CN100403201C - 温度控制系统 - Google Patents

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CN100403201C CNB028195221A CN02819522A CN100403201C CN 100403201 C CN100403201 C CN 100403201C CN B028195221 A CNB028195221 A CN B028195221A CN 02819522 A CN02819522 A CN 02819522A CN 100403201 C CN100403201 C CN 100403201C
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Abstract

提供温度控制装置，其采用含有流动传热流体的可变面积控制元件。通过开启和关闭级联形式的导管组改变用于温度控制的元件面积，并且导管的开启和关闭依据温度受控介质中的温度测量装置进行。

Description

温度控制系统
本发明涉及温度控制系统。本发明更具体地涉及提供了改进温度控制的系统，其产生更快速更精确的温度控制并因此使很多工业操作更精确并节约能量。
温度控制广泛用于从工业反应到空气调节再到加热和冷却系统的操作中。尽管所有这些操作都需要高能耗并且节能对其有益，但某些操作需要比其它操作更加精确的控制。大多数系统依赖于用来自温度受控介质的信号激活传热系统，此响应根据介质需要使传热元件操作或不操作。很多情况下，传热元件包括传热流体流过其中的导管。
现有系统的缺点在于，除有限的操作范围以外，系统对温度变化的响应不精确，经常动作迟缓而且分辨率低。这趋向于产生没有温度控制最佳程度的曲折而且不规律的温度分布。
在捷克斯洛伐克化学通讯选集(Collection Czechoslovak Chem.Comm.)(第47卷)(1982)第446至第453页的文章中，建议采用一种将一个可伸缩冷却器浸入反应混合物中的可变面积冷却表面。在反应混合物中引入冷却器用以增加冷却效果，而从混合物中缩回将导致冷却效果降低。该文章表明这一技术在某种程度上降低了反应混合物冷却或加热时的温度波动和不规则。采用这一设计难以在传热流体中产生湍流，而且还需要复杂的装置以在确保反应容器绝热并防止反应化合物泄漏的同时保证冷却元件的移动。
美国专利5,762,879涉及一种热交换面积可调节的反应热量控制机构。在美国专利5,762,879中通过改变传热流体在环绕反应器的外层温度控制夹套中的高度而进行调节。以这种方法控制传热面积需要稳定的表面，这与保持传热流体高流动和高湍流的需要矛盾。这导致控制响应迟缓和传热容量降低。
温度控制的质量取决于传热表面的温度能多快地上升和下降。而这又取决于热量流动阻力、热梯度以及传热流体能够多快地传送至传热表面。
目前我们已经研制出能够改进上述因素并克服早期系统的问题的温度控制系统。
在我们的专利申请PCT/EP02/04651，PCT/EP02/04646，PCT/EP02/04650和PCT/EP02/04648中，我们描述了用于监测和控制物理和化学反应的改进系统。这些系统涉及改进监视反应的量热数据的获取，和用所述量热数据控制反应。我们已经发现英国专利申请中的某些技术可被修改并用于在宽领域内提供改进的温度控制。
因此本发明提供一种采用含有可变面积传热流体的控制元件的温度控制系统，其中传热元件的有效面积的改变通过开启和关闭以级联(in acascade)形式通过温度受控介质的导管组进行，从而允许或者阻止传热流体流入导管组，其中导管组的开启和/或关闭根据来自于温度受控介质中的温度测量装置的信号进行。
本发明的系统允许对温度变化快速反应并且使传热表面的温度能够快速升高或降低。影响传热速率的因素是：
i)传热流体的湍动程度。高的湍动程度降低了传热流体在传热表面的滞留层厚度(工作侧边界层)。这产生热流动阻力较低的薄边界层。因此，为了得到低边界层阻力我们的系统采用高的传热流体速度。
ii)传热流体向传热表面的输送。为了良好的温度控制，导管中的传热流体应尽可能快地进行更换。通过用新流体的活塞流代替热交换器中的流体获得最佳响应。活塞流移动得越快，响应就越快。
iii)在变化的热负荷下保持工艺流体和工作流体之间高的热梯度。高的热梯度在传热表面上产生高的温度变化速率。本发明能够通过减少传热面积而在热负荷降低的情况下保持高的热梯度。作为示例参见下表中的两个热交换器：
  性能   热交换器A   热交换器B
  表面积   1m<sup>2</sup>   0.1m<sup>2</sup>
  传热系数   1kW·m<sup>-2</sup>·K<sup>-1</sup>   1kW·m<sup>-2</sup>·K<sup>-1</sup>
  热梯度   10℃   100℃
  热负荷   10kW   10kW
假设热负荷变为11kW，则随着系统调节到新的设定点热交换器A的温度过调1℃。这说明超负荷为1kW。为达到相同的1kW超热负荷，热交换器B将过调10℃。但由于其表面温度的变化速率更高(归因于更高的传热表面和传热流体之间的温度梯度)热交换器B的加热速率将快得多。因此温度梯度更高的较小热交换器将产生更快速的控制响应。
尽管任何形式的导管均可用于热交换器，但优选为导管或盘管，下面将相对于盘管或盘管组描述本发明。
为了高效操作，温度控制系统应具有下述特征：
a.优选在传热流体和需控温介质之间保持高温差。
b.传热流体必须总是以合理的速度流动。速度可根据盘管尺寸和条件而改变但优选其大于0.1m/s，更优选大于1m/s。较低的速度将产生较慢的温度控制响应。
c.当用于间歇工艺或者多目的任务时传热系统应该能够在宽能量释放/吸收比值范围内稳定操作。范围会根据反应本质变化。在间歇反应的情况下要求非常宽的操作范围。
热交换器由多个元件组成。每个元件典型地包括一个导管或者盘管。下面是计算单个传热盘管元件尺寸的一种简化方法：
第一步是用载热量Q(以W表示)来为已知热交换器确定公称尺寸。例如可为一个单独的盘管选择100W的公称容量。
下一步是选择传热流体通过导管的公称温降。传热流体的高温降与导管中低的流体热质量相关，这是理想的(因为它将在串联系统中的盘管关闭时快速损失热量)。例如，传热流体的公称温降可以是1℃。
因此传热流体的质量流率可由下式计算：
Q＝m·Cp·(tsi-tso)
其中：Q为公称热负荷(如本实施例中的100W)
m为传热流体的质量流量(kg·s-1)
Cp为传热流体的比热容(kJ·kg-1·K-1)
(tsi-tso)为流入的传热流体温度变化(如本实施例中的1℃)
下一步是确定导管直径。为此，直径应选择使其得到一个可接受的压降。优选高的压降因为它们同湍流以及快速控制响应联系在一起。传热流体流量m(kg·s-1)能从流率对压降的曲线估计得到。实际中这一步骤需要将是迭代的，因为该阶段中真正的长度(以及由此产生的总压降)未知而且必须使用假设值。
下一步是利用下式确定盘管面积：
Q＝U·A·LMTD
其中：Q为公称工艺负荷(本实施例中为100W)
U为总传热系数(W·m-2·K-1)
A为传热面积(m2)
LMTD为工艺流体和传热流体之间的对数平均温差(K)
总传热系数(U)可由测量数据计算或获得。
LMTD由下式计算：
LMTD＝[(Tp-tsi)-(Tp-tso)]/ln[(Tp-tsi)/(Tp-tso)]
其中，Tp为工艺温度
Tsi为传热流体入口温度
Tso为传热流体出口温度
已知盘管的面积和直径能够用简单的几何学计算出长度。此时应该对照真实的长度核对压降。如果压降过高或过低，应选择新的管径并再次计算。
然后此信息可用于确定单个盘管最佳的直径对长度的关系，从而实现高湍流而不致引起传热流体通过热交换器的过度压降(如高的雷诺数所示)。本发明的系统优选：
a.传热流体的线速度必须合理地高(优选＞0.1m·s-1)以保持令人满意的控制响应和良好的总传热系数。
b.传热流体通过盘管流动的压降为0.1～20bar。
实际上，最优的盘管长度将根据所采用的温差和系统的热力学和物理学特性而变化。计算最优盘管长度是一个迭代过程。将采用以低热导率流体为基础的保守数据以及反应流体与传热流体间的低温差来确定通用设备的尺寸。每个盘管将具有一个有限的操作范围。
在优选系统中，传热设备能够在宽能量释放范围内稳定操作，此系统应使得传热面积可根据特定负荷的需要而改变。这可方便地通过如下方式完成：提供多个传热导管，每个导管具有设计的直径和长度关系以提供确定程度的传热。在优选的多管系统中，根据系统指令的需要可以将盘管投入或者停止操作。
本发明的系统可参考附图所示的化学反应器进行说明，其中附图1是带有单一传热盘管(特定直径)反应容器的简要说明。附图2是带有三个传热盘管以提供可变传热的对比反应器的简要说明。
附图1是反应器(1)的简要说明，它含有工艺流体(2)和三米长的冷却盘管(3)。该系统能够通过改变传热流体的流速而将温度控制在能量释放速率为72～260W。
附图2中的反应器具有最高为780W的改进范围。通过添加两个另外的盘管(4)和(5)增加了多用性。一个盘管操作时可控制系统使其热量产出为72-260W范围(如图1中的反应器)。三个盘管全部操作时(公称最大流量下)可高精确地控制系统使其热量产出高达780W。
正常操作中用一个流动调节阀增加传热流体到盘管(或盘管组)的流动。当新盘管接通以容纳上升的负荷时，调节阀将调节流量以保证平稳过渡到更高流动。这要求对系统压降的逐步改变作出快速流量控制响应。为了在操作条件和宽操作条件之间提供平稳过渡，大量盘管是合乎需要的。我们的PCT申请PCT/EP02/09806中记载的多口流动控制阀尤为有用。
仪表是本发明系统成功操作的关键方面。必须用精确而灵敏的仪表来测量温度和传热流体的流动速率。仪表必须在宽流量范围内操作，这可通过将盘管系统分成由支管操作的单独模块而实现。这使得能够根据系统的需要将不同的盘管投入或脱离操作。
快速和精确的温度测量是一项关键的性能要求。为达到此要求，温度元件适宜安装在流体湍动程度高的地方。
在优选的工艺中，除了恒定地测量经过其全部范围的工艺并提供所需的安全联锁的标准工艺温度传送器外，还提供第二对温度元件以监测特定的工艺设定点。此布置使用两种不同类型的测量元件。主要设备优选为RTD，4导线Pt100RTD到1/10thDIN标准尤为合适。将用于提供4-20mA输出信号的传送器跨至传送器允许的最小值(同样地任何输出信号类型或温度量程均可使用)。温度传送器特别地在工艺设定点进行校准。更大的范围仍将给出可接受的结果，但是将量程降低到可能的最小值能提供改进的精度和分辨率。因此这一布置将提供一种工艺温度测量的特别精确措施。
温度测量系统的元件是与液体接触的设备的一部分。就RTD而言其电阻随变化的温度而变化。RTD的响应不是线性的。传送器是测量设备的校准部分，而且它用以将输出给控制系统的信号线性化并将信号转换成工业标准，通常为4-20mA，但也可为1-5V或0-10V。热电偶对温度变化的响应是变化的电压。通常为毫伏每℃。热电偶传送器再次将此信号转换为工业标准，该标准还是通常为4-20mA。因此术语“元件”用于描述工艺中的物理机械存在，例如温度元件位于反应器中并测量反应器内容物温度。术语“传送器”用于描述涉及控制系统的温度测量方面，例如温度传送器校准0-100℃并显示反应器的内容物温度。
任何RTD的局限都是其对温度逐步变化的响应速度。典型地，对RTD而言测量温度变化需要四或五秒的时间。另一方面，热电偶能够更快速地对温度波动作出响应。因为这个原因热电偶也用于监测工艺设定点，T型热电偶尤为适合。其传送器可近似地归入RTD。然而，由于T型热电偶的精度仅为±1℃，它不用于监测工艺温度。它的功能是监测工艺温度的变化速率。
这两种不同类型传感元件的联合使用提供了一种不但精确而且灵敏的温度控制系统。应当注意到并非所有的工艺操作都要求如此的温度测量精度和控制水平。这样的情况下，更基本的温度控制和测量系统经证明是容许的。
为了充分利用这一双元件方案，采用常规软件测定在任何一种及时情况下哪个工艺变量(温度或温度变化速率)是最显著的。
例如，常规的反应器具有固定面积的传热表面(或临时的数个元件，例如底部盘或壁上的单独部分)。当流往夹套(或盘管)的传热流体流量高而且恒定时，反应器运行最有效。通过改变传热流体温度来控制工艺温度。在用于化学和物理反应的本发明优选系统中，传热表面的面积可以根据反应的需要而改变(尽管也可以采用传热流体温度的变化)。
采用可变面积传热表面的一种适用于传热流体控制的典型控制布置表示在附图3中。在附图3中，阀门(16)和(17)是调节传热流体到传热盘管流量的控制阀。它们开启的程度由来自于反应器(或容器)的温度输出测量值确定。当工艺空转时，阀门(18)开启并允许足够的流量以补偿来自搅拌器的热量增益。当负荷施加到工艺时，阀门(16)开启以允许更多传热流体的流动。当阀门(16)在预设定点以上开启时(或当流量规定时)，阀门(19)将开启而阀门(16)将稍微关闭以进行补偿。当阀门(16)接近其控制范围的顶端时，由阀门(17)接替。当阀门(17)逐渐开启时，阀门(18)-(24)以串联方式开启。
将传热流体在恒定压力和温度下施加到控制设备。在某些需要扩大操作范围的情况下温度也可以改变。
热量在工艺流体和传热流体之间传递的速率由总传热系数(U)确定(部分地)。U值越大，所需传热面积越小。可从三个部分计算U值。
通过工艺流体边界层的传热阻力。
通过盘管壁的传热阻力。
通过传热流体边界层的传热阻力。
边界层是液体或者盘管壁一侧的停滞层。搅拌(或液体流动)得越快边界层越薄。因此高流体速度产生更好的传热。具有良好热导率的液体也产生通过边界层的更好传热。
除了(与边界层不同)热量必须进行传导的距离是固定的以外，通过导管壁的机理相似。具有高热导率的盘管材料可实现更高的传热速率。盘管材料薄时也可实现更高的传热速率。
因此一个高的U值既要求薄盘管材料(具有高的热导率)还要求在两种液体中的湍流条件(越湍流越好)。U值越高传热所需面积越小。这意味着更短的传热盘管。
因此优选在不危及机械强度和耐腐蚀性的条件下使用尽可能最薄壁的盘管。典型的壁厚为1/2～4mm。
制造盘管的材料并不苛刻但它们必须对表面受控而且具有高热导率的介质为惰性。
仅仅为了说明的目的，下述实施例表示出传热盘管的尺寸确定。
实施例1说明诸如附图1所用的单个传热盘管的尺寸确定。实施例2和3说明多个传热盘管系统的尺寸确定和应用。这两个实施例还采用同样提供量热数据的附加特征。
这些实施例中，所用的某些数字是任选的而且仅选择用于说明的目的。实施例说明发生放热反应的间歇反应器的盘管尺寸确定。其中，理论反应物A与产物B反应生成新化合物C如下：
A+B→C
其中A为A的kg数
B为B的kg数
C为C的kg数
放热量ΔHr如下：
ΔHrc＝1,000(kJ/kgc)    (1)
间歇反应器预填充入化合物B。缓慢加入组分A(或两种组分以所需比例连续泵送通过反应器)。考虑到本实施例的目的，假定这是一个快速反应而且组分B在与A接触时立即发生反应。放热量因此与(A的)添加速率成比例。如果假设加入速率满足生成0.001kg/s的C，则
反应器的热负荷(q)＝0.001×1000＝1kW
还假设反应在恒温下进行，使得流体的热负荷也是1kW。
附图4是一个例如附图1的盘管(3)的典型加热/冷却盘管在工艺流体(2)中的截面的简要说明，其中传热流体(25)流过该截面。边界层以(26)表示，而且正是通过确保传热单元中的湍流流动才将该边界层保持为尽可能薄。
实施例1
传热盘管(3)控制工艺温度。传热流体和工艺流体之间的温差应尽可能地高，但不能高到沸腾、燃烧或者导管表面结冰的程度。假设工艺介质温度为30℃(tp)。并假设工作流体流入系统的最低温度为5℃(以防止外表面结冰)。这样工作流体的入口温度(tsi)为5℃并且出口温度(tso)为15℃。[因为(tsi-tso)是10℃]
一旦(tsi-tso)选定，传热流体的质量可如下确定：
m＝q/Cp(tsi-tso)    (1)
其中，m为传热流体的质量流量(kg/s)
q为传热流体引起的热量增益＝1(kW)(在此实施例中1kW为反应热)
Cp为传热流体的比热容＝1.6kJ·kg-1·K-1(基于合成传热流体的选择)
tsi-tso为传热流体的温度变化(选择为10℃)
因此由公式(1)，质量流量(m)＝1/1.6×10＝0.0625kg/s
假定传热流体的密度＝840kg/m3
因此流体的体积流量(W)＝0.0625/840＝0.000074m3/s
盘管几何形状和传热流体的速度的优化是一个迭代过程。传热流体通过换热器盘管的低速度引起差的控制和测量响应。低速度还导致大的传热流体热质量对热负荷比例。这趋向于放大温度测量的任何误差。高的液体速度是理想的，因为它可以产生更快的控制响应以及更好的热质量对热负荷比例。然而当速度增加时通过盘管的压降也更高。
因此，最佳盘管应该最够长以提供合适的传热面积而不致引起过度的压降。如果直径太小压降将过高(因为高的液体速度和长的管长度)。如果直径太大液体速度将过低。
本实施例中，为了第一次迭代进行基于4mm直径管的初始计算如下：
当0.000074m3/s的流量通过4mm内径管时，传热流体的压降经计算为1.24bar/m(基于合成传热流体)。
由如下关系式计算管的长度
L＝A/πD(m)
其中L为管长度(m)
A为管子的表面积(m2)
D为管直径为0.004(m)
π＝3.1416
控制反应所需的表面积(A)由管的传热容量确定如下：
A＝q/U·LMTD(m2)
其中A＝管子表面积(m2)
U＝总传热系数＝0.730(kW·m-2·K-1)(对于有机工艺流体和合成油传热流体的估计值)
LMTD为[(Tp-tsi)-(Tp-tso)]/ln(Tp-tsi)/(Tp-tso)](℃)(工艺流体和工作流体之间的对数平均温差)
以及Tp＝30
tsi＝5
tso＝15
因此LMTD＝19.6(℃)
因此A＝1/(0.730×19.6)＝0.07m2(m2)
因此L＝0.07/(3.1416×0.004)＝5.6(m)
通过管线的压降＝5.6×1.24＝6.9bar
也可采用连续公式计算线速度如下：
V＝W/A
其中V为线速度(m/s)
W为体积流率(m3/s)
A为管的横截面积(m2)
因此V＝0.000074/(π×0.0042/4)＝5.9(m/s)
计算结果示于下表1。
表1
  盘管负荷   1kW
  管直径   4mm
  液体流量   0.074l/s
  液体流速   5.9m/s
  管长度   5.6m
  压降   6.9bar
上表表明，尽管4mm直径盘管能够在产生1kW热量的反应中操作，其操作的代价却是(传热流体)非常高的压降。超过1kW的工艺负荷的一个小增加将要求甚至更高的流速和更长的盘管，而这将导致不可接受的高压降。因此，在仅是为了说明而选择的条件下，1kW负荷下的4mm管是其操作范围的顶端。
因此选择5mm内径的更大管直径进行第二次迭代。
当0.000074m3/s流量通过5mm内径管时，传热流体的压降为0.42bar/m(以一种标准压降计算用的合成传热流体为基础)。
再次根据如下关系式计算管长度
L＝A/πD
其中L＝管长度＝(m)
A＝管子的表面积(m2)
D＝管直径＝0.005(m)
π＝3.1416
利用与第一次迭代相同的公式由管的传热容量确定所需面积(A)
A＝q/U LMTD(m2)
然而采用5mm盘管时，(注意到在此情况下U值更低(0.66kW.m-2.K-1)，这是因为工作流体速度的降低(它产生更高的工作侧边界层阻力)
A＝1/(0.66×19.6)＝0.077m2
L＝0.077/(3.1416×0.005)＝4.9m
通过管线的压降＝4.9×0.42＝2.1bar
新的速度也计算如下：因此V＝0.000074/(π×0.0052/4)＝3.8(m/s)
第二次计算的结果示于表2。
表2
  盘管负荷   1kW
  管直径   5mm
  液体流量   0.074l/s
  液体流速   3.8m/s
  管长度   4.9m
  压降   2.1bar
因此5mm直径盘管提供了良好的线速度和适当的压降。因此这一盘管可用在基于本实施例目的而采用的反应温度控制中。速度也远大于最小优选数值(1m/s)。
为了实际应用，传热盘管需要在宽范围条件下操作而不是局限于一个特定的传热速率。表3表示出5mm直径盘管在各种条件下的性能(采用有机工艺流体和合成传热流体)。表格中的常数为通过盘管流动的传热流体温度变化(tsi-tso)总是10℃。
表3
5mm
Figure C0281952200161
盘管的计算盘管长度
  压降   热容量   流量   速度   LMTD5℃   LMTD10℃   LMTD15℃   LMTD20℃   LMTD25℃
  (bar/m)   (W)   (l/s)   m/s   (m)   (m)   (m)   (m)   (m)
  0.1   457   0.033   1.7   8.9   4.4   2.9   2.2   1.8
  0.25   761   0.055   2.8   12.4   6.2   4.2   3.0   2.5
  0.50   1121   0.081   4.1   17.2   8.6   5.7   4.3   3.5
  0.75   1439   0.104   5.3   20.8   10.4   6.9   5.2   4.2
  1.00   1660   0.120   6.1   23.6   11.8   7.9   5.9   4.8
表3中的第1列表示给定流量时通过盘管的压降(每米盘管)。第2列给出基于10℃温度变化的盘管加热或冷却容量。第3列和第4列给出液体的体积流量和速度。最后5列给出所引用LMTD值要求的最小盘管长度。在这些列顶部所引用的LMTD温度数值表示传热流体和工艺流体之间的对数平均温差。
从表3可以看出，不同盘管长度的使用取决于工艺热负荷和工艺流体和工作流体之间的对数平均温差。表3表明大温差有利，因为它要求较短的盘管长度。
从表3可以看出，良好的通用盘管长度为5.9米。它能够服务于表3所设想的任何要求盘管长度为5.9米或更小的负荷。在工艺流体和传热流体之间的温差至少为20℃的条件下它适用于1.66kW的工艺负荷。这些条件下通过盘管的压降将为5.9bar。
盘管还在低至0.46kW的热负荷下提供了适当的传热面积和合理的控制响应。虽然低速度可以容许，但控制系统变得更加缓慢而且流量低。低速度还导致(传热流体)热质量对热负荷的大比值。这趋向于放大温度测量的任何误差。高的液体速度因此是理想的，因为它可以产生更快的控制响应以及更好的热质量对热负荷比例。然而当速度增加时通过盘管的压降也更高。
由于上面指出的原因，高传热流体速度总体上是理想的。然而非常高的压降也从湍流和摩擦引入更大的能量。而且在流体能够多快地通过导管进行泵送方面也存在实际的装备限制。实施例1的单盘管系统虽然有用但有其局限性。
正如表1所说明的，单个盘管具有最佳操作范围。尽管它能够控制宽范围的传热速率，它也有其自身的局限。如表3所示，在大于1121W的传热速率下，由于需要更长的导管以及更高的每米管长度压降，通过盘管的压降迅速增加。
单个盘管的局限可说明如下：
采用10℃LMTD(工艺流体和工作流体之间的对数平均温差)操作的6.2m长盘管的公称操作范围为457-1121W。在最大负荷下，通过盘管的压降为1.55bar。如果将此盘管在相同条件下用于1660W热负荷，它必须11.8米长而且相应的压降将为11.8bar。如果相同的条件下LMTD降至5℃，则管子需23.6米长而且产生的压降为23.6bar。
尽管可以通过改变入口温度(tsi)而增加盘管范围，局限仍然存在。如果温差(tsi-tso)减小，系统将由于温度测量设备的限制而变得逐渐较不精确。如果温差(tsi-tso)增加过大，就存在冻结工艺流体(或者热量由工艺流体吸收的情况下的表面沸腾或热损害)的危险。
尽管工作流体流量和供应温度是两个均可变化以改变操作范围的参数，可靠的控制方法倾向于每次使用一个控制参数(以及在需要的时候改成另一个的步骤)。
实施例1中说明的5mm直径盘管给出大约2.5(1121/457)的调节因子(turn down ratio)。如果经过盘管的温差(tsi-tso)从10℃增加到20℃，调节因子将增加到5。增加系统操作范围的一个可选方法是采用能提供可变传热面积的级联方式的多个盘管。此系统说明如下。
实施例2
实施例2说明了采用诸如附图2所说明的多盘管系统的可变面积传热系统的设计。
实施例2提出一个事实：可能需要用反应器来处理放热量为500-15,000W范围的放热反应。此数值范围超出了实施例1所说明的单传热盘管系统的操作能力。但是，这样的反应器却可通过以串联形式使用本实施例所说明的多个盘管(本实施例中采用各长11.8m的相同盘管)而进行有效的操作。当一个盘管用于1.7m/s的传热流体操作时，457W热负荷将产生10℃的工作流体温度升高(tsi-tso)。如果相同条件下传热流体的速度增加到6.1m/s，则容量增加到1,660W(参见表3)。如果在最大流量下采用两个盘管，容量为3,320W。通过以这种方式增加盘管可以测量甚至更大的热负荷。例如，如果在最大流量下使用十个盘管，容量为16,600W。该系统因此提供大约36(16,600/457)的调节因子。因此，通过改变流体流速和盘管数目，可以在宽范围内高精确地测量热容量。
迄今为止所描述的设备具有最高为36的调节容量。实际上，1000或更大的调节因子是理想的。这对需要精确识别终点的间歇反应很重要。换句话说，高调节因子可用于从间歇向连续操作切换的工艺操作中。其它情况下，设备的相同部分可用于宽变化能量释放(或吸收)速率的多种应用。虽然先前描述的设备已有广泛的应用，但由于其需要不实际的盘管数目，它在上述应用类型中有其自身的局限性。因此本发明的一个可选实施方案采用多个盘管来改变可变传热面积，如表3所示。
实施例3
表4给出具有不同直径和长度的一系列盘管的传热容量。
表4
  盘管直径   盘管长度范围   操作范围
  (mm)   (m)   (W)
  1   0.13-0.6   4-22
  2   0.9-2.3   40-141
  3   1.9-4.7   118-429
  4   3.0-7.8   249-913
  5   4.4-11.8   457-1660
为达到操作范围，如同实施例1和2一样，LMTD取为10℃而且(tsi-tso)取为10℃。表4第2列和第3列所给出的范围端值表示传热流体最小和最大流量的计算值。最小流量导致0.1bar m-1的(工作流体)压降而最大流量导致1bar m-1的(工作流体)压降。
盘管直径和长度的结合提供了调节因子非常高的系统。例如六个盘管的反应器可以设计为在低至4W并且高达5000W下操作。表5表示不同直径的六个盘管的累积容量。
表5
  盘管数目   盘管直径   盘管范围   积累范围
  (mm)   (W)   (W)
  1   1mm   4-22   4-22
  2   1mm   4-22   4-44
  3   2mm   40-141   4-185
  4   3mm   118-429   4-614
  5   5mm   457-1660   4-2274
  6   5mm   457-1660   4-3934
各盘管的尺寸确定为表4所示的最大长度。六个盘管的公称调节因子为984。
当单个1mm直径盘管操作时，如果(tsi-tso)逐步降到5℃公称调节因子增加到1967(2-3934W)。
当所有盘管均在操作时，如果(tsi-tso)逐步升到20℃公称调节因子增加到3934(2-7868W)。
虽然盘管尺寸确定和系统操作是相对于反应温度进行的说明，但它们同样适用于任何温度控制系统。
上面引用的实施例是可变面积的相对粗糙的近似。尽管它们使用可变面积，它们仍然发挥了常规流动/温度控制体系的变化程度。实际上，传热盘管增加的步骤越小，系统就越接近于真正的可变面积装置。真正的可变面积装置的优点在于光滑简单的控制、小的单个盘管热惯性以及良好的在全部操作范围内的热梯度。常规的操作阀随盘管增加数目的变大而变得非常复杂。基于此原因，附图5所示的阀门提供了一种用一个致动器控制大量盘管的高效装置。本发明温度控制系统的导管的开启和闭合可以由我们于2001年8月31日提出的专利申请PAAMBA096中记载的阀门系统控制，该阀门系统提供了一个控制流体向串联形式的两个或多个导管输送的阀门，阀门具有以串联形式操作的多出口阀口，所述出口阀口的开启和关闭根据表示导管中流体需要的信号进行。
上述阀门可以设计从而为其每一个多出口阀口提供与常规控制阀相同的控制特性，而且同样地，上述阀门可用于以单个多阀口流动阀门取代多个常规阀门，其中的单个多阀口流动阀门具有一个单个的激活装置，该装置仅需要一个控制信号，这与多端阀门和致动器以及每个控制阀门至少一个控制信号的情况相反。
多阀口流动阀因此可以构建为以线性或以旋转动作操作。出口阀口的数目依赖于需要单独控制的单独流动数量。在附图3、6所示的实施例中表示出了传热盘管之间的连接，但本发明的阀门可设计用于任何盘管数量。通过调节多阀口流动控制阀可以改变反应器内的有效传热面积。这一类型阀门上出口阀口的最大数量仅受结构的物理约束所限。
附图5示出一个可用于本发明的多阀口流动控制阀，其中(27)是传热流体入口，(28～33)是出口阀口，(34)是充填器(plunger)。图中示出当出口阀口(28)开启，出口阀口(29)部分开启而出口阀口(30-33)关闭时的充填器位置。(35)是位于传热流体以及致动轴(36)所采用的水力流体之间的密封件，而(37)是致动活塞，其位置由驱动轴件相对阀体上下移动以打开和关闭出口阀口的双向可变速水力泵(38)确定。附图5上的箭头表示传热流体的流动。
附图6表示附图5中阀口(28-33)的阀孔(39-42)的多种选择。(39-42A)是阀孔的平面图而(39-42B)表示出相同阀孔的横截面图。
在某些设计中阀上的阀口开孔可能重叠，而在其它设计中阀口开孔可能在单独的谨慎步骤中开启。
本发明能够用于需要温度控制的任何系统。然而其更适合用于改善商业的化学和物理反应系统的操作。但是，它也用于比商业产量小很多的反应系统中。例如，本发明能减少反应器尺寸10倍，而且在某些情况下为100倍或更高。它尤其适用于目前的商业
1.在10-20000L反应器中进行的间歇有机合成反应
2.在10-20000L反应器中进行的本体医药合成反应
3.在10-20000L反应器中进行的间歇聚合反应
4.目前用于不稳定材料(产物容易自加速逃逸)的10-20000L间歇有机合成反应
5.在10-20000L反应器中进行的间歇无机合成反应
该工艺还可用于更大规模的化学和石油化学操作中。
将改变传热表面面积的能力与管式平推流在传热流体中的使用二者结合，可以使得在传热流体和需控温介质之间产生高的热梯度。这反过来也允许对介质温度的波动作出快速和精确的响应，从而允许快速的响应以及保持高精确温度控制的能力。这些系统使得LMTD能在高水平上保持稳定和恒定。LMTD应尽可能地高，并且我们优选其大于1℃，更优选大于10℃，更加优选大于20℃，甚至更加优选大于100℃。可获得的LMTD值取决于受控介质的温度。传热流体的最优流动取决于包括流体特性的系统，但是优选流体流动的雷诺数大于2000。应保持管中的高线性速度大于0.1m/s，更优选大于1m/s，或者甚至更加优选大于3m/s。这一点对难以获得高雷诺数的微孔管很重要。
如上所述，本发明的技术可用于采用温度控制系统的任何系统中。任何在其物理或者化学变化中吸收或者放出热量的工业过程均可以由这些技术控制。例如，该技术可用于控制反应器、结晶器、蒸发器、干燥器、发酵器、蒸馏器、汽化器以及气体蒸发器的温度。该技术还可用于需要受控温度的工业以及家庭过程，例如液体加热和冷却系统，以及固体、液体和气体的贮存和运输。本发明的技术也可用于诸如加热和通风系统、空气调节和急冷以及冷却的用途中。

Claims (26)

1.一种温度控制系统，其采用含有流动传热流体的可变面积控制元件，其中可利用面积的改变通过开启和闭合级联形式的导管组进行，导管的开启和关闭依据温度受控介质中的温度测量装置进行。
2.根据权利要求1的温度控制系统，其中传热流体流动的雷诺数大于2000。
3.根据权利要求1或权利要求2的温度控制系统，其中，控制可利用的导管面积和传热流体的流动从而在温度受控介质和传热流体之间提供基本上恒定的温度梯度。
4.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中LMTD大于或者等于1℃。
5.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中LMTD大于或者等于10℃。
6.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中LMTD大于或者等于20℃。
7.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中LMTD大于或者等于100℃。
8.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中导管组包括级联形式的盘管。
9.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中传热流体在入口和出口之间的设计公称温度变化(tsi-tso)为大于或等于0.01℃。
10.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中传热流体在入口和出口之间的设计公称温度变化(tsi-tso)为大于或等于0.1℃。
11.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中传热流体在入口和出口之间的设计公称温度变化(tsi-tso)为大于或等于1℃。
12.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中传热流体在入口和出口之间的设计公称温度变化(tsi-tso)为大于或等于10℃。
13.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中传热流体的线速度大于0.1ms-1。
14.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中传热流体的线速度大于1ms-1。
15.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中传热流体的线速度大于3ms-1。
16.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中传热流体的线速度大于5ms-1。
17.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其具有足够高的分辨率，从而使得温度受控介质的温度的扰动或者偏差能够以一个允许在传热流体的流动速度和导管面积中作出实时纠正的速度检测出来，从而所述的扰动或者偏差在温度受控介质的温度中产生一个相对小的变化。
18.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其能够在少于2秒的时间内对温度受控介质负荷的变化作出响应。
19.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其能够在少于10秒的时间内对温度受控介质负荷的变化作出响应。
20.根据前述任一权利要求的温度控制系统，其中单个导管或盘管的公称设计热负荷不大于0.1W。
21.根据权利要求1-19任一项的温度控制系统，其中单个导管或盘管的公称设计热负荷不大于1W。
22.根据权利要求1-19任一项的温度控制系统，其中单个导管或盘管的公称设计热负荷不大于10W。
23.根据权利要求1-19任一项的温度控制系统，其中单个导管或盘管的公称设计热负荷不大于100W。
24.根据权利要求1-19任一项的温度控制系统，其中单个导管或盘管的公称设计热负荷不大于1000W。
25.根据权利要求1-19任一项的温度控制系统，其中单个导管或盘管的公称设计热负荷不大于10000W。
26.根据权利要求1-19任一项的温度控制系统，其中单个导管或盘管的公称设计热负荷不大于100000W。
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