專利名稱：智能控制的熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于以傳熱為主要過程或目的熱交換器技術(shù)領(lǐng)域。涉及到的是應(yīng)用智能控制技術(shù)與高效的熱交換器技術(shù)相結(jié)合的方法，并構(gòu)成智能控制的熱交換器裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前在國內(nèi)外以傳熱為主要過程或目的熱交換器的技術(shù)水平和在使用運(yùn)行維護(hù)的方式分別為1)在熱交換器使用運(yùn)行一段時(shí)間后，由于會(huì)在冷、熱兩側(cè)流體流動(dòng)的壁面上不斷的增長污垢，使得垢阻的增加和對流換熱系數(shù)變小，從而使得傳熱系數(shù)的減小，最終引起傳熱量的降低。
2)在熱交換器使用運(yùn)行一段時(shí)間后，由于會(huì)在冷、熱兩側(cè)流體流動(dòng)的壁面上結(jié)垢而造成壓力降的變大，并使得冷、熱兩側(cè)流體流量的減少，從而引起熱交換器不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。
3)當(dāng)熱交換器在冷、熱兩側(cè)流體流動(dòng)的壁面上污垢增加到一定程度時(shí)，使得傳熱系數(shù)變小和流體流動(dòng)壓力降變大，在結(jié)垢嚴(yán)重影響到換熱效果時(shí)必須進(jìn)行定期清洗除垢。
因此，由于存在以上的原因而引起熱交換器的換熱性能的下降和不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。同時(shí)還必須要對使用運(yùn)行過程中的熱交換器進(jìn)行計(jì)劃維修和事故發(fā)生后再進(jìn)行維修，由此而造成了很大的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種智能控制技術(shù)與高效的熱交換器技術(shù)相結(jié)合的方法，并構(gòu)成了智能控制的高效熱交換器的裝置。通過智能控制技術(shù)來監(jiān)視和控制熱交換器的使用運(yùn)行，以此達(dá)到高效節(jié)能的經(jīng)濟(jì)性的目的。改進(jìn)以前的僅從單一科學(xué)技術(shù)觀點(diǎn)來評價(jià)熱交換器，并將為熱交換器做出全面的熱經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)。
本發(fā)明的技術(shù)方案(1)本發(fā)明的技術(shù)方法由于熱交換器在投入使用運(yùn)行一段時(shí)間后，在它的冷、熱兩側(cè)流體流動(dòng)的壁面上會(huì)不斷地增長污垢，從而引起熱交換器換熱性能的下降和不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。
通過分別安裝在熱交換器的冷、熱兩側(cè)流體進(jìn)、出口處的溫度、壓力、流量傳感器1，可以實(shí)時(shí)采集到運(yùn)行參數(shù)的變化值。把這些參數(shù)經(jīng)過處理后與設(shè)定值通過比較器2進(jìn)行比較，并求出偏差與偏差變化率。再根據(jù)計(jì)算機(jī)自適應(yīng)智能模糊推理控制單元3，遺傳優(yōu)化算法4，專家知識5和在線學(xué)習(xí)算法6的處理。
進(jìn)行的實(shí)時(shí)運(yùn)行分析和優(yōu)化計(jì)算及控制的主要過程為①通過威爾遜圖解法得到的傳熱過程的總熱阻為各項(xiàng)分熱阻的疊加，就能夠分別確定兩側(cè)對流換熱系數(shù)α及污垢熱阻rS的大小，并找出問題的所在。
②在湍流狀態(tài)下，管內(nèi)的對流換熱系數(shù)與流速的關(guān)系為α1∝ω0.8，管外的對流換熱系數(shù)與流速的關(guān)系為α0∝ω0.65。因此流速的增減將與換熱系數(shù)隨之俱增減，而阻力降P的大小與流體流速(ω)有如下的關(guān)系P∝ω1.8。
③增加流速可改變流體流動(dòng)的狀態(tài)，并提高湍流脈動(dòng)程度，增強(qiáng)對流換熱效果。但是從輸送流體的能量消耗觀點(diǎn)來看恰恰相反，增加流速必然會(huì)受到污垢的阻礙，使得冷、熱兩側(cè)泵功率的消耗增大。根據(jù)測試和計(jì)算可求得阻力降P，并可確定實(shí)時(shí)所需要的泵或風(fēng)機(jī)的功率。
④把對優(yōu)化計(jì)算所涉及到的有關(guān)技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和輸入到優(yōu)化計(jì)算的程序中。這些有關(guān)的主要參數(shù)包括決定該熱交換器的投資費(fèi)用和此時(shí)所要求運(yùn)行的熱負(fù)荷以及在此運(yùn)行期間輸送兩側(cè)流體的能耗費(fèi)用。而且影響能耗費(fèi)用的關(guān)鍵因素是在冷、熱兩側(cè)流體的流速ω1和ω2`，更要重點(diǎn)調(diào)整的是對流換熱系數(shù)小的那一項(xiàng)。對給定使用年限N來確定折舊率η％，即可求得流速ω與折舊費(fèi)ηB的關(guān)系。根據(jù)不同流速ω和相應(yīng)阻力降P，并求得對應(yīng)的功率消耗N。如果每年運(yùn)行時(shí)間為τ(h)，此時(shí)運(yùn)行期間的電費(fèi)為S[RMB￥/kW·h]，因此，可得每年能耗運(yùn)行費(fèi)用與流速ω的關(guān)系。將以上參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化計(jì)算，并得出相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)值，即設(shè)備的投資費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用之和的最低點(diǎn)即被調(diào)控的最佳合理流速的被控制量。
⑤最后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器7，向安裝在冷、熱兩側(cè)流體的進(jìn)、出口處的用于輸送流體的動(dòng)力，即變頻電機(jī)10，11，12，13和自控閥門14發(fā)出控制指令。以此來實(shí)時(shí)調(diào)控冷、熱兩側(cè)流體流速，以此達(dá)到該熱交換器9的冷、熱兩側(cè)流體流動(dòng)的最佳合理的流速或稱為最經(jīng)濟(jì)流速。以保證熱交換器能夠?qū)崟r(shí)經(jīng)濟(jì)和安全的運(yùn)行，并且將實(shí)際的運(yùn)行的參數(shù)顯示在顯示器8的上面。
⑥在通過智能控制技術(shù)監(jiān)控?zé)峤粨Q器的使用運(yùn)行過程中，它所進(jìn)行的優(yōu)化計(jì)算和實(shí)時(shí)監(jiān)控下的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，都是在通過已經(jīng)設(shè)定好的在冷、熱兩側(cè)壁面結(jié)垢的垢層厚度和兩側(cè)流體流動(dòng)的溫度、壓力、流量及熱交換器本體的振動(dòng)參數(shù)限定值之內(nèi)進(jìn)行的，當(dāng)通過智能控制技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到在冷、熱兩側(cè)流體溫度、壓力、流量、振動(dòng)和垢層厚度超出了這些限定值的允許范圍時(shí)，智能控制系統(tǒng)可執(zhí)行自動(dòng)除垢和報(bào)警的功能。因?yàn)槊繂挝幻娣e上的結(jié)垢沉積量為m，垢阻為rS，垢的密度ρS，垢的導(dǎo)熱系數(shù)λS及沉積厚度δS之間有以下的關(guān)系m＝ρSδS＝ρSλS，所以必須進(jìn)行自動(dòng)清洗除垢，否則將會(huì)嚴(yán)重影響換熱性能和不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。
通過以上的智能分析和優(yōu)化計(jì)算及控制，可以達(dá)到恢復(fù)或接近該熱交換器在設(shè)計(jì)時(shí)或初次投入運(yùn)行時(shí)的換熱性能及其技術(shù)指標(biāo)，并可實(shí)時(shí)通過顯示和報(bào)警告知該熱交換器在其運(yùn)行時(shí)的溫度、壓力、流量和振動(dòng)的超限定值，并為熱交換器的狀態(tài)維修和預(yù)知維修提供技術(shù)依據(jù)。以保證熱交換器能夠經(jīng)濟(jì)和安全的運(yùn)行，以此達(dá)到高效節(jié)能和綜合經(jīng)濟(jì)性目的。
(2)本發(fā)明的裝置及構(gòu)造智能控制的高效熱交換器主要有兩個(gè)部分組成第一部分是智能控制系統(tǒng)的硬件與軟件部分，簡稱為ICU單元。
智能控制單元的硬件與軟件部分如附圖所示，它主要部件和功能為在熱交換器的冷、熱兩側(cè)流體的進(jìn)、出口處分別安裝了用于測量溫度、壓力、流量傳感器1，它的主要作用是用來實(shí)時(shí)采集在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的冷、熱兩側(cè)流體的進(jìn)、出口處的參數(shù)。經(jīng)過比較器2把實(shí)時(shí)采集到的運(yùn)行參數(shù)與給定的值進(jìn)行比較，并求出偏差與偏差變化率。再根據(jù)計(jì)算機(jī)自適應(yīng)智能模糊推理控制單元3，經(jīng)過遺傳優(yōu)化算法4，專家知識5及在線學(xué)習(xí)算法6進(jìn)行分析計(jì)算和處理，最后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器7，向用于驅(qū)動(dòng)泵用的變頻電機(jī)和自控閥門發(fā)出控制指令。再通過在冷、熱兩側(cè)流體的進(jìn)、出口處的10，11，12，13變頻電機(jī)來改變冷、熱兩側(cè)流體流速的方法。根據(jù)熱交換器實(shí)際的運(yùn)行狀況進(jìn)行最終的調(diào)控，并且將實(shí)際的運(yùn)行的參數(shù)顯示在顯示器8的上面，并可通過鍵盤輸入一些熱交換器的設(shè)定值。
第二部分是高效熱交換器，簡稱HHE裝置。
高效熱交換器部分如附圖所示，它的主要部件和功能為9高效熱交換器，它是以傳熱為主要過程或目的的被控制換熱設(shè)備。在熱側(cè)進(jìn)、出口處安裝有10和11的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵，用于輸送和控制熱流體。在冷側(cè)進(jìn)、出口處安裝有13和12變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵，用于輸送和控制冷流體。在高效熱交換器上安裝用于控制冷、熱兩側(cè)流體的自控閥門14和用于熱交換器的故障診斷用的測振傳感器15。
本發(fā)明的效果和益處①實(shí)現(xiàn)了智能控制技術(shù)對熱交換器運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。當(dāng)熱交換器在使用一段時(shí)間后，不會(huì)因?yàn)樵诶洹醿蓚?cè)流體流動(dòng)的壁面上有不斷增加的污垢而引起傳熱量明顯的降低。相反能夠在智能技術(shù)的監(jiān)控下使得熱交換器在最佳合理的流速或稱為最經(jīng)濟(jì)的流速下運(yùn)行，以保證它能夠長期經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行。
②當(dāng)熱交換器垢阻厚度增長到一定程度時(shí)，使得冷、熱兩側(cè)流體流動(dòng)壓力降和傳熱性能變化到嚴(yán)重影響換熱性能時(shí)，智能控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行清洗除垢，以恢復(fù)或接近換熱器的在設(shè)計(jì)時(shí)或初始投入運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)，利用智能控制技術(shù)能夠使熱交換器在經(jīng)濟(jì)和安全下使用運(yùn)行。
③通過顯示和報(bào)警器及網(wǎng)絡(luò)為操縱管理人員提供信息，為該設(shè)備的狀態(tài)維修和預(yù)知維修提供可靠的技術(shù)依據(jù)。避免了以前對使用運(yùn)行過程中的熱交換器進(jìn)行計(jì)劃維修和事故發(fā)生后進(jìn)行維修，而由此造成了很大的浪費(fèi)。以保證它能夠經(jīng)濟(jì)和安全的運(yùn)行，以此達(dá)到高效節(jié)能和綜合經(jīng)濟(jì)性目的。
④通過智能控制技術(shù)監(jiān)控使用運(yùn)行過程中的熱交換器，以改進(jìn)以前的僅從單一科學(xué)技術(shù)觀點(diǎn)來評價(jià)熱交換器，將為熱交換器做出全面的熱經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。并為節(jié)省投資、節(jié)約能源、提高生產(chǎn)力提供了一條重要的途徑。


附圖是智能控制的高效熱交換器結(jié)構(gòu)示意圖。主要有兩部分組成第一部分是智能控制系統(tǒng)的硬件與軟件部分，簡稱ICU單元。
附圖中1溫度、壓力、流量傳感器，2比較器，3計(jì)算機(jī)自適應(yīng)智能模糊推理控制單元，4遺傳優(yōu)化算法，5專家知識，6在線學(xué)習(xí)算法，7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，8顯示器和鍵盤。
第二部分是高效熱交換器，簡稱HHE裝置。
附圖中9高效熱交換器，10熱側(cè)進(jìn)口變頻電機(jī)泵，11熱側(cè)出口變頻電機(jī)泵，12冷側(cè)出口變頻電機(jī)泵，13冷側(cè)進(jìn)口變頻電機(jī)泵，14自控閥門，15故障診斷用的測振傳感器。
具體實(shí)施例方式
以一臺(tái)智能控制的高效熱交換器在設(shè)計(jì)和使用過程中所進(jìn)行的優(yōu)化計(jì)算和控制問題為例，敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
1)主要技術(shù)參數(shù)為①熱交換器的投資費(fèi)用設(shè)為A[RMB￥/臺(tái)]，它的使用年限為n年，即折舊率為l/n×100％＝η′％；②輸送熱交換器兩側(cè)流體所需能耗費(fèi)用設(shè)為B[RMB￥/a]；③熱交換器的狀態(tài)維修和預(yù)知維修費(fèi)用設(shè)為C[RMB￥/年]；④非智能控制的熱交換器進(jìn)行計(jì)劃維修和事后維修費(fèi)用設(shè)為D[RMB￥/年]。
考慮了以上因素?zé)峤粨Q器的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可表示為ψ＝A+B/n+C，[RMB￥/a]。現(xiàn)在要求在設(shè)計(jì)和使用過程中的智能控制的高效熱交換器為最經(jīng)濟(jì)，然而就必須把對冷、熱兩側(cè)流體流速ω1和ω2視為決定設(shè)備投資費(fèi)用A與能耗費(fèi)用B的關(guān)鍵性參數(shù)。
2)對優(yōu)化計(jì)算所涉及到的有關(guān)技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)測量并同時(shí)把有關(guān)的技術(shù)參數(shù)輸入到優(yōu)化計(jì)算的程序中。這些有關(guān)的主要參數(shù)包括決定該熱交換器的投資費(fèi)用A和此時(shí)所要求運(yùn)行的熱負(fù)荷Q以及在此運(yùn)行期間輸送兩側(cè)流體的能耗費(fèi)用B。而且能夠影響能耗費(fèi)用的關(guān)鍵因素是在冷、熱兩側(cè)流體的流速ω1和ω2`，更要重點(diǎn)調(diào)整的是對流換熱系數(shù)小的那一項(xiàng)。對給定的使用年限n來確定折舊率η′％，即可求得流速ω與折舊費(fèi)η′B的關(guān)系。根據(jù)不同流速ω和相應(yīng)阻力降P，并求得對應(yīng)的功率消耗N。如果每年運(yùn)行時(shí)間為τ(h)，此時(shí)運(yùn)行期間的電費(fèi)為S[RMB￥/kW·h]，因此，可得每年能耗運(yùn)行費(fèi)用B與流速ω的關(guān)系。將以上參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化計(jì)算并得出相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)值，即設(shè)備的投資費(fèi)用與實(shí)時(shí)運(yùn)行費(fèi)用之和的最低點(diǎn)即最佳合理流速的被控制量。
通過分別安裝在熱交換器的冷、熱兩側(cè)流體進(jìn)、出口處的溫度、壓力、流量傳感器，可以實(shí)時(shí)采集到運(yùn)行參數(shù)的變化值。把這些參數(shù)經(jīng)過處理后與設(shè)定值通過比較器進(jìn)行比較，并求出偏差與偏差變化率。再根據(jù)計(jì)算機(jī)自適應(yīng)智能模糊推理控制單元，遺傳優(yōu)化算法，專家知識和在線學(xué)習(xí)算法的處理，最后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，向安裝在冷、熱兩側(cè)流體的進(jìn)、出口處的用于輸送流體的動(dòng)力變頻電機(jī)和自控閥門發(fā)出控制指令。以此來實(shí)時(shí)調(diào)控冷、熱兩側(cè)流體流速，從而達(dá)到該熱交換器在冷、熱兩側(cè)流體流動(dòng)的最佳合理的流速或稱為最經(jīng)濟(jì)流速。因此，在熱交換器的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的表示式ψ＝A+B/n+C，[RMB￥/a]中的B/n項(xiàng)中，該項(xiàng)目向著合理化和恢復(fù)或接近換熱器在設(shè)計(jì)時(shí)或初始投入運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)的方向逼近。
在通過智能控制技術(shù)監(jiān)控?zé)峤粨Q器的使用運(yùn)行過程中，它所進(jìn)行的優(yōu)化計(jì)算和實(shí)時(shí)監(jiān)控下的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，都是在通過已經(jīng)設(shè)定好的在冷、熱兩側(cè)壁面結(jié)垢的垢層厚度和兩側(cè)流體流動(dòng)的溫度、壓力、流量及熱交換器本體的振動(dòng)參數(shù)限定值之內(nèi)進(jìn)行的。當(dāng)結(jié)垢的垢層厚度超出此限定值時(shí)，經(jīng)過識別和計(jì)算是由于結(jié)垢造成的原因時(shí)，智能控制系統(tǒng)可執(zhí)行自動(dòng)除垢的功能，并可實(shí)時(shí)通過顯示和報(bào)警告知該熱交換器在運(yùn)行時(shí)的溫度、壓力、流量和振動(dòng)參數(shù)的超限定值，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)為操縱管理人員提供信息，為該設(shè)備的狀態(tài)維修和預(yù)知維修提供可靠的技術(shù)依據(jù)。以保證熱交換器能夠長期經(jīng)濟(jì)和安全的運(yùn)行。
3)通過智能控制技術(shù)監(jiān)控使用運(yùn)行過程中的熱交換器，它必將會(huì)使得ψ＝A+B/n+C向著更加合理化和綜合經(jīng)濟(jì)性的方向發(fā)展。而且該熱交換器的狀態(tài)維修和預(yù)知維修費(fèi)用C要遠(yuǎn)小于非智能控制的熱交換器要進(jìn)行的計(jì)劃維修或事后進(jìn)行維修費(fèi)用D。因此，把智能控制技術(shù)與高效的熱交換器技術(shù)相結(jié)合，完全能夠使得熱交換器在長期經(jīng)濟(jì)和安全狀態(tài)下運(yùn)行，以此達(dá)到高效節(jié)能和綜合經(jīng)濟(jì)性目的。并為節(jié)省投資、節(jié)約能源、提高生產(chǎn)力提供了一條重要的途徑。
權(quán)利要求
1.一種智能控制的熱交換器，其特征在于1)通過安裝在熱交換器的冷、熱兩側(cè)流體進(jìn)、出口處的溫度、壓力、流量傳感器實(shí)時(shí)測量的參數(shù)變化和經(jīng)過計(jì)算的結(jié)果；2)再把該熱交換器的投資費(fèi)用和此時(shí)所要求運(yùn)行的熱負(fù)荷以及在此運(yùn)行期間輸送兩側(cè)流體所需能耗費(fèi)用的數(shù)據(jù)輸入到優(yōu)化程序中；3)經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算后得出此時(shí)的在該熱交換器冷、熱兩側(cè)流體經(jīng)濟(jì)流速的被控制量；4)通過智能控制技術(shù)來實(shí)時(shí)調(diào)控輸送兩側(cè)流體的動(dòng)力，即變頻電機(jī)來達(dá)到在冷、熱兩側(cè)流體流動(dòng)的流速的被控制量；5)在進(jìn)行的優(yōu)化計(jì)算和實(shí)時(shí)監(jiān)控下的經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)行過程中，它們都是在通過已經(jīng)設(shè)定好的在冷、熱兩側(cè)壁面結(jié)垢的厚度和兩側(cè)流體的溫度、壓力、流量及熱交換器本體的振動(dòng)參數(shù)限定值之內(nèi)進(jìn)行的，當(dāng)在運(yùn)行過程中超出這些限定值時(shí)，智能控制系統(tǒng)可執(zhí)行自動(dòng)除垢和報(bào)警的功能。
全文摘要
本項(xiàng)發(fā)明屬于以傳熱為主要過程或目的熱交換器技術(shù)領(lǐng)域。其特征是應(yīng)用智能控制技術(shù)與高效的熱交換器技術(shù)相結(jié)合的方法，并構(gòu)成了智能控制的高效熱交換器裝置。解決了在隨著熱交換器投入使用運(yùn)行時(shí)間的增加時(shí)會(huì)在冷、熱兩側(cè)流體流動(dòng)的壁面上不斷的增長污垢，而引起了傳熱系數(shù)的減小和壓力降的變大，從而使得傳熱性能的降低和不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的問題。根據(jù)實(shí)時(shí)測量到的運(yùn)行參數(shù)和輸入有關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算后得出在該熱交換器的冷、熱兩側(cè)流體流動(dòng)的最佳合理流速的被控制量。并通過智能控制技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)控冷、熱兩側(cè)流體流速的方法，來獲得一個(gè)最佳合理的流速或稱為最經(jīng)濟(jì)流速，以此達(dá)到熱交換器的高效節(jié)能和安全運(yùn)行目的。
文檔編號F28F19/00GK1687686SQ20051004600
公開日2005年10月26日 申請日期2005年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月8日
發(fā)明者鄒積斌 申請人:大連理工大學(xué)