CN104132580B - 热传导智能汽水换热动态温控法及动态温控系统 - Google Patents
热传导智能汽水换热动态温控法及动态温控系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种热传导智能汽水换热动态温控法，其包括以下步骤：(1)初始阶段，检测水位及水温，并与预设的水位值及水温值对比；(2)换热阶段，开启热源进口及热力调节阀，控制装置根据流量计，环境温度及水箱温度，由控制装置预设的积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间，当水温靠近第二预设温度时提前关闭热力调节阀，由换热器里存储的热量持续加热水箱使水温达到第二预设温度；本发明还公开了动态温控系统。本发明针对一般的恒温箱只检测水温来恒温，造成的内热持续放热或吸热，水温波动及反应迟钝的问题，综合热源状态、水箱温度及周围环境温度三个因数，预测加热所需时间，精准控制，节约能源。
Description
技术领域
本发明涉及蒸汽冷凝换热、水箱水温恒温控制的技术领域，具体涉及一种热传导智能汽水换热动态温控法，及实施该方法的动态温控系统。
背景技术
随着电子科技的发展，自动控制应用变得更加灵活多样。虽有不少设备可以实现恒温控制。针对蒸压釜废汽热量回收和对水温的精确控制，再从安全性和智能化考虑，目前从热力学方面考虑的对系统进行恒温控制的设备非常少。
一般的恒温箱只检测水温，进而调节水温达到恒温的状态，这容易造成的内热持续放热或吸热，水温波动及反应迟钝的问题。
对于蒸汽、废气乏汽余热换热出来的热量，传统上都让它不断的加热水箱的水，对水箱里的水毫无控制管理。更糟糕的是，部分换热器出口端直接排空，来不急冷凝的许多蒸汽的汽化潜热，白白地浪费在大气中。
发明内容
本项发明是针对现行技术不足，提供一种具有安全控制、智能化管理、灵活准确的热传导智能汽水换热动态温控法，满足使用者更多的需求。
本发明还提供一种用来实施该方法的动态温控系统。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种热传导智能汽水换热动态温控法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)初始阶段，检测水位及水温，并与预设的水位值及水温值对比；
(2)当水位及水温满足加热条件时，进入换热阶段，开启热源进口及热力调节阀，当水箱温度到达第一预设温度时，控制装置根据流量计，环境温度及水箱温度，由控制装置预设的积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间，当水温靠近第二预设温度时提前关闭热力调节阀，由换热器里存储的热量持续加热水箱使水温达到第二预设温度。
所述步骤(2)中，在由控制装置预设的积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间之前进行换热功率函数的预设：
在系统调试时，输入换热功率函数，控制装置计算并统计热源、水、环境在各温度下的换热功率，并描绘出趋势曲线，记录在控制装置内；
由控制装置预设的积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间具体包括以下内容：
流量计测量热源的温度、压力及体积，控制装置由流量计测量的数据计算得到输入水箱的热量，得出换热功率W1，并将换热功率W1存储到控制装置中；
温度计反馈水箱温度，控制装置计算出水箱内水增加的热量，由输入水箱的热量与水增加的热量得出热量差，从而得出热散失功率W2，并将热散失功率W2存储到控制装置中；
将换热功率W1与热散失功率W2代入积分公式中，计算水箱水温从第一预设温度到达第二预设温度所需要的时间；
所述积分公式为
其中，T为时间，单位s，V水为水的体积，单位m3，ρ水(t)为对应水温下水的密度，单位kg/m3，Cp(t)为对应水温下水定压比热容，单位J/(kg·℃)。
进一步，所述热传导智能汽水换热动态温控法还包括以下步骤：
(3)当系统使用一段时间后，进入换热功率函数修正阶段，控制装置计算部分不同水温、不同热源温度及环境温度下的换热功率，并代入原系统调试时存储的换热功率函数进行比较，校正精确度。
换热功率函数修正阶段具体包括以下内容：
水温在第一预设温度与第二预设温度之间的换热功率函数修正：
当水箱水温达到第一预设温度时，根据换热功率W1与热散失功率W2分别计算出每升高1℃所需的时间，再与实际水温达到时间逐个比较，若吻合，则预设的换热功率函数准确；
若不吻合，则由实际测量水温由第一预设温度每升高1℃时的时间点拟合出曲线公式，预测到达第二预设温度的时间，并修正此段温度下的换热功率函数，重新进行换热功率函数计算，并校正预设的换热功率。
进一步，所述热传导智能汽水换热动态温控法还包括以下步骤：
(4)换热阶段中包括恒温控制阶段，其具体包括以下步骤：
(41)当不使用水箱热水时，控制装置根据预设的温度，计算得出对应该温度下系统的热散失功率W2，控制装置调整感温包，进而控制热力调节阀的开度，对水箱水散失的热量进行补充，达到恒温的效果；
(42)当使用水箱热水时，冷水进口放入冷水，水箱水温发生变化，当感温包根据水温低于设定温度时，打开热力调节阀，持续对水箱的水进行换热，调整水温直至第二预设温度。
所述步骤(1)中，水温高于第二预设温度时，热源进口关闭；
当液位计测量值低于50％时，热源进口关闭；
当液位计测量值高于100％，冷水进口关闭。
一种实施上述热传导智能汽水换热动态温控法的动态温控系统，系统包括设置依次连接的热源进口、流量计、热力调节阀与换热管，该热力调节阀连接着设置在水箱内靠近热水出口的感温包，在水箱内还设有液位计及温度计；
温控系统还设置一控制装置，该控制装置连接热源进口、流量计、热力调节阀、液位计及温度计，控制装置内置有积分公式，由积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间，当水温靠近第二预设温度时提前关闭热力调节阀，由换热器里存储的热量持续加热水箱使水温达到第二预设温度。
所述的动态温控系统，还包括反向冲洗装置，所述热源进口与流量计之间还设有杂质分离过滤器，杂质分离过滤器上设有检测热源进口压力的传感器，当杂质分离过滤器流动阻力系数超过本身的50％，开启反向冲洗装置。
所述热力调节阀为低温开启、高温关闭的热力调节阀，当水温大于95℃，热力调节阀关闭，实现超温保护。
本发明的有益效果：本发明针对一般的恒温箱只检测水温来恒温，造成的内热持续放热或吸热，水温波动及反应迟钝的问题，尤其针对蒸压釜废汽热量回收和对水温的精确控制，综合热源状态、水箱温度及周围环境温度三个因数，由控制装置计算冷凝换热功率和水箱散热功率，通过计算预测得到水温升高至第二预设温度，提前关闭热力调节阀，由换热器里存储的热量持续加热水箱使水温达到第二预设温度，从而达到对水温的精确控制，节约能源。
动态温控法在考虑热源状态，水箱及周围环境的综合因素下，计算冷凝换热功率和水箱散热功率，并定时校验，保证误差不超过设定的范围。
本发明提供的动态温控系统，由各热功率和各仪表采集的数据对整个系统的运行状况做出预判、调整及保护。
下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明。
附图说明
图1为本实施例的热传导智能汽水换热动态温控法的流程示意图；
图2为本实施例的换热阶段中计算换热功率及散热功率的流程示意图；
图3为本实施例的动态温控系统的结构示意图；
图4为本实施例的反向冲洗装置开启的流程示意图。
图中：1.热源进口，2.杂质分离过滤器，3.流量计，4.热力调节阀，41.感温包，5.热水出口，6.液位计，7.反向冲洗装置，8.换热器。
具体实施方式
实施例，参见图1～2，本实施例提供热传导智能汽水换热动态温控法，其包括以下步骤：
(1)初始阶段，检测水位及水温，并与预设的水位值及水温值对比；
(2)在动态温控系统的投入运作之前，首先进行系统调试，系统组装完成后，进行换热功率函数的预设，输入换热功率函数，控制装置统计并计算热源、水、环境在各温度下的换热功率，并描绘出趋势曲线，记录在控制装置内；换热功率函数为不同的热源温度、不同的水箱温度情况下，对应的换热功率，换热功率函数的输入过程包括：流量计3测量热源的温度、压力及体积，控制装置由流量计3测量的数据计算得到输入水箱的热量，得出换热功率W1，W1(t)＝(t汽-t水)/R，t汽为汽温，单位为℃，t水为水温，单位为℃，R为热阻，单位m2k/w，并将换热功率W1存储到控制装置中，换热功率表如下表所示：
系统调试时，还输入水箱的热散失功率，温度计反馈水箱温度，控制装置计算出水箱内水增加的热量，由输入水箱的热量与水增加的热量得出热量差，从而得出热散失功率W2，W2(t)＝(t水-t环)/R，t环为环境温度，单位为℃，并将热散失功率W2存储到控制装置中；热散失功率表如下表所示：
系统正式投入运作时，当水位及水温满足水位高于60％、水温低于95℃的加热条件时，进入换热阶段，开启热源进口1及热力调节阀4后，当水箱温度到达第一预设温度(即客户设定的需要达到的水温温度的前5摄氏度，例如，客户设定水箱温度需要达到90摄氏度，那么第一预设温度为85摄氏度)时，控制装置根据流量计3、环境温度及水箱温度，由控制装置预设的积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度(即客户设定的需要达到的水温温度，例如90摄氏度)所需的时间，当水温靠近第二预设温度时提前关闭热力调节阀4，由换热器8里存储的热量持续加热水箱使水温达到第二预设温度；
由控制装置预设的积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间具体包括以下内容：
将上述系统调试得到的换热功率W1与热散失功率W2代入积分公式中，计算水箱水温从第一预设温度到达第二预设温度所需要的时间；
积分公式为
积分公式为对输入输出的热量差进行时间微积分，其中，T为时间，单位s，V水为水的体积，单位m3，ρ水(t)为对应水温下水的密度，单位kg/m3，Cp(t)为对应水温下水定压比热容，单位J/(kg·℃)；
由于水温在100℃内，对应的不同水温下水都有特定的比热容，通过水量和比热容可计算出任何时刻水温到达第二预设温度的所需的热量；
当开始关闭热力调节阀4时，热力调节阀4不断关小，相当于节流作用，输入换热器8的的能量减小，即导致换热功率不断减小。当换热功率减小至与散热功率相同时，换热器8及其内蒸汽的热量刚好把水加热到第二预设温度；
热力调节阀4动作期间，水箱也在不断升温，其热量为动作期间流过热力调节阀4的蒸汽热量。通过阀门开度的大小，对应蒸汽流量大小，再对动作时间积分，即可得出热力调节阀4动作期间的蒸汽热量；
控制装置计算出换热器8存储热量和热力调节阀动作过程中流过的蒸汽热量，两者相加之和的热量就是热力调节阀4提前关闭的温度点，或者说从此温度点开始关闭热力调节阀4至与散热功率相等的输入热量开度后，水箱水温会利用换热器8的储存温度达到第二预设温度；
(3)当系统使用一段时间后，例如一个星期或者一个月，系统实际运行与预设的换热功率函数的理论计算出现偏差，或者由于污损造成系统运行与预设的换热功率函数的理论计算出现偏差时，系统进入换热功率函数修正阶段，控制装置计算部分换热功率，并代入系统调试时输入的换热功率函数比较，校正精确度；
具体地，水温在第一预设温度与第二预设温度之间的换热功率函数修正，当水箱水温达到第一预设温度时，根据换热功率W1与热散失功率W2分别计算出每升高1℃所需的时间，再与实际水温达到时间逐个比较，若吻合，则预设的换热功率函数准确，
若不吻合，则由实际测量水温由第一预设温度每升高1℃时的时间点拟合出曲线公式，预测到达第二预设温度的时间，并修正此段温度下的换热功率函数，重新进行换热功率函数计算，并校正预设的换热功率；
(4)换热阶段中包括恒温控制阶段，其具体包括以下步骤：
(41)当不使用水箱热水时，控制装置根据预设的温度，计算得出对应该温度下系统的热散失功率W2，控制装置调整感温包41，进而控制热力调节阀4的开度，对水箱水散失的热量进行补充，热力调节阀4的开度大小使得输入到换热管的蒸汽热量等于水箱散失的热量，达到恒温的效果；控制装置调整感温包41的过程包括：在感温包41传输气压的过程中增加活塞腔，通过控制装置调节活塞腔的容积，起到调节气压特性的效果；当在断电情况下，活塞容积自动清零，不再干扰感温包41输出的气压，此时选型要求为感温包41达到95℃时，能把阀门关死；除了热力可以调节外，电气装置直接作用在热力调节阀4的阀门上，起第一控制作用，只有在断电时，阀门才会完全由热力控制。热力即是热膨胀压力，来自感温包41气体膨胀；
(42)当使用水箱热水时，冷水进口放入冷水，水箱水温发生变化，当感温包41根据水温低于设定温度，如80℃时，打开热力调节阀4，持续对水箱的水进行换热，调整水温直至第二预设温度。
本动态温控法由于能够综合环境温度、水温及水位三个因数进行考虑，其具有预见性，提前计算出到达第二预设温度的时间，及根据热力调节阀4的开度及换热器8内存储的热量进行计算，得到提前关闭热力调节阀4的温度点，进而能够提前关闭热力调节阀4；在系统使用一段时间后，能够自动进行换热函数的修正，使得系统的运行更加精确，符合实际运行的实际情况。
在步骤(1)中，水温高于第二预设温度时，热源进口1关闭；当液位计6测量值低于50％时，热源进口1关闭；当液位计6测量值高于100％，冷水进口关闭。
参见图3，本实施例还提供的动态温控系统包括设置依次连接的热源进口1、流量计3、热力调节阀4与换热管，该热力调节阀4连接着设置在水箱内靠近热水出口5的感温包41，在水箱内还设有液位计6及温度计；
温控系统还设置一控制装置，该控制装置连接热源进口1、流量计3、热力调节阀4、液位计6及温度计，控制装置内置有积分公式，由积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间，当水温靠近第二预设温度时提前关闭热力调节阀4，由换热器8里存储的热量持续加热水箱使水温达到第二预设温度。
所述热力调节阀4为低温开启、高温关闭的热力调节阀4，当水温大于95℃，热力调节阀4关闭，实现超温保护。热力调节阀4连接控制装置，由控制装置直接控制其开闭，只有在控制装置断电时，热力调节阀4才完全由感温包41的热膨胀压力控制，当感温包41达到95摄氏度时，能把热力调节阀4关闭，起到无源保护的作用。
系统还包括反向冲洗装置7，所述热源进口1与流量计3之间还设有杂质分离过滤器2，杂质分离过滤器2上设有检测热源进口1压力的传感器，参见图4，图4为反向冲洗装置7开启的流程示意图，当杂质分离过滤器2流动阻力系数超过本身的50％，开启反向冲洗装置7。使得本系统更加适用于蒸压釜废汽热量回收，尤其适用于加气砖厂乏汽废汽回收。反向冲洗介质为由收集到的冷凝水，再由压缩空气清洗。杂质分离过滤器2自带有热源单向阀和反冲放空阀。
本发明热传导智能汽水换热动态温控法的控制过程：
1、检测水位。液位计6检测到水位计高度达到60％时，控制装置得到可以开启热源进气门的允许条件之一；
2、水温检测。温度计检测到水温低于设定温度，无法设定超过95℃的值，防止水箱水沸腾，控制装置得到可以开启热源进气门的允许条件之二；
3、热源进口1阀门开启。控制装置得到开启条件1和2同时，控制开启热力调节阀4。
4、热源进口1参数测量。流量计3测量并反馈热源的温度、压力、体积和质量流量。
5、计算换热功率。由流量计3反馈回来的热源进口1测量数据，计算出输入水箱热量，得出换热功率。水箱温度计反馈水箱温度，由控制装置计算出水增加的热量。由热量差得出热散失功率。
6、计算换热功率函数。控制装置计算并统计热源、水、环境在各温度下的换热功率，描绘出趋势曲线，记录在控制装置上。换热功率函数是指不同的热源温度、不同的水箱水温度情况下，对应的换热功率。保证任何情况下都有对应的换热功率给控制装置计算。换热功率函数是设计的时候输入的，即系统调试时输入的，但实际运行会与理论出现偏差，就出现了步骤7的修正，同时也能修正污损造成的偏差。换热功率函数的趋势曲线是由调试时输入的，经过控制装置校核计算确定。
7、换热功率函数修正。每隔一段时间，由使用者设定，控制装置计算部分换热功率，并代入原本储存的换热功率函数比较，校核准确度，相差2％时即重新进行换热功率函数计算。
8、最大换热功率运行。热源进口1热力膨胀阀全开时，以最大换热功率运行。控制装置记录水箱升温速率，预测到达95℃的时间，提前关闭热力膨胀阀。如果水温到95℃，热源入口阀门才关闭，那换热器8里存储的热量就会持续加热水箱就，水箱也会继续升温，属于比较呆板的控制。本发明的先进在具有预见性，预见性数值也不仅仅是初始设置，由步骤7不断修正。假设水箱水温同一时刻处处相等，热源温度、压力不变，在水温不断上升时，热源与水温的温差越来越小，传热功率就会不断减小。在水温90℃时，开始以积分的公式，分别计算出到达91℃、92℃、93℃、94℃、95℃的时间，再与实际水温到达时间逐个比较，若吻合则换热功率准确，不吻合则由实际测量水温到达91℃、92℃、93℃、94℃时的时间点拟合出曲线公式来预测，并及时修正此段换热功率，保证相同工况内不再出现偏差。
9、反冲清洗。杂质分离器上有检测热源进口1压力的传感器，与流量计3检测到的流量与压力一起参与计算，发现杂质过滤器流动阻力系数超过本身的50％，即开启反冲洗装置，清洗杂质分离器。反冲洗介质先由收集到的冷凝水冲洗，再由自制的压缩空气清洗。
10、运行保护。当液位计6测量值低于50％时，热源进口1阀门关闭，防止过多热量散失。当液位高于100％时，冷水进口阀门关闭，防止溢出。水温超过95℃时，热源进口1阀门关闭，防止沸腾。
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似方法或装置，而得到的其他热传导智能汽水换热动态温控法及动态温控系统，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种热传导智能汽水换热动态温控法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)初始阶段，检测水位及水温，并与预设的水位值及水温值对比；
(2)当水位及水温满足加热条件时，进入换热阶段，开启热源进口及热力调节阀，当水箱温度到达第一预设温度时，控制装置根据流量计，环境温度及水箱温度，由控制装置预设的积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间，当水温靠近第二预设温度时提前关闭热力调节阀，由换热器里存储的热量持续加热水箱使水温达到第二预设温度。
2.根据权利要求1所述的热传导智能汽水换热动态温控法，其特征在于，所述步骤(2)中，在由控制装置预设的积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间之前，进行换热功率函数的预设：
在系统调试时，输入换热功率函数，控制装置计算并统计热源、水、环境在各温度下的换热功率，并描绘出趋势曲线，记录在控制装置内；
由控制装置预设的积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间具体包括以下内容：
流量计测量热源的温度、压力及体积，控制装置由流量计测量的数据计算得到输入水箱的热量，得出换热功率W1，并将换热功率W1存储到控制装置中；
温度计反馈水箱温度，控制装置计算出水箱内水增加的热量，由输入水箱的热量与水增加的热量得出热量差，从而得出热散失功率W2，并将热散失功率W2存储到控制装置中；
将换热功率W1与热散失功率W2代入积分公式中，计算水箱水温从第一预设温度到达第二预设温度所需要的时间；
所述积分公式为
其中，T为时间，单位s，V水为水的体积，单位m3，ρ水(t)为对应水温下水的密度，单位kg/m3，Cp(t)为对应水温下水定压比热容，单位J/(kg·℃)。
3.根据权利要求2所述的热传导智能汽水换热动态温控法，其特征在于，其还包括以下步骤：
(3)当系统使用一段时间后，进入换热功率函数修正阶段，控制装置计算部分不同水温、不同热源温度及环境温度下的换热功率，并代入原系统调试时存储的换热功率函数进行比较，校正精确度。
4.根据权利要求3所述的热传导智能汽水换热动态温控法，其特征在于，换热功率函数修正阶段具体包括以下内容：
水温在第一预设温度与第二预设温度之间的换热功率函数修正：
当水箱水温达到第一预设温度时，根据换热功率W1与热散失功率W2分别计算出每升高1℃所需的时间，再与实际水温达到时间逐个比较，若吻合，则预设的换热功率函数准确；
若不吻合，则由实际测量水温由第一预设温度每升高1℃时的时间点拟合出曲线公式，预测到达第二预设温度的时间，并修正此段温度下的换热功率函数，重新进行换热功率函数计算，并校正预设的换热功率。
5.根据权利要求2所述的热传导智能汽水换热动态温控法，其特征在于，其还包括以下步骤：
(4)换热阶段中包括恒温控制阶段，其具体包括以下步骤：
(41)当不使用水箱热水时，控制装置根据预设的温度，计算得出对应该温度下系统的热散失功率W2，控制装置调整感温包，进而控制热力调节阀的开度，对水箱水散失的热量进行补充，达到恒温的效果；
(42)当使用水箱热水时，冷水进口放入冷水，水箱水温发生变化，当感温包根据水温低于设定温度时，打开热力调节阀，持续对水箱的水进行换热，调整水温直至第二预设温度。
6.根据权利要求1所述的热传导智能汽水换热动态温控法，其特征在于，所述步骤(1)中，水温高于第二预设温度时，热源进口关闭；
当液位计测量值低于50％时，热源进口关闭；
当液位计测量值高于100％，冷水进口关闭。
7.一种实施权利要求1～6之一所述热传导智能汽水换热动态温控法的动态温控系统，其特征在于，系统包括依次连接的热源进口、流量计、热力调节阀与换热管，该热力调节阀连接着设置在水箱内靠近热水出口的感温包，在水箱内还设有液位计及温度计；
温控系统还设置一控制装置，该控制装置连接热源进口、流量计、热力调节阀、液位计及温度计，控制装置内置有积分公式，由积分公式计算并预测水箱温度达到第二预设温度所需的时间，当水温靠近第二预设温度时提前关闭热力调节阀，由换热器里存储的热量持续加热水箱使水温达到第二预设温度。
8.根据权利要求7所述的动态温控系统，其特征在于，其还包括反向冲洗装置，所述热源进口与流量计之间还设有杂质分离过滤器，杂质分离过滤器上设有检测热源进口压力的传感器，当杂质分离过滤器流动阻力系数超过本身的50％，开启反向冲洗装置。
9.根据权利要求7所述的动态温控系统，其特征在于，所述热力调节阀为低温开启、高温关闭的热力调节阀，当水温大于95℃，热力调节阀关闭，实现超温保护。
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- 2014-08-18 CN CN201410406159.3A patent/CN104132580B/zh active Active
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