CN114843548B - 一种一体化的气-气加热器及气-气冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种一体化的气‑气加热器及气‑气冷却装置，包括：进气口、空气入口、空气出口、调速风机、板翅式换热器、加热器和出气口；板翅式换热器两端分别连接进气口和出气口，空气出口位于连接于板翅式换热器上的管道上，调速风机和加热器相连后连接于板翅式换热器，加热器和板翅式换热器的连接管道上设置有空气入口。在进气口、加热器入口和出气口均设置有温度传感器，分别用于监测工艺气体入口温度、加热气体入口温度和工艺气体出口温度。本发明的有益效果是：该装置既能实现升温功能又能实现降温功能，且结构简单、温度控制精度较高。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种一体化的气-气加热器及气-气冷却装置。
背景技术
PEFMC燃料电池技术进入大规模应用生产，需要大量的电堆检测实验设备进行调试。在调试设备中需要对温度进行精确的升温降温控制，使用类似板翅式换热器的结构从外部吹冷热风控制燃料电池的阳极和阴极气体进气温度。
大部分气体加热系统使用加热器直接加热运行气体，由于加热器和被加热气体间纯在较大的温差，导致温控不准确。并且使用加热器直接加热气体只能做到升温控制做不到降温控制。在降温过程中由于加热器和管道余热较多会导致工艺气体流量过小时会继续升温，加热器和管道温度下降后才能控制设备降温。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种一体化的气-气加热器及气-气冷却装置，主要包括：进气口、空气入口、空气出口、调速风机、板翅式换热器、加热器和出气口；
板翅式换热器两端分别连接进气口和出气口，空气出口位于连接于板翅式换热器上的管道上，调速风机和加热器相连后连接于板翅式换热器，加热器和板翅式换热器的连接管道上设置有空气入口。
进一步地，在进气口、加热器入口和出气口均设置有温度传感器，分别用于监测工艺气体入口温度、加热气体入口温度和工艺气体出口温度。
进一步地，加热器连接有固态继电器，通过固态继电器可以调节单位时间内加热器接通时间的比例，实现单位时间内对加热器平均输出功率的调节，进而达到对空气温度控制的目的，从而控制对工艺气体的换热温度。
进一步地，在加热过程中采用串级控制方式，具体分为2个控制目标：主回路为工艺气体出口温度，副回路为空气入口目标温度。
进一步地，所述的串级控制方式为：给定工艺气体目标温度首先通过第一个PID控制器，输出空气入口目标温度，然后通过第二个PID控制器，控制固态继电器来控制加热器输出功率。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：该装置既能实现升温功能又能实现降温功能，且结构简单、温度控制精度较高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种一体化的气-气加热器及气-气冷却装置的工艺系统原理图。
图2是本发明实施例中电气原理图。
图3是本发明实施例中加热串级PID控制原理图。
图4是本发明实施例中冷却系统控制原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种一体化的气-气加热器及气-气冷却装置的工艺系统原理图，具体包括：进气口1、空气入口2、空气出口3、调速风机4、板翅式换热器5、加热器6和出气口7。板翅式换热器两端分别连接进气口和出气口，空气出口位于连接于板翅式换热器上的管道上，调速风机和加热器相连后连接于板翅式换热器，加热器和板翅式换热器的连接管道上设置有空气入口，在进气口、加热器入口和出气口上均设置有温度传感器，分别为温度传感器一8、温度传感器二9和温度传感器三10，对应监测工艺气体入口温度、加热气体入口温度和工艺气体出口温度。
所述装置在加热过程中使用空气作为传热介质，使用调速风机4引入低流量空气传递加热器6的热量，通过加热后的空气与板翅式换热器5给工艺气体升温；在冷却过程中关闭加热器6的电加热功能，加热器6此时的功能相当于是管道，使用调速风机4引入大流量冷风吹入板翅式换热器5以达到快速对其内工艺气体降温的目的，并且可以快速排出管道内的热空气，降低加热器6和板翅式换热器5与工艺气体的温差，加热后的余热也较小便于快速冷却。
在对工艺气体加热的过程中，加热运行时的原理如下：
调速风机4连接有风机调速器12，通过调整风机调速器12来控制加热空气的进风流量，进而控制换热器5的换热效率，并且在降温过程中调高吹风流量，引入大量冷风来提高降温效率，通过上述方式最终达到控制工艺气体出口温度的目标。调速风机4在低流量运行时，控制加热器6功率，从空气入口进入空气，经过板翅式换热器5后从空气出口流出。工艺气体从进气口1进入，从出气口7排出，即从热空气的低温侧进入，从加热器6高温侧出气。热空气和工艺气体在板翅式换热器5内部进行热交换。通过调整空气进入的温度可以调整工艺气体的出口温度。
如图2所示，加热器6连接有固态继电器11，通过固态继电器11可以调节单位时间内加热器6接通时间的比例，实现单位时间内对加热器6平均输出功率的调节，进而达到对空气温度控制的目的，即需要控制加热器6的输出功率以达到控制加热气体入口温度的目标，从而控制对工艺气体的换热温度。
对于以温度参数为被调参数的对象，其容量滞后往往比较大，而生产上对这些参数的控制质量要求又比较高，此时宜采用串级控制系统，所以在加热过程中采用串级控制方式，具体分为2个控制目标：主回路为工艺气体出口温度，副回路为空气入口目标温度。通过串级PID控制器调温，在温度控制环节增加中间导热气体温度的控制，不会形成较大的温差，有利于温度的精确控制。
主回路的工艺控制指标为得到工艺气体出口温度，该工艺气体出口温度指的是工艺气体在管道出口侧的实际温度值。通过串级PID控制器改变加热器6入口的温度以达到控制工艺气体入口温度的目的。副回路为随动系统，是为了稳定主回路控制目标的，选用空气入口目标温度为控制目标，该空气入口目标温度指的是加热中间介质的气体，工艺气体指的是被加热气体(具体指氢气或者空压机供气)。如图3所示，加热时，将工艺要求的工艺气体出口目标温度通过第一个PID控制器进行控制，控制后和空气入口目标温度通过第二个PID控制器进行控制，同时控制固态继电器来控制加热器输出功率，进而构成一个完整的串级PID控制回路。然后对工艺入口温度通过加热器6和板翅式换热器5进行换热，最终得到工艺气体出口温度。如图4所示，降温时，工艺气体出口目标温度作为控制目标，PID控制器控制工艺气体出口目标温度，通过PID控制器后输出信号至风机调速器12，进而控制调速风机4，工艺气体和通过板翅式换热器5内的空气换热，通过反馈控制，最终得到工艺气体出口温度
在对工艺气体降温的过程中，由于工艺气体的进气温度本质上是接近常温，本质上的降温对象是板翅式换热器5及配套的气体管道。这是因为板翅式换热器5在加热气体的时候本身温度会比较高，远超过室内常温，工艺气体流经板翅式板翅式换热器5的时候仍旧会升温而且温度接近板翅式换热器5金属的温度，如不进行板翅式换热器5降温操作，工艺气体就只能由低流量的工艺气体慢慢的带走板翅式换热器5温度，效率极低，耗时极长。
本发明的有益效果是：该装置既能实现升温功能又能实现降温功能，且结构简单，温度控制精度较高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种一体化的气-气加热器及气-气冷却装置，其特征在于：包括：进气口、空气入口、空气出口、调速风机、板翅式换热器、加热器和出气口；
板翅式换热器两端分别连接进气口和出气口，空气出口位于连接于板翅式换热器上的管道上，调速风机和加热器相连，加热器连接于板翅式换热器，加热器和板翅式换热器的连接管道上设置有空气入口；
在进气口、加热器入口和出气口均设置有温度传感器，分别用于监测工艺气体入口温度、加热气体入口温度和工艺气体出口温度；
加热器连接有固态继电器，通过固态继电器调节单位时间内加热器接通时间的比例，实现单位时间内对加热器平均输出功率的调节，进而达到对空气温度控制的目的，从而控制对工艺气体的换热温度；
在加热过程中采用串级控制方式，具体分为2个控制目标：主回路为工艺气体出口温度，副回路为空气入口目标温度；
所述的串级控制方式为：给定工艺气体出口温度首先通过第一个PID控制器，输出空气入口目标温度，然后通过第二个PID控制器，控制固态继电器来控制加热器输出功率；
所述装置在加热过程中使用空气作为传热介质，使用调速风机引入低流量空气传递加热器的热量，通过加热后的空气与板翅式换热器给工艺气体升温；在冷却过程中关闭加热器的电加热功能，使用调速风机引入大流量冷风吹入板翅式换热器。
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