的时间延迟。因而能够快速的满足温度调节的要求,并具有较高的温度调节精度。本文的主要目的是对快速式换热器的传热和流动特性进行研究,并探讨螺旋管换热器的曲率比、倾斜度等参数对换热器传热和流动特性的影响。采用传热有效度一传热单元数(ε—NTU)的方法建立了快速式换热器的传热和流动数学模型,通过MATLAB的SIMULINK建立了相应的仿真模型,对传热和流动模型进行模拟分析,得到了换热器的出口温度和压降随流量的变化关系以及热水温度和压降随流量及进入混合阀的冷、热水混合比的变化关系,并进一步分析了快速式换热器的传热特性。快速式换热器模拟分析的结果表明,在水需求负荷保持一定和发生变化时,换热器出口混合水的温度随着进入换热器的冷水流量及进入混合阀的冷、热水的流量和混合比之间具有确定的函数变化关系。对换热器流动特性的分析表明,混合阀进出口的压降与进入换热器的冷水流量之间具有确定的函数变化关系。因此,得到了换热器出口混合水的温度与质量流量和混合阀进出口压降之间的函数关系。当水的需求量(负荷)发生变化或进入换热器的水流量变化而使快速式换热器的混合水温偏离设定值时,可以通过混合阀进出口的压降变化对流量进行自动调节,从而实现对混合水温度的快速自动调节。研究结果表明,基于前馈原理的换热器温度控制技术可以实现流体混合温度的快速自动调节。本文为快速式换热器的传热和流动特性及温度控制技术提供了一种比较实用有效的分析方法,为快速式换热器的优化设计分析与安全经济运行提供了基本数据和分析依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究的现状
• 1.3 MATLAB/SIMULINK的简介
• 1.3.1 SIMULINK模块库
• 1.3.2 SIMULINK工作原理
• 1.4 本课题研究的内容
• 第二章 快速式换热器的基本结构和工作原理
• 2.1 快速式换热器的基本结构
• 2.1.1 螺旋管式换热器
• 2.1.2 温度调节混合阀
• 2.2 快速式换热器工作原理
• 2.3 快速式换热器的温度控制
• 2.3.1 换热器温度控制分析
• 2.3.2 前馈式温度控制原理
• 2.4 前馈式快速换热器的特点
• 第三章 快速式换热器的数学模型
• 3.1 数学模型的提出
• 3.2 模型分析
• 3.2.1 几何分析
• 3.2.2 传热分析
• 3.2.3 流动阻力分析
• 3.3 模型建立
• 3.3.1 ε-NTU模型
• 3.3.2 快速式换热器的传热
• 3.3.2.1 换热器出口温度
• 3.3.2.2 混合热水的温度
• 3.3.3 快速式换热器的流动阻力
• 3.3.3.1 换热器的流动阻力
• 3.3.3.2 混合阀的流动阻力
• 第四章 仿真模型与结果
• 4.1 快速式换热器仿真模型的建立
• 4.1.1 SIMULINK模块
• 4.1.2 传热模型
• 4.1.3 流动模型
• 4.2 仿真结果与分析
• 4.2.1 输入输出设计
• 4.2.2 仿真参数的确定
• 4.2.3 仿真结果与分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表