一種以導熱油熱為熱源的定型機熱風溫度估算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以導熱油熱為熱源的定型機熱風溫度估算方法，本發(fā)明通過經過機理分析和實際檢測相結合的方式，可以省去一些溫度的測量環(huán)節(jié)，較準確的獲取熱空氣t2的值，從而降低定型機中的硬件成本，為定型機定型質量的提升提供了有力的技術支持。
【專利說明】
-種從導熱油熱為熱源的定型機熱風溫度估算方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及工業(yè)自動控制領域，設及一種熱定型機的換熱器建模方法。
【背景技術】
[0002] 印染行業(yè)中的定型過程是將待定型的胚布在料槽浸上化工料，經過社漉均勻壓棒 后，進入烘箱，在高溫熱風作用下烘干定型。通過定型可W改善織物的手感、滑移、顏色、幅 寬、強力、外觀，還起到穩(wěn)定尺寸的作用，是紡織行業(yè)中必不可少的一道工序。
[0003] 定型機是一個體積龐大、結構復雜、具有重大能耗的紡織裝備，包含上料部分、整 締器、鏈條、烘箱體及落布卷布等裝置。定型機整體結構復雜，W烘箱體為例，一般由九級烘 箱串接而成，單級烘箱長度在3米左右，主要由噴嘴3、過濾網、循環(huán)風機2、熱交換器1、排氣 裝置4W及相應機構組成，示意圖如圖1所示。在控制上，最重要的參數(shù)就是定型的溫度，定 型的溫度是待定型的織物在定型機所接受到的熱風溫度。
[0004] 熱風的產生是運樣的一個過程。導熱油由主鍋爐產生，通過主管送到機臺上，再經 過支管進入每節(jié)烘房。進入到烘房后，導熱油通過熱油型散熱器進行流動。該散熱器是一種 新型的換熱裝置，它采用了具有優(yōu)良技術性能的鋼侶復合翅片管和用W補償熱應力的浮頭 式結構，因此，它是W導熱油（也稱有機熱載體或熱媒體)為傳熱介質進行空氣加熱換熱裝 置的最佳選擇。近年來，該散熱器在紡織、印染、橡膠、制革、木材加工、糧油食品加工、涂裝 烤漆等行業(yè)中已得到了廣泛應用，均取得滿意的效果。
[0005] 在現(xiàn)階段，國內定型機在溫度測量方面，除了在導熱油管道里面放置傳感器器外， 也在定型機烘房內布置溫度傳感器，用烘房的溫度來近似待地從噴嘴出來的溫度，造成了 較大的偏差，造成實際產品定型效果不佳;其次，由于不了解定型機內導熱油、空氣的流量 及溫度的對應能否關系，不能很好的建立有效的數(shù)學模型，一般只能依靠對模型不敏感的 PID算法來調整熱油的流量W及熱風風量，控制難度大，PID參數(shù)整定困難，因此往往產生兩 個結果:1、溫度控制精度差;2、熱能利用效率低，能耗大。

【發(fā)明內容】

[0006] 針對上述問題，本發(fā)明提供了一種W導熱油熱為熱源的定型機熱風溫度估算方 法，使得數(shù)據輸入輸出關系清晰，對應控制實現(xiàn)容易。
[0007] 本發(fā)明提供的技術方案是：
[000引一種W導熱油熱為熱源的定型機熱風溫度估算方法，包括W下步驟：1)將導熱油 導入管殼式換熱器，使其在管殼式換熱器的內部流通，循環(huán)空氣在管殼式換熱器的外部流 通，通過熱風的循環(huán)風機進行循環(huán)，根據熱量守恒定律，可W得到：
[0009] Q = Pni 叫。ilCnil 化-T2) (1)
[0010] Q = f>airUairCair(t2-tl) (2)
[OCm]運里的符號P表示密度，U表示流量，C代表的是比熱，Τι是流入的導熱油的油溫，T2 是經過換熱器后導熱油的溫度，tl是流入換熱器的冷空氣溫度，t2是經過換熱器后的熱空氣 溫度；
[0012] 2)管殼式換熱器，在整個過程中導熱油不發(fā)生相變，在管內做強制端流對流傳熱， 在管外流體作橫掠錯列圓形肋片管束對流換熱，整個換熱器的熱量傳遞分為Ξ大塊：1，殼 程;2，管程;3，間壁換熱；
[0013] 因此，總的換熱系數(shù)為殼程、管程、間壁換熱Ξ部分組成，可W用如下的表達式進 行表示：
[0014]
(3)
[001引式中日日一管外流體傳熱膜系數(shù)，W/(m2 · °C);
[0016] ai-管內流體傳熱膜系數(shù)，W/(m2 · °C);
[0017] r〇,r,-分別為管外、管內流體污垢熱阻，（m2 . °C )/W;
[001引 A0，Ai--換熱管的外表、內表傳熱面積，m2;
[0019] Am-一換熱器管內和管外的平均傳熱面積，m2;
[0020] δ--管壁厚度，m;
[0021] λ2-管壁材料的導熱系數(shù)，W/(m . °C)，
[0022] 在運里，等式右邊加法中的第一項是殼程換熱系數(shù)，第二項是管程換熱系數(shù)，第Ξ 項是間壁換熱系數(shù);最后一項是污垢的換熱系數(shù)；
[0023] 第一項殼程做對流運動，空氣與肋片管束發(fā)生換熱，但沒有相變，通過實驗測定， 并對比現(xiàn)有理論，可W推導出如下關系：
[0026] 其中C代表比熱，ε代表管排數(shù)修正系數(shù)，Re為導熱油雷諾數(shù)，wair是空氣流速，dw是 換熱器管子的外徑，Vair定性溫度下空氣的運動粘度，Pr為普朗特準數(shù)也是常數(shù)。因此除Wair 夕h其他都是常數(shù)，流量正比與流速，因此ao正比與。
[0027] 即，
[002引 ao = kuiaiA65 (5)
[0029] ki的值能夠通過實驗的方式確定。
[0030] 對應第二項是導熱油在殼體內流動的情況，因此也是一個對流換熱的過程，等同 于管內導熱油受迫素流放熱的努謝爾特準數(shù)：
(6)
[0033] 運里Re為導熱油雷諾數(shù)，Wuil是管外空氣流速，dn是換熱器管子的內徑，Vuil定性溫 度下導熱油的運動粘度，dn、VDil在定型機運行時都是常數(shù)，Pr為普朗特準數(shù)也是常數(shù)，除了 導熱油流速是變量外，其他在計算中都可W視為常數(shù)，因此曰1正比與
[0034] 得到，
[003引
（7)
[0036] k2的值能夠通過實驗的方式確定，
[0037] 而第Ξ項中，面積在換熱器設計好了之后就已經確定，其中污垢的換熱系數(shù)在比 較長的時間段可W視為一個常數(shù)，（3)中后面兩項可W視為一個統(tǒng)一的整體，可W通過實驗 的方法進行測定；
[003引基于此
[0039]
(8)
[0040] 運里面k3代表污垢和間壁的總換熱系數(shù);將上述兩個推導的情況代入，運里把面 積相關的用對應系數(shù)k4替換掉，從而可W得到：
[0041 ]
(9)
[0042] 在定型機中，空氣的換熱的基本方式為叉流的方式，因此整理的熱量Q也可W被寫 成如下形式：
[0043] (10:3
[0044] 運里的K表示總的換熱系數(shù)，A是交換面積，在實際中發(fā)現(xiàn)(Ti-t2)/(T2-ti)《2,因 此運里面對數(shù)溫度表現(xiàn)形式可W用一下的算術平均值進行逼近，運樣的處理精度差異不 大，大大的降低了計算的難度，逼近后形式如下所示：
[0053] 將（13)代入(14)，可W得到
[0054]
(15)
[0055] 從而得到經過換熱器后的從熱風噴嘴噴出的熱空氣溫度t2。
[0056] 本發(fā)明通過經過機理分析和實際檢測相結合的方式，可W省去一些溫度的測量環(huán) 節(jié)，較準確的獲取熱空氣t2的值，從而降低定型機中的硬件成本，為定型機定型質量的提升 提供了有力的技術支持。
[0057] 從控制的角度而言，如果將空氣流量IW，導熱油IW流量作為常量控制，K就能視 為常量，將會大大降低控制的難度，也利于提升控制的實際精度。
【附圖說明】
[005引圖1為本發(fā)明的單節(jié)烘箱結構示意圖。
【具體實施方式】
[0059] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0060] -種W導熱油熱為熱源的定型機熱風溫度估算方法，包括W下步驟：1)將導熱油 導入管殼式換熱器1，使其在管殼式換熱器1的內部流通，循環(huán)空氣在管殼式換熱器1的外部 流通，通過熱風的循環(huán)風機2進行循環(huán)，根據熱量守恒定律，可W得到：
[0061] Q二floilUoilCoil (Τι-了2 ) (1)
[0062] Q 二 f>airUairCair( tl ) ( 2 )
[0063] 運里的符號P表示密度，U表示流量，C代表的是比熱，即PdiI表示導熱油的密度，Pair 表不空氣的密度，Unil表不導熱油的流量，Uair表不空氣的流量，Coil表不導熱油的比熱，Cair 表示空氣的比熱，Τι是流入的導熱油的油溫，T2是經過換熱器后導熱油的溫度，tl是流入換 熱器的冷空氣溫度，t2是經過換熱器后的熱空氣溫度，Q表示熱量；
[0064] 2)管殼式換熱器，在整個過程中導熱油不發(fā)生相變，在管內做強制端流對流傳熱， 在管外流體作橫掠錯列圓形肋片管束對流換熱，整個換熱器的熱量傳遞分為Ξ大塊：1，殼 程;2,管程;3,間壁換熱；
[0065] 因此，總的換熱系數(shù)為殼程、管程、間壁換熱Ξ部分組成，可W用如下的表達式進 行表示：
[0066]
(3)
[0067] 式中曰日--管外流體傳熱膜系數(shù)，W/(m2 · °C);
[006引日1-管內流體傳熱膜系數(shù)，W/(m2 · °C);
[00例 Γο,Γ?--分別為管外、管內流體污垢熱阻，（m2 · °C)/W;
[0070] Ao，Ai--換熱管的外表、內表傳熱面積，m2;
[0071 ] Am--換熱器管內和管外的平均傳熱面積，m2;
[0072] δ-管壁厚度，m;
[0073] λ2--管壁材料的導熱系數(shù)，W/(m · °C)，
[0074] 在運里，等式右邊加法中的第一項是殼程換熱系數(shù)，第二項是管程換熱系數(shù)，第Ξ 項是間壁換熱系數(shù);最后一項是污垢的換熱系數(shù)；
[0075] 第一項殼程做對流運動，空氣與肋片管束發(fā)生換熱，但沒有相變，通過實驗測定， 并對比現(xiàn)有理論，可W推導出如下關系：
[007引其中C代表比熱，ε代表管排數(shù)修正系數(shù)，Re為導熱油雷諾數(shù)，Wair是空氣流速，dw是 換熱器管子的外徑，Vair定性溫度下空氣的運動粘度，Pr為普朗特準數(shù)也是常數(shù)，因此除Wair 夕h其他都是常數(shù)，流量正比與流速，因此ao正比與，
[0079] 即，
[0080] a〇 = kuiair〇'65 (5)
[0081 ] ki的值能夠通過實驗的方式確定；
[0082]對應第二項是導熱油在殼體內流動的情況，因此也是一個對流換熱的過程，等同 于管內導熱油受迫素流放熱的努謝爾特準數(shù)：
(6)
[0085] 運里Re為導熱油雷諾數(shù)，Wuil是管外空氣流速，dn是換熱器管子的內徑，Vuil定性溫 度下導熱油的運動粘度，dn、VDil在定型機運行時都是常數(shù)，Pr為普朗特準數(shù)也是常數(shù)，除了 導熱油流速是變量外，其他在計算中都可W視為常數(shù)，因此曰1正比與
[0086] 得到，
[0087]
(7)
[008引k2的值能夠通過實驗的方式確定；
[0089] 而第Ξ項中，面積在換熱器設計好了之后就已經確定，其中污垢的換熱系數(shù)在比 較長的時間段可W視為一個常數(shù)，（3)中后面兩項可W視為一個統(tǒng)一的整體，可W通過實驗 的方法進行測定；
[0090] 基于此
[0091]
(8)
[0092] 運里面k3代表污垢和間壁的總換熱系數(shù);將上述兩個推導的情況代入，運里把面 積相關的用對應系數(shù)k4替換掉，從而可W得到：
[oow]
(9)
[0094]在定型機中，空氣的換熱的基本方式為叉流的方式，因此整理的熱量Q也可W被寫 成如下形式：
[0095]
(10)
[0096] 運里的Κ表示總的換熱系數(shù)，A是交換面積，在實際中發(fā)現(xiàn)(Ti-t2)/(T2-ti)《2,因 此運里面對數(shù)溫度表現(xiàn)形式可W用一下的算術平均值進行逼近，運樣的處理精度差異不 大，大大的降低了計算的難度，逼近后形式如下所示：
[0107] 從而得到經過換熱器后的從熱風噴嘴噴出的熱空氣溫度t2。
[0108] 本發(fā)明在實施的過程中，保持導熱油、空氣的流量保持不變，因此得到熱風的溫度 估算方式，即關系式15.
[0109] 運里，Τι，Τ2是導熱油的溫度，可W在流通的管道中安置傳感器較為容易的測得，其 中ti是流入空氣的溫度，運里的t2是跟布匹接觸的加熱空氣的溫度，即經過換熱器后的從熱 風噴嘴3噴出的熱空氣溫度。兩個氣體溫度檢測在實際過程中都比較難安裝，現(xiàn)在定型機實 際處理過程中一般都是在定型機烘箱的頂部裝一個溫度傳感器，用運個穩(wěn)定來代替出來的 熱風空氣溫度，造成一定的溫度偏差會導致定型效果不佳，而本發(fā)明經過機理分析和實際 檢測想結合的方式，從而得到關于t2的表達式，在不安置傳感器的情況下能較準確的獲取 熱空氣t2的值，為定型機定型質量的提升提供了有力的技術支持。
【主權項】
1. 一種以導熱油熱為熱源的定型機熱風溫度估算方法，其特征在于，包括以下步驟：1) 將導熱油導入管殼式換熱器，使其在管殼式換熱器的內部流通，循環(huán)空氣在管殼式換熱器 的外部流通，通過熱風的循環(huán)風機進行循環(huán)，根據熱量守恒定律，可以得到： Q=p 〇iiu〇iiC〇ii(Ti_T2) (1) Q一PairllairCair ( ?2-tl) (2) 這里的符號P表示密度，U表示流量，C代表的是比熱m是流入的導熱油的油溫，T2是經 過換熱器后導熱油的溫度，是流入換熱器的冷空氣溫度，t2是經過換熱器后的熱空氣溫 度； 2)管殼式換熱器，在整個過程中導熱油不發(fā)生相變，在管內做強制湍流對流傳熱，在管 外流體作橫掠錯列圓形肋片管束對流換熱，整個換熱器的熱量傳遞分為三大塊：1，殼程;2， 管程;3,間壁換熱；因此，總的換熱系數(shù)為殼程、管程、間壁換熱三部分組成，可以用如下的表達式進行表 示： (3) 式中ao--管外流體傳熱膜系數(shù)， ai--管內流體傳熱膜系數(shù)， r〇,ri--分別為管外、管內流體污垢熱阻， Ao，Ai--換熱管的外表、內表傳熱面積， Am-一換熱器管內和管外的平均傳熱面積， δ一一管壁厚度， λ2-一管壁材料的導熱系數(shù)， 在這里，等式右邊加法中的第一項是殼程換熱系數(shù)，第二項是管程換熱系數(shù)，第三項是 間壁換熱系數(shù);最后一項是污垢的換熱系數(shù)； 第一項殼程做對流運動，空氣與肋片管束發(fā)生換熱，但沒有相變，通過實驗測定，并對 比現(xiàn)有理論，可以推導出如下關系： ao = ceRe0-65Pr°-4=kiUair0· 65 (4) 這里，其中c代表比熱，ε代表管排數(shù)修正系數(shù)，Re為導熱油雷諾數(shù)，Wair是空氣流速，dw是換熱 器管子的外徑，定性溫度下空氣的運動粘度，Pr為普朗特準數(shù)也是常數(shù)，因此除wair外， 其他都是常數(shù)，流量正比與流速，因此ao正比與W: 5， 即， ao = kiUair0'65 (5) ki的值能夠通過實驗的方式確定； 對應第二項是導熱油在殼體內流動的情況，因此也是一個對流換熱的過程，等同于管 內導熱油受迫紊流放熱的努謝爾特準數(shù)： a: =0.023RcO8Pr°·3 =k2u°J (6) 其中這里Re為導熱油雷諾數(shù)，Wcill是管外空氣流速，4是換熱器管子的內徑，Vcill定性溫度下 導熱油的運動粘度，dn、Vcill在定型機運行時都是常數(shù)，Pr為普朗特準數(shù)也是常數(shù)，除了導熱 油流速是變量外，其他在計算中都可以視為常數(shù)，因此正比與， 得到， a，二 (7) k2的值能夠通過實驗的方式確定； 而第三項中，面積在換熱器設計好了之后就已經確定，其中污垢的換熱系數(shù)在比較長 的時間段可以視為一個常數(shù)，（3)中后面兩項可以視為一個統(tǒng)一的整體，可以通過實驗的方 法進行測定； 基于此(8) 這里面k3代表污垢和間壁的總換熱系數(shù);將上述兩個推導的情況代入，這里把面積相關 的用對應系數(shù)k4替換掉，從而可以得到：(9) 在定型機中，空氣的換熱的基本方式為叉流的方式，因此整理的熱量Q也可以被寫成如 下形式：(10) 這里的κ表示總的換熱系數(shù)，a是交換面積，在實際中發(fā)現(xiàn)因此這里 面對數(shù)溫度表現(xiàn)形式可以用一下的算術平均值進行逼近，這樣的處理精度差異不大，大大 的降低了計算的難度，逼近后形式如下所示：從表達式（1)和(2)，可以推導出'11 > 因此 (12)⑴） 再通過表達式（1)和（12)可以推導出(14) 將（13)代入（14)，可以得到(15) 從而得到經過換熱器后的從熱風噴嘴噴出的熱空氣溫度t2。
【文檔編號】G06F19/00GK106066937SQ201610371579
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月30日 公開號201610371579.1, CN 106066937 A, CN 106066937A, CN 201610371579, CN-A-106066937, CN106066937 A, CN106066937A, CN201610371579, CN201610371579.1
【發(fā)明人】顧敏明, 戴文戰(zhàn), 王惠姣, 潘海鵬
【申請人】浙江理工大學