專利名稱：智能控制的熱交換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于以傳熱為主要過程或目的熱交換器技術領域。涉及到的是應用智能控制技術與高效的熱交換器技術相結(jié)合的方法，并構(gòu)成智能控制的熱交換器裝置。
背景技術：
當前在國內(nèi)外以傳熱為主要過程或目的熱交換器的技術水平和在使用運行維護的方式分別為1)在熱交換器使用運行一段時間后，由于會在冷、熱兩側(cè)流體流動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)在熱交換器使用運行一段時間后，由于會在冷、熱兩側(cè)流體流動的壁面上結(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)濟的運行。
3)當熱交換器在冷、熱兩側(cè)流體流動的壁面上污垢增加到一定程度時，使得傳熱系數(shù)變小和流體流動壓力降變大，在結(jié)垢嚴重影響到換熱效果時必須進行定期清洗除垢。
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)濟的運行。同時還必須要對使用運行過程中的熱交換器進行計劃維修和事故發(fā)生后再進行維修，由此而造成了很大的浪費。

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與高效的熱交換器技術相結(jié)合的方法，并構(gòu)成了智能控制的高效熱交換器的裝置。通過智能控制技術來監(jiān)視和控制熱交換器的使用運行，以此達到高效節(jié)能的經(jīng)濟性的目的。改進以前的僅從單一科學技術觀點來評價熱交換器，并將為熱交換器做出全面的熱經(jīng)濟性的評價。
本發(fā)明的技術方案(1)本發(fā)明的技術方法由于熱交換器在投入使用運行一段時間后，在它的冷、熱兩側(cè)流體流動的壁面上會不斷地增長污垢，從而引起熱交換器換熱性能的下降和不經(jīng)濟的運行。
通過分別安裝在熱交換器的冷、熱兩側(cè)流體進、出口處的溫度、壓力、流量傳感器1，可以實時采集到運行參數(shù)的變化值。把這些參數(shù)經(jīng)過處理后與設定值通過比較器2進行比較，并求出偏差與偏差變化率。再根據(jù)計算機自適應智能模糊推理控制單元3，遺傳優(yōu)化算法4，專家知識5和在線學習算法6的處理。
進行的實時運行分析和優(yōu)化計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)與流速的關系為α1∝ω0.8，管外的對流換熱系數(shù)與流速的關系為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)有如下的關系P∝ω1.8。
③增加流速可改變流體流動的狀態(tài)，并提高湍流脈動程度，增強對流換熱效果。但是從輸送流體的能量消耗觀點來看恰恰相反，增加流速必然會受到污垢的阻礙，使得冷、熱兩側(cè)泵功率的消耗增大。根據(jù)測試和計算可求得阻力降P，并可確定實時所需要的泵或風機的功率。
④把對優(yōu)化計算所涉及到的有關技術參數(shù)，進行實時測量和輸入到優(yōu)化計算的程序中。這些有關的主要參數(shù)包括決定該熱交換器的投資費用和此時所要求運行的熱負荷以及在此運行期間輸送兩側(cè)流體的能耗費用。而且影響能耗費用的關鍵因素是在冷、熱兩側(cè)流體的流速ω1和ω2`，更要重點調(diào)整的是對流換熱系數(shù)小的那一項。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ηB的關系。根據(jù)不同流速ω和相應阻力降P，并求得對應的功率消耗N。如果每年運行時間為τ(h)，此時運行期間的電費為S[RMB￥/kW·h]，因此，可得每年能耗運行費用與流速ω的關系。將以上參數(shù)進行全局優(yōu)化計算，并得出相應的經(jīng)濟指標值，即設備的投資費用與運行費用之和的最低點即被調(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PID控制器7，向安裝在冷、熱兩側(cè)流體的進、出口處的用于輸送流體的動力，即變頻電機10，11，12，13和自控閥門14發(fā)出控制指令。以此來實時調(diào)控冷、熱兩側(cè)流體流速，以此達到該熱交換器9的冷、熱兩側(cè)流體流動的最佳合理的流速或稱為最經(jīng)濟流速。以保證熱交換器能夠?qū)崟r經(jīng)濟和安全的運行，并且將實際的運行的參數(shù)顯示在顯示器8的上面。
⑥在通過智能控制技術監(jiān)控熱交換器的使用運行過程中，它所進行的優(yōu)化計算和實時監(jiān)控下的經(jīng)濟性運行，都是在通過已經(jīng)設定好的在冷、熱兩側(cè)壁面結(jié)垢的垢層厚度和兩側(cè)流體流動的溫度、壓力、流量及熱交換器本體的振動參數(shù)限定值之內(nèi)進行的，當通過智能控制技術實時監(jiān)測到在冷、熱兩側(cè)流體溫度、壓力、流量、振動和垢層厚度超出了這些限定值的允許范圍時，智能控制系統(tǒng)可執(zhí)行自動除垢和報警的功能。因為每單位面積上的結(jié)垢沉積量為m，垢阻為rS，垢的密度ρS，垢的導熱系數(shù)λS及沉積厚度δS之間有以下的關系m＝ρSδS＝ρSλS，所以必須進行自動清洗除垢，否則將會嚴重影響換熱性能和不經(jīng)濟的運行。
通過以上的智能分析和優(yōu)化計算及控制，可以達到恢復或接近該熱交換器在設計時或初次投入運行時的換熱性能及其技術指標，并可實時通過顯示和報警告知該熱交換器在其運行時的溫度、壓力、流量和振動的超限定值，并為熱交換器的狀態(tài)維修和預知維修提供技術依據(jù)。以保證熱交換器能夠經(jīng)濟和安全的運行，以此達到高效節(jié)能和綜合經(jīng)濟性目的。
(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、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時采集在實際運行時的冷、熱兩側(cè)流體的進、出口處的參數(shù)。經(jīng)過比較器2把實時采集到的運行參數(shù)與給定的值進行比較，并求出偏差與偏差變化率。再根據(jù)計算機自適應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及在線學習算法6進行分析計算和處理，最后通過神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器7，向用于驅(qū)動泵用的變頻電機和自控閥門發(fā)出控制指令。再通過在冷、熱兩側(cè)流體的進、出口處的10，11，12，13變頻電機來改變冷、熱兩側(cè)流體流速的方法。根據(jù)熱交換器實際的運行狀況進行最終的調(diào)控，并且將實際的運行的參數(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備。在熱側(cè)進、出口處安裝有10和11的變頻電機驅(qū)動泵，用于輸送和控制熱流體。在冷側(cè)進、出口處安裝有13和12變頻電機驅(qū)動泵，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實現(xiàn)了智能控制技術對熱交換器運行過程的實時監(jiān)視和控制。當熱交換器在使用一段時間后，不會因為在冷、熱兩側(cè)流體流動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)濟的流速下運行，以保證它能夠長期經(jīng)濟狀態(tài)下運行。
②當熱交換器垢阻厚度增長到一定程度時，使得冷、熱兩側(cè)流體流動壓力降和傳熱性能變化到嚴重影響換熱性能時，智能控制系統(tǒng)能夠自動進行清洗除垢，以恢復或接近換熱器的在設計時或初始投入運行時的性能指標，利用智能控制技術能夠使熱交換器在經(jīng)濟和安全下使用運行。
③通過顯示和報警器及網(wǎng)絡為操縱管理人員提供信息，為該設備的狀態(tài)維修和預知維修提供可靠的技術依據(jù)。避免了以前對使用運行過程中的熱交換器進行計劃維修和事故發(fā)生后進行維修，而由此造成了很大的浪費。以保證它能夠經(jīng)濟和安全的運行，以此達到高效節(jié)能和綜合經(jīng)濟性目的。
④通過智能控制技術監(jiān)控使用運行過程中的熱交換器，以改進以前的僅從單一科學技術觀點來評價熱交換器，將為熱交換器做出全面的熱經(jīng)濟性評價。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計算機自適應智能模糊推理控制單元，4遺傳優(yōu)化算法，5專家知識，6在線學習算法，7神經(jīng)網(wǎng)絡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)進口變頻電機泵，11熱側(cè)出口變頻電機泵，12冷側(cè)出口變頻電機泵，13冷側(cè)進口變頻電機泵，14自控閥門，15故障診斷用的測振傳感器。
具體實施例方式
以一臺智能控制的高效熱交換器在設計和使用過程中所進行的優(yōu)化計算和控制問題為例，敘述本發(fā)明的具體實施例。
1)主要技術參數(shù)為①熱交換器的投資費用設為A[RMB￥/臺]，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)流體所需能耗費用設為B[RMB￥/a]；③熱交換器的狀態(tài)維修和預知維修費用設為C[RMB￥/年]；④非智能控制的熱交換器進行計劃維修和事后維修費用設為D[RMB￥/年]。
考慮了以上因素熱交換器的經(jīng)濟性指標可表示為ψ＝A+B/n+C，[RMB￥/a]?，F(xiàn)在要求在設計和使用過程中的智能控制的高效熱交換器為最經(jīng)濟，然而就必須把對冷、熱兩側(cè)流體流速ω1和ω2視為決定設備投資費用A與能耗費用B的關鍵性參數(shù)。
2)對優(yōu)化計算所涉及到的有關技術參數(shù)，進行實時測量并同時把有關的技術參數(shù)輸入到優(yōu)化計算的程序中。這些有關的主要參數(shù)包括決定該熱交換器的投資費用A和此時所要求運行的熱負荷Q以及在此運行期間輸送兩側(cè)流體的能耗費用B。而且能夠影響能耗費用的關鍵因素是在冷、熱兩側(cè)流體的流速ω1和ω2`，更要重點調(diào)整的是對流換熱系數(shù)小的那一項。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η′B的關系。根據(jù)不同流速ω和相應阻力降P，并求得對應的功率消耗N。如果每年運行時間為τ(h)，此時運行期間的電費為S[RMB￥/kW·h]，因此，可得每年能耗運行費用B與流速ω的關系。將以上參數(shù)進行全局優(yōu)化計算并得出相應的經(jīng)濟指標值，即設備的投資費用與實時運行費用之和的最低點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、出口處的溫度、壓力、流量傳感器，可以實時采集到運行參數(shù)的變化值。把這些參數(shù)經(jīng)過處理后與設定值通過比較器進行比較，并求出偏差與偏差變化率。再根據(jù)計算機自適應智能模糊推理控制單元，遺傳優(yōu)化算法，專家知識和在線學習算法的處理，最后通過神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器，向安裝在冷、熱兩側(cè)流體的進、出口處的用于輸送流體的動力變頻電機和自控閥門發(fā)出控制指令。以此來實時調(diào)控冷、熱兩側(cè)流體流速，從而達到該熱交換器在冷、熱兩側(cè)流體流動的最佳合理的流速或稱為最經(jīng)濟流速。因此，在熱交換器的經(jīng)濟性指標的表示式ψ＝A+B/n+C，[RMB￥/a]中的B/n項中，該項目向著合理化和恢復或接近換熱器在設計時或初始投入運行時的性能指標的方向逼近。
在通過智能控制技術監(jiān)控熱交換器的使用運行過程中，它所進行的優(yōu)化計算和實時監(jiān)控下的經(jīng)濟性運行，都是在通過已經(jīng)設定好的在冷、熱兩側(cè)壁面結(jié)垢的垢層厚度和兩側(cè)流體流動的溫度、壓力、流量及熱交換器本體的振動參數(shù)限定值之內(nèi)進行的。當結(jié)垢的垢層厚度超出此限定值時，經(jīng)過識別和計算是由于結(jié)垢造成的原因時，智能控制系統(tǒng)可執(zhí)行自動除垢的功能，并可實時通過顯示和報警告知該熱交換器在運行時的溫度、壓力、流量和振動參數(shù)的超限定值，同時通過網(wǎng)絡為操縱管理人員提供信息，為該設備的狀態(tài)維修和預知維修提供可靠的技術依據(jù)。以保證熱交換器能夠長期經(jīng)濟和安全的運行。
3)通過智能控制技術監(jiān)控使用運行過程中的熱交換器，它必將會使得ψ＝A+B/n+C向著更加合理化和綜合經(jīng)濟性的方向發(fā)展。而且該熱交換器的狀態(tài)維修和預知維修費用C要遠小于非智能控制的熱交換器要進行的計劃維修或事后進行維修費用D。因此，把智能控制技術與高效的熱交換器技術相結(jié)合，完全能夠使得熱交換器在長期經(jīng)濟和安全狀態(tài)下運行，以此達到高效節(jié)能和綜合經(jīng)濟性目的。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、出口處的溫度、壓力、流量傳感器實時測量的參數(shù)變化和經(jīng)過計算的結(jié)果；2)再把該熱交換器的投資費用和此時所要求運行的熱負荷以及在此運行期間輸送兩側(cè)流體所需能耗費用的數(shù)據(jù)輸入到優(yōu)化程序中；3)經(jīng)過優(yōu)化計算后得出此時的在該熱交換器冷、熱兩側(cè)流體經(jīng)濟流速的被控制量；4)通過智能控制技術來實時調(diào)控輸送兩側(cè)流體的動力，即變頻電機來達到在冷、熱兩側(cè)流體流動的流速的被控制量；5)在進行的優(yōu)化計算和實時監(jiān)控下的經(jīng)濟性的運行過程中，它們都是在通過已經(jīng)設定好的在冷、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參數(shù)限定值之內(nèi)進行的，當在運行過程中超出這些限定值時，智能控制系統(tǒng)可執(zhí)行自動除垢和報警的功能。
全文摘要
本項發(fā)明屬于以傳熱為主要過程或目的熱交換器技術領域。其特征是應用智能控制技術與高效的熱交換器技術相結(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行時間的增加時會在冷、熱兩側(cè)流體流動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)濟運行的問題。根據(jù)實時測量到的運行參數(shù)和輸入有關的技術數(shù)據(jù)，再經(jīng)過優(yōu)化計算后得出在該熱交換器的冷、熱兩側(cè)流體流動的最佳合理流速的被控制量。并通過智能控制技術實時調(diào)控冷、熱兩側(cè)流體流速的方法，來獲得一個最佳合理的流速或稱為最經(jīng)濟流速，以此達到熱交換器的高效節(jié)能和安全運行目的。
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